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Perché le budella di termite potrebbero portare biocarburanti migliori?
Gli scienziati stanno sequenziando i genomi di intere comunità microbiche nella speranza di scoprire nuovi geni e organismi in grado di creare carburante, estrarre metalli o ripulire i siti superfund. Conosciuto come metagenomica, il campo si basa sullo studio di frammenti di DNA da una varietà di organismi che vivono nello stesso luogo. Grazie a metodi di sequenziamento in costante miglioramento, il numero di progetti di metagenoma sta crescendo, offrendo agli scienziati una miriade di nuovi geni da esplorare.
I microbi che vivono nell'intestino delle termiti (mostrato sopra) consentono all'insetto di digerire il legno. Gli scienziati sperano di cooptare i geni microbici responsabili di questo processo per produrre in modo più efficiente biocarburanti da alberi ed erbe.
Questo apre un nuovo modo di guardare a questi organismi, dice Jim Bristow , direttore del programma di sequenziamento della comunità presso il Joint Genome Institute del Dipartimento dell'Energia, a Walnut Creek, in California. Probabilmente scopriremo molti processi fondamentali di cui prima non sapevamo nulla.
I microrganismi costituiscono una parte immensamente importante e spesso trascurata dell'ambiente. Costituiscono la maggior parte della nostra biosfera e sono alla base di tutti i cicli dei nutrienti sul nostro pianeta, afferma Philip Hugenholtz , leader del programma di ecologia microbica presso il Joint Genome Institute. Ma la nostra comprensione di questi sistemi è ancora rudimentale. I microbiologi vorrebbero comprendere meglio queste comunità, in modo da poter cooptare geni o organismi utili, come quelli che rimuovono gli inquinanti dal suolo, o controllare meglio le comunità microbiche, come quelle che vivono nella nostra bocca o nell'intestino.
Il modo standard per identificare e studiare i microrganismi che vivono in una particolare comunità è coltivarli in laboratorio, ma ciò è possibile solo con circa l'1% di microbi. Tuttavia, negli ultimi due anni, metodi di sequenziamento genico più rapidi ed economici hanno offerto ai microbiologi un nuovo strumento con cui studiare il restante 99 percento. Gli scienziati possono estrarre il DNA, ad esempio, da una goccia di acqua di mare o da un campione di fango da un impianto di trattamento delle acque reflue e quindi sequenziare quel DNA, ricavando indizi genomici su tutti gli organismi che vivono in quell'ambiente.
Assemblare i frammenti casuali di DNA generati durante il sequenziamento può essere una sfida, persino impossibile in alcuni casi. Hugenholtz paragona il processo al tentativo di mettere insieme mille puzzle da un'unica scatola che contiene solo pochi pezzi di ogni puzzle. Quindi, piuttosto che assemblare completamente questi puzzle genomici, gli scienziati cercano di capire i singoli pezzi o geni. L'identificazione dei geni che consentono ai microbi nell'intestino delle termiti di digerire il legno, ad esempio, potrebbe portare a biocarburanti migliori. La conversione della cellulosa degli alberi e delle erbe negli zuccheri semplici che possono essere fermentati in etanolo è un processo che richiede molta energia. Se avessimo un macchinario enzimatico migliore per farlo, potremmo essere più capaci di trasformare gli zuccheri in etanolo, dice Bristow. Le termiti sono i migliori bioconvertitori al mondo.
I ricercatori del Joint Genome Institute, che ha sequenziato parte del genoma umano ed è ora in gran parte dedicato alla metagenomica, hanno appena finito di sequenziare la comunità microbica che vive nell'intestino delle termiti. Hanno già identificato una serie di nuove cellulasi, gli enzimi che scompongono la cellulosa in zucchero, e ora stanno esaminando le viscere di altri insetti che digeriscono il legno, come una popolazione anaerobica che mangia i trucioli di pioppo. Il risultato finale sarà fondamentalmente un enorme elenco di parti che i biologi sintetici possono mettere insieme per creare un organismo ideale per la produzione di energia, afferma Hugenholtz.
Diversi altri progetti, dalle carcasse di balene ai fanghi delle acque reflue, sono in corso o sono già completati, promettendo un enorme volume di nuovi dati genetici. Un recente progetto dell'Università della California, Berkeley, ad esempio, ha identificato tre nuovi organismi che vivono nell'ambiente altamente acido delle miniere abbandonate. (I batteri che ricoprono il pavimento di queste miniere convertono il ferro in acido, che può quindi inquinare i corsi d'acqua vicini.) Sono vicini alle dimensioni dei virus e potrebbero essere gli organismi più piccoli mai scoperti, afferma Brett Baker, ricercatore presso l'UC Berkeley, che ha lavorato al progetto con Jill Banfield , anche all'Università di Berkeley. Questi organismi possono fornire indizi su altre forme di vita adattate ad ambienti estremi, come Marte.
Il prossimo ostacolo nella metagenomica sarà cercare di trovare la funzione di molti dei geni appena identificati: a differenza delle cellulasi nelle termiti, la maggior parte dei geni ha poca somiglianza strutturale con i geni di organismi ben studiati, rendendo difficile dedurre la loro funzione. In un campione di acqua del Mar dei Sargassi raccolto dal pioniere della genomica Craig Venter, le due famiglie di geni più comuni e probabilmente più importanti sono assolutamente uniche: gli scienziati non hanno idea di cosa facciano. In un certo senso, è rozzo concentrarsi su enormi montagne nel panorama genomico, afferma Hugenholtz. Ma attira immediatamente l'attenzione su strade interessanti da perseguire. Sono ora in corso studi strutturali per cercare di capire la funzione di queste proteine.
I progetti di metagenomica potrebbero eventualmente essere in grado di far luce su questi geni sconosciuti. Possiamo guardare le rappresentazioni di geni con funzione sconosciuta in ambienti simili, confrontarli con ambienti privi di una funzione particolare e quindi triangolare, afferma Bristow. E le firme metagenomiche potrebbero un giorno essere utilizzate come impronte digitali per identificare determinati ambienti, aggiunge. Potrebbero essere usati come un modo per identificare i luoghi in cui potresti voler perforare per il petrolio o cercare minerali o contaminazioni di qualche tipo, dice. Solo vedere i geni potrebbe dirti cosa sta succedendo lì.