Scritto in pietra

Nel suo ufficio nell'Edificio 68, Dianne Newman conserva una roccia levigata e sferica striata da bande di ferro. Trovate in ogni continente, queste rocce sono la fonte più comune di minerale di ferro. E per Newman, esemplari come questo esempio di 2,4 miliardi di anni forniscono intuizioni che potrebbero aiutare a svelare una parte molto intricata della storia della Terra. Quando i microbi antichi hanno iniziato a produrre l'ossigeno che respiriamo e che tipo di microbi erano?

Newman non aveva intenzione di trascorrere la sua carriera esplorando tali domande. È arrivata al MIT nel 1993 per ottenere un master in ingegneria, pensando che avrebbe lavorato nel campo per alcuni anni prima di andare alla scuola di legge per diventare un avvocato specializzato in brevetti. Ma una lezione di microbiologia ambientale l'ha lasciata affascinata dalla diversità del metabolismo dei batteri, le reazioni chimiche che eseguono per vivere. Ho imparato che i batteri possono mangiare composti tossici e trasformarli in benigni, ricorda. Un progetto che ha indotto i batteri a convertire l'arsenico in un materiale semiconduttore l'ha fatta interessare a come i batteri avrebbero potuto modellare la composizione chimica della Terra, e si è trasferita al dipartimento di geoscienze, dove ha conseguito il dottorato di ricerca. Dopo sette anni al Caltech, è entrata a far parte della facoltà del MIT nel 2007 come professore di biologia e geobiologia.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2008

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I microbi sono i migliori chimici del pianeta, si meraviglia Newman. Abbastanza buono, infatti, da aver rimodellato il suo ambiente. Quando il nostro sistema solare si è formato 4,5 miliardi di anni fa, l'atmosfera terrestre era quasi priva di ossigeno. Le prime forme di vita unicellulari, sorte circa 3,8 miliardi di anni fa, vivevano probabilmente nei mari e avevano un metabolismo che non richiedeva ossigeno né lo produceva come sottoprodotto. Alcuni di loro vivevano di ferro; i loro processi metabolici hanno cambiato lo stato chimico del ferro e hanno creato i depositi nella roccia di Newman. Altri probabilmente si nutrivano di zolfo.

E poi è successo qualcosa che avrebbe reso possibile la vita animale e vegetale come la conosciamo. Alcuni batteri hanno iniziato a usare la luce solare per dividere l'acqua in idrogeno, che hanno usato per produrre carburante, e ossigeno, che hanno rilasciato come rifiuti. Grazie alla fotosintesi ossigenata, l'atmosfera e l'acqua oceanica più bassa avevano livelli significativi di ossigeno di circa 2,4 miliardi di anni fa; da circa 540 milioni di anni fa, i livelli di ossigeno erano paragonabili a quelli osservati oggi.

La domanda su quale organismo abbia iniziato a produrre ossigeno e quando è uno dei grandi misteri della storia della Terra. È un problema davvero difficile ma davvero seducente, dice Newman.

Per rispondere, Newman e altri al MIT e in tutto il mondo si concentrano su rocce come quella nel suo ufficio. Proprio come le ossa di dinosauro, i resti dei batteri che vivevano negli antichi mari sono stati incorporati nella roccia per milioni (nel caso dei batteri, miliardi) di anni. I ricercatori sanno che alcuni composti vengono prodotti solo attraverso processi effettuati negli organismi viventi, quindi quando vedono tali composti in una roccia, significa che la roccia riflette tracce di vita antica. I geobiologi interpretano questi fossili batterici confrontando i composti chimici in essi contenuti con quelli creati dai batteri moderni che si basano ancora su antichi processi metabolici. Attraverso tale analisi, sperano di stabilire quali microbi hanno prodotto i composti chimici lasciati nelle rocce. Bisogna guardare alla funzione di queste sostanze chimiche in molti organismi viventi, dice Newman. Questo tipo di logica ci lega al passato.

Una delle tracce chimiche più importanti lasciate dai batteri antichi è un gruppo di composti chiamati 2-metil-BHP. Nel 1999, Roger Summons, un professore di geobiologia del MIT, e colleghi hanno trovato questi composti in rocce di 2,5 miliardi di anni dal bacino di Hamersley nell'Australia occidentale. Queste rocce, provenienti da una miniera di ferro, sono simili a quelle levigate nell'ufficio di Newman. Oggi, i fotosintetizzatori che producono ossigeno chiamati cianobatteri sono i principali produttori di questi BHP. Per questo motivo e molti altri, comprese alcune caratteristiche del sito di Hamersley, Summons e altri hanno interpretato il ritrovamento come prova che i cianobatteri stavano effettuando la moderna fotosintesi 2,5 miliardi di anni fa. La logica era che questi composti sono prodotti da cianobatteri; i cianobatteri fanno la fotosintesi ossigenata; quindi la fotosintesi ossigenata era in corso in quel momento, dice Newman.

Newman pensa che la sua stessa ricerca metta in dubbio questa conclusione. Ha studiato un altro ceppo di batteri che producono BHP: i cosiddetti batteri viola, che non possono utilizzare l'acqua per produrre ossigeno. Invece, ossidano ferro, idrogeno o vari composti organici. Stiamo cercando di capire la funzione dei [BHP] nelle cellule che li producono oggi, dice. I nostri risultati preliminari indicano che i BHP non hanno una connessione diretta con la fotosintesi. Summons, che collabora con Newman su alcune delle sue ricerche, non prende il suo scetticismo sul personale; è fiducioso che il suo lavoro porterà a importanti intuizioni su questi composti e, soprattutto, perché e come i batteri li producono. Tuttavia, sottolinea anche che le sue scoperte non smentiscono la teoria secondo cui le tracce chimiche lasciate dai cianobatteri sono conservate ad Hamersley.

Nel frattempo, il lavoro di Newman con composti batterici noti come fenazine sta illuminando un problema più immediato del mistero di come sia nata la nostra aria ricca di ossigeno. Modificando il modo in cui gli scienziati comprendono queste molecole organiche, la sua ricerca potrebbe portare a nuovi trattamenti per le infezioni batteriche croniche.

Le fenazine sono state a lungo classificate come metaboliti secondari, sottoprodotti dei processi che producono composti metabolici più critici. Sono anche noti da tempo per agire come antibiotici. Ma Newman ha dimostrato che le fenazine hanno anche profondi effetti sulla sopravvivenza e sullo sviluppo microbico.

Newman ha avuto l'idea per questa ricerca studiando i batteri che, per quanto strano possa sembrare, usano rocce contenenti ferro per respirare. Gli esseri umani usano l'ossigeno per bruciare il carbonio, diciamo, in un sandwich al tonno, creando energia; il ruolo dell'ossigeno è quello di accettare elettroni dal carbonio. Il ferro svolge un ruolo simile per i batteri che respirano le rocce, che ottengono la loro energia quando trasferiscono gli elettroni nei composti contenenti carbonio come il glucosio al ferro nelle rocce. Non è respirare nel senso umano: il ferro stesso non entra nelle cellule, come l'ossigeno entra nei nostri polmoni. Piuttosto, i batteri che respirano roccia trasmettono una corrente elettrica al ferro usando molecole che agiscono come navette di elettroni. Queste molecole trasportano gli elettroni da una cellula batterica all'altra e infine sulla superficie di una roccia ferrosa, come le mani di un pubblico che trasporta una rockstar che fa surf tra la folla. Newman e i suoi colleghi ipotizzano che le fenazine potrebbero agire come navette di elettroni in altri batteri.

Se hanno ragione, la loro intuizione potrebbe avere implicazioni più ampie, perché affronta quello che Newman chiama un problema generico che i batteri affrontano quando crescono su qualsiasi superficie. Pochi batteri vivono da soli. Non importa dove e come ottengono la loro energia, se assaporino gli zuccheri nelle fessure dei denti o bevono zolfo dalle prese d'aria sottomarine, la maggior parte dei batteri vive in comunità spesse e appiccicose chiamate biofilm. All'interno di un biofilm, alcuni di essi saranno più vicini di altri alle sostanze chimiche di cui hanno bisogno per condurre le loro reazioni di produzione di energia. Mentre Newman pensava al modo in cui i batteri che respirano ferro usano navette di elettroni per trasportare i loro elettroni dalla profondità di un biofilm a una superficie rocciosa, si è resa conto che i batteri che crescono nei biofilm nei nostri corpi potrebbero fare qualcosa di simile.

Newman ha deciso di testare l'importanza delle fenazine prodotte dal patogeno umano Pseudomonas aeruginosa, che causa gravi infezioni croniche nelle persone che hanno la fibrosi cistica o il cui sistema immunitario è stato compromesso. Vivendo nei polmoni, questi batteri andrebbero incontro allo stesso problema della roccia che respira a mondi lontani: quelli nel mezzo del biofilm verrebbero isolati da un importante substrato energetico, in questo caso l'ossigeno.

Per verificare se questi batteri potessero usare le fenazine per superare le sfide della vita in comune, i ricercatori del laboratorio di Newman ne hanno ingegnerizzati due ceppi mutanti. Un ceppo non poteva produrre fenazine, mentre l'altro le produceva in grandi quantità. Quando Newman e i suoi collaboratori hanno coltivato i batteri in piastre di Petri, hanno visto differenze nell'architettura delle loro comunità. Il ceppo in eccesso è cresciuto in uno strato stretto e liscio, distribuito come Los Angeles. Il ceppo privo di fenazina si è diffuso anche su una vasta area ma è cresciuto in alte torri, costruite come New York City, presumibilmente per massimizzare l'esposizione di ogni cellula all'ossigeno nell'aria.

Questi risultati sono promettenti; ora Newman deve eseguire dei test per vedere come i due ceppi mutanti crescono nel polmone. Se Pseudomonas ha bisogno delle fenazine per sopravvivere, i ricercatori potrebbero, in teoria, sviluppare terapie che impediscano ai batteri di sintetizzarle o di farne uso; che potrebbe aiutare a debellare le infezioni croniche.

L'accesso all'ossigeno oggi è un problema tanto quanto l'accesso a un minerale lo era in passato, afferma Newman. Sono proprio queste connessioni che rendono la geobiologia una vena di conoscenza ricca e sorprendente, non solo sulla storia del pianeta, ma sul nostro presente.

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