Identificazione di un profondo

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4354 (2023) Citare questo articolo

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È stato proposto che i primi batteri, o anche l'ultimo antenato comune universale di tutte le cellule, fossero termofili. Tuttavia, la ricerca sull'origine e l'evoluzione della termofilia è ostacolata dalle difficoltà associate all'isolamento di microrganismi termofili con ramificazione profonda in coltura pura. Qui, isoliamo un batterio termofilo con ramificazione profonda da una bocca idrotermale di acque profonde, utilizzando una strategia di coltivazione in due fasi (“Subtraction-Suboptimal”, StS) progettata per isolare organismi rari. Il batterio, che chiamiamo Zhurongbacter thermophilus 3DAC, è un eterotrofo solfo-riduttore che è filogeneticamente correlato al Coprothermobacterota e ad altri gruppi batterici termofili, formando un clade che sembra rappresentare un lignaggio batterico importante e precocemente divergente. L'antenato di questo clade potrebbe essere un batterio termofilo, strettamente anaerobico, mobile, idrogeno-dipendente e mixotrofico. Pertanto, il nostro studio fornisce informazioni sull’evoluzione iniziale dei batteri termofili.

Gli organismi con temperature ottimali di crescita superiori a 45 °C sono designati come termofili1,2. Questi termofili sono distribuiti ubiquitariamente in ambienti naturali o artificiali ad alta temperatura, come siti vulcanici terrestri, sorgenti termali, sistemi idrotermali sottomarini, fondali profondi, giacimenti petroliferi, suoli superficiali riscaldati dal sole e incubatori industriali3,4,5,6,7, 8. Alcuni termofili possono anche vivere in condizioni alcaline, acide o ad alta salinità, evidenziando la loro capacità di tollerare molteplici fattori di stress9,10. Questi cosiddetti "ambienti estremi" sono generalmente considerati analoghi alle condizioni esistenti sulla Terra primordiale quando la vita ebbe origine nel tardo Adeano o nel primo eone Archeano11,12, e numerosi studi sperimentali13,14 e prove geologiche15 hanno supportato l'origine primitiva dei termofili.

I batteri termofili possono essere trovati in un'ampia gamma di phyla batterici, ma solo pochi phyla contengono quasi esclusivamente batteri termofili, vale a dire Aquificota, Dictyoglomota, Coprothermobacterota, Thermotogota e Thermodesulfobiota. Sebbene sia stato suggerito che la termofilia possa rappresentare una caratteristica ancestrale dei batteri o addirittura della vita16,17,18,19,20, altre ipotesi hanno avanzato un'origine non termofila dei batteri e hanno collocato lignaggi batterici come Chloroflexota o il candidato Phyla Radiation (CPR) vicino alla radice dell'albero filogenomico batterico21,22,23. Uno studio recente che utilizza un approccio di riconciliazione albero-specie albero gene-outgroup ha rifiutato le radici batteriche precedentemente previste e ha posizionato una nuova radice robusta tra due principali rami batterici, cioè Gracilicutes e Terrabacteria, anche se con incertezze riguardo alla posizione filogenetica del lignaggio Fusobacteriota24 . Tuttavia, non è chiaro quando abbiano avuto origine i batteri termofili e come si sia evoluto il loro metabolismo.

Il potenziale metabolico previsto dell'ultimo antenato comune batterico (LBCA) o del primo lignaggio batterico divergente può far luce sugli ambienti primordiali della Terra e sui primi ecosistemi20,25,26,27,28. Per i batteri termofili, diversi studi precedenti incentrati su diversi lignaggi come Thermotogota29, Aquificota30 e Coprothermobacterota31 hanno rivelato una storia evolutiva complessa con un'elevata percentuale di geni trasferiti orizzontalmente da altri procarioti. Tuttavia, manca ancora uno studio evolutivo basato su analisi genomiche comparative complete dei principali cladi batterici termofili. Anche se le analisi metagenomiche senza coltivazione hanno notevolmente ampliato la nostra conoscenza della diversità batterica32,33, la ricerca sui batteri termofili richiede ancora che ceppi isolati forniscano prove dirette della loro fisiologia, come la temperatura di crescita ottimale per confermare le loro caratteristiche termofile. Tuttavia, è estremamente difficile ottenere nuovi batteri termofili in coltura pura, soprattutto per cladi con ramificazione profonda.