Esiste un vivace scambio di informazioni genetiche tra i numerosi microrganismi negli oceani. Questo cosiddetto trasferimento genico orizzontale (HGT) è cruciale per l’evoluzione di molti organismi ed è, ad esempio, anche il meccanismo più importante per la diffusione della resistenza agli antibiotici nei batteri. Finora si presumeva che i contatti diretti tra cellule, DNA libero o virus fossero i principali responsabili dello scambio di geni. Uno studio condotto da Susanne Erdmann dell’Istituto Max Planck di microbiologia marina di Brema mostra ora che le cosiddette vescicole extracellulari sono molto importanti anche per il trasferimento dell’informazione genetica nel mare e quindi per la vita dei suoi più piccoli abitanti.
Virus, GTA, veicoli elettrici: piccoli e numerosi
La maggior parte dei virus sono piccoli. In ogni goccia d’acqua di mare se ne possono trovare fino a 10 milioni. Possono non solo impacchettare il proprio materiale genetico (il genoma), ma anche parti del DNA dell’ospite, cioè il DNA dell’organismo che hanno infettato, e trasportarlo in altre cellule.
Studiare i virus è impegnativo. I campioni di acqua di mare devono essere filtrati attraverso filtri con una dimensione dei pori di soli 0,2 µm (che è circa 300 volte inferiore allo spessore di un capello umano) per separare i virus dalle cellule. Oltre ai virus, questi campioni filtrati contengono anche i cosiddetti agenti di trasferimento genico (GTA) e vescicole extracellulari (EV). I GTA sono particelle simili a virus che impacchettano esclusivamente il DNA dell’ospite, mentre gli EV sono piccole vescicole avvolte da una membrana che si staccano dalla superficie cellulare dell’ospite. Questi veicoli elettrici possono contenere una varietà di molecole. Oltre agli enzimi, ai nutrienti e all’RNA, spesso trasportano frammenti di DNA.
I veicoli elettrici sono trasportatori prolifici di materiale genetico
Erdmann e il suo team hanno ora dimostrato che, a differenza di quanto precedentemente ipotizzato, nei campioni di acqua di mare filtrata è presente molto DNA ospite che non viene trasportato dai virus. Dimostrarlo è stato estremamente complicato. “Dopo il sequenziamento, cioè dopo aver letto il DNA ospite, non siamo più in grado di riconoscere come sia arrivato nel nostro campione”, spiega Erdmann, capo del gruppo di ricerca Max Planck Archaea Virology presso l’Istituto Max Planck di Brema. “Non esiste alcuna funzionalità per assegnare una sequenza a uno specifico meccanismo di trasporto.” Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato un trucco. In una prima fase, hanno assegnato ciascuna sequenza di DNA a un ospite da cui proviene originariamente. Successivamente hanno determinato, per quanto possibile, un meccanismo di trasporto principale per ciascun host, ovvero tramite virus, GTA o EV. Ciò ha permesso loro di assegnare un potenziale meccanismo di trasporto a una specifica sequenza di DNA. “Il risultato è stato sorprendente: a quanto pare, gran parte del DNA non è stata trasportata attraverso le vie classiche, ma attraverso vescicole extracellulari”, dice Erdmann.
Molto più che semplici rifiuti, nell’oceano e oltre
“Le vescicole extracellulari sono state a lungo considerate rifiuti cellulari. Solo negli ultimi quindici anni gli scienziati sono riusciti a dimostrare le loro diverse funzioni per la cellula. Il nostro studio evidenzia chiaramente il ruolo fondamentale che i veicoli elettrici svolgono per lo scambio di materiale genetico tra le cellule”, spiega Dominik Lücking, dottorando del gruppo Erdmanns e primo autore dello studio, ora pubblicato sulla rivista Comunicazioni ISME. Gli autori suggeriscono quindi di cambiare terminologia: “Tradizionalmente, quando si estrae e sequenzia il DNA dalla frazione di 0,2 µm, si parla di un viroma, un metagenoma arricchito di virus”, afferma Lücking. “Tuttavia, in questo modo perdiamo la varietà delle altre particelle non simili ai virus in questa frazione, come i veicoli elettrici. Pertanto, suggeriamo di chiamare questa frazione “DNA extracellulare protetto”, o peDNA”.
Lo studio qui presentato getta le basi per la futura ricerca sul peDNA in tutti gli ecosistemi, nell’oceano e oltre. “La nuova nomenclatura ci consentirà di parlare più chiaramente dei meccanismi e dei processi non coperti dal termine viroma”, afferma Erdmann. La ricerca futura può utilizzare questo studio come linea guida per valutare il ruolo delle vescicole extracellulari in altri ambienti, come il suolo e i sistemi di acqua dolce o l’intestino umano. “Considerando l’importanza del trasferimento genico orizzontale in molti ecosistemi, siamo sicuri che ci siano ancora molte altre sorprese davanti a noi”, conclude Erdmann.
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