Un passo decisivo per comprendere la biodiversità, l’evoluzione e le potenzialità biotecnologiche delle diatomee arriva dal progetto internazionale “100 Diatom Genomes”, la più vasta iniziativa mai realizzata per il sequenziamento e lo studio comparativo dei genomi di queste microalghe. I primi risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica PLOS Biology e vedono tra i protagonisti anche la Stazione Zoologica Anton Dohrn di Napoli, coinvolta con un gruppo di ricercatori impegnati da anni nello studio della genomica e della biologia delle diatomee.
Il progetto, coordinato da Thomas Mock, docente della University of East Anglia, riunisce oltre cento scienziati provenienti da 11 Paesi e numerosi istituti di ricerca internazionali. L’obiettivo è costruire una delle più complete risorse genomiche mai dedicate alle diatomee, attraverso il sequenziamento di 100 specie selezionate in modo da rappresentare la loro straordinaria diversità evolutiva, ecologica e biologica.
Le diatomee sono organismi microscopici fotosintetici presenti negli oceani, nelle acque dolci e anche in alcuni ambienti terrestri. Nonostante le loro dimensioni ridottissime, svolgono un ruolo enorme negli equilibri del pianeta. Sono infatti componenti fondamentali del fitoplancton, sostengono importanti reti alimentari acquatiche e contribuiscono in maniera determinante alla fissazione globale del carbonio e al trasferimento di carbonio organico verso le profondità marine. Il lavoro pubblicato su PLOS Biology ricorda che le diatomee contribuiscono a circa il 20% della fissazione annuale globale del carbonio, un dato che rende particolarmente importante comprenderne l’evoluzione e i meccanismi genetici.
La novità del progetto “100 Diatom Genomes” consiste proprio nell’ampliare radicalmente il numero delle specie per le quali saranno disponibili informazioni genetiche dettagliate. Fino ad oggi, infatti, gran parte della conoscenza genomica sulle diatomee si è concentrata su un numero relativamente limitato di organismi modello. Disporre di decine di nuovi genomi consentirà invece di confrontare linee evolutive molto differenti tra loro, ricostruendo con una precisione mai raggiunta prima la storia di uno dei gruppi algali di maggiore successo sulla Terra.
I primi risultati indicano già una notevole diversità nella struttura e nelle dimensioni dei genomi delle diverse specie analizzate. Differenze che non rappresentano semplicemente una curiosità genetica, ma che sembrano essere strettamente connesse alla complessità del metabolismo, all’organizzazione cellulare, alle strategie di sopravvivenza e alla capacità delle diatomee di colonizzare ambienti profondamente diversi.
Questa enorme quantità di dati permetterà agli studiosi di individuare processi biologici ancora sconosciuti e di comprendere meglio quali innovazioni evolutive abbiano consentito alle diatomee di diffondersi in ecosistemi estremamente differenti. Il confronto tra i genomi potrebbe inoltre chiarire le relazioni che queste microalghe stabiliscono con batteri, microorganismi e altre forme di vita che possono vivere al loro interno, sulla superficie delle cellule o nello stesso ambiente.
Un contributo di primo piano arriva dalla Stazione Zoologica Anton Dohrn, che da anni conduce studi avanzati sulla biodiversità e sulla genomica delle microalghe marine. Mariella Ferrante ricorda come il gruppo napoletano sia stato tra i pionieri di questo settore, arrivando già negli anni passati al sequenziamento di due specie di diatomee del Golfo di Napoli in un’epoca in cui ottenere un intero genoma rappresentava ancora una sfida tecnologica molto complessa.
Oggi il progresso delle tecnologie di sequenziamento permette di lavorare su un numero molto maggiore di organismi, costruendo una vera e propria biblioteca genetica delle diatomee. L’obiettivo non è soltanto catalogare sequenze di DNA, ma associare i dati genomici alle caratteristiche biologiche delle singole specie, fino a comprendere quali geni determinino particolari capacità metaboliche, adattamenti ambientali o forme cellulari.
Secondo Wiebe Kooistra, la scelta di specie distribuite lungo l’intera diversità evolutiva delle diatomee consentirà di ricostruire con grande dettaglio il momento in cui sono emerse determinate innovazioni morfologiche e fisiologiche. Comprendere questi passaggi aiuterà a spiegare perché oggi le diatomee siano così abbondanti nel fitoplancton degli oceani di tutto il mondo, nelle acque dolci e perfino nei suoli umidi.
Uno degli aspetti scientificamente più rilevanti riguarda proprio il loro rapporto con il carbonio. Attraverso la fotosintesi le diatomee assorbono anidride carbonica e trasformano il carbonio in materia organica. Una parte di questa materia può successivamente raggiungere gli strati profondi dell’oceano, contribuendo alla cosiddetta pompa biologica del carbonio. Per questo conoscere meglio i meccanismi genetici che regolano la crescita, il metabolismo e l’adattamento delle diatomee significa anche ottenere nuove informazioni sui processi naturali che influenzano il ciclo globale della CO₂.
Ma il progetto “100 Diatom Genomes” guarda anche alle applicazioni industriali e biotecnologiche. Come sottolinea Giovanna Romano, le diatomee rappresentano una fonte naturale di numerose molecole di grande interesse, tra cui acidi grassi omega-3, pigmenti, metaboliti secondari, silice e composti utilizzabili per la produzione di bio-olio e biocarburanti.
Conoscere i geni e le vie metaboliche responsabili della produzione di queste sostanze potrebbe consentire in futuro di individuare specie particolarmente produttive, migliorare i processi di coltivazione e sviluppare nuove applicazioni nell’ambito della biotecnologia, della chimica verde, dell’alimentazione, della farmaceutica e della produzione di energia sostenibile.
Le informazioni genetiche raccolte potrebbero essere utilizzate anche come base per tecniche avanzate di biologia sintetica e ingegneria genetica, con l’obiettivo di sfruttare in maniera più efficiente determinate caratteristiche delle diatomee o di produrre molecole di interesse industriale attraverso processi biologici più sostenibili.
Un esempio particolarmente interessante riguarda Thalassiosira gravida, specie precedentemente indicata come T. rotula, caratterizzata da un genoma di grandi dimensioni. Secondo Valeria Di Dato, il suo sequenziamento nell’ambito del progetto permetterà di identificare nuove vie coinvolte nella produzione di metaboliti secondari e di approfondire la conoscenza del signalling chimico attraverso il quale le cellule di diatomee comunicano e interagiscono tra loro.
La dimensione internazionale rappresenta uno degli elementi centrali dell’iniziativa. Ogni gruppo coinvolto mette a disposizione competenze specifiche, collezioni di colture algali, metodologie sperimentali e capacità di analisi bioinformatica. Il risultato è una piattaforma scientifica condivisa che permette di confrontare specie provenienti da ambienti differenti e di integrare dati genomici, trascrittomici, fisiologici ed ecologici.
Il progetto è finanziato dal Joint Genome Institute – JGI del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, da tempo interessato allo studio dei microorganismi e delle alghe per le loro possibili applicazioni nel settore della bioenergia e per il loro ruolo nei grandi cicli biogeochimici del pianeta. La ricerca sulle diatomee può infatti fornire strumenti utili sia per comprendere meglio il funzionamento degli ecosistemi sia per individuare nuovi processi biologici applicabili alla produzione sostenibile di materiali, combustibili e composti ad alto valore aggiunto.
La pubblicazione dei primi risultati su PLOS Biology rappresenta quindi soltanto una prima tappa. Con l’avanzamento del progetto e il completamento di nuovi genomi sarà possibile ampliare progressivamente la mappa genetica delle diatomee e confrontare un numero crescente di specie.
Una risorsa che potrebbe cambiare profondamente la conoscenza scientifica di questi microorganismi e aprire nuove prospettive in campi che vanno dall’ecologia marina alla ricerca sul clima, dalla biologia evolutiva alle biotecnologie.
Per la Stazione Zoologica Anton Dohrn, la partecipazione al progetto conferma inoltre il ruolo della ricerca napoletana nel panorama internazionale degli studi sulla biodiversità marina. Dal Golfo di Napoli alla costruzione di una banca genomica globale delle diatomee, il filo conduttore resta la comprensione di organismi microscopici che, pur essendo invisibili a occhio nudo, contribuiscono in maniera fondamentale al funzionamento degli oceani e agli equilibri ambientali dell’intero pianeta.
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PLOS Biology – The 100 Diatom Genomes Project
Stazione Zoologica Anton Dohrn
Joint Genome Institute
