Alberto Vierucci

La biodiversità dei microrganismi estremofili e il ruolo
nella
microbiologia dello spazio
Alberto Vierucci
Prof. Em erito di Pediatria e I m m unologia Clinica
Università di Firenze
Classificazione biologica degli esseri viventi
l’albero della vita
Può essere rappresentata da un
albero ai cui rami sono appesi:
1) Gli Archea
2) I Batteri
3) Piante, funghi e animali (tra
cui l’uomo)
Woes C: et a. Proc Natl Acad Sci. (USA) 1990;87:4576-9
Gli ambienti di vita estremi includono:
Alte temperature
Basse temperature
Radiazioni
Elevata salinità
pH (elevata acidità)
pH (elevata alcalinità)
Alte pressioni
Termofili e termotolleranti
Psicrofili e psicrotolleranti
Radiotolleranti
Alofiti e alotolleranti
Acidofili e acido tolleranti
Alcalofiti
Barofili
Gli estremofili: forme primitive di vita?
Microorganismi estremofili appartengono soprattutto alla
specie Archea e danno la caratteristica straordinaria che
essi non fruttano la luce solare per la fotosintesi come le
piante, nè l’ossigeno come gli animali.
Essi assorbono l’anidride carbonica (CO2), l’azoto (N2)
o l’idrogeno solforato (H2S) emettendo metano.
Si pensa che i ‘Termofili’ siano le forme di vita più primitive sulla
terra e che potrebbero vivere in ambienti proibitivi come su Marte.
Estremofili: il Biofilm come difesa.st
Estremofili termofili
‘Black smokers’
Pyrococcus furiosus 90°C
Pyrodictium occultum 110°C
Black smoker (fumarola nera)
dovuto a una sorgente idrotermale
di una dorsale oceanica che
emette zolfo a 350°C.
Sono stati osservati batteri
chemiosintetici a 2500 metri di
profondità nelle vicinanze del
Messico.
Unico caso al mondo di
fotosintesi non solare.
Solfatara di Pozzuoli
Pozze di fango
bollente
Methanobacter 40-60°C
Fumarola
Sorgenti calde
Da Mosè Rossi : Gli Organismi Estremofili
Il batterio del genere Aquifex è stato rinvenuto
nello Yellowstone National Park dove le temperature
possono raggiungere i 96°C
Psicrofili: vita a basse temperature
Alcuni microorganismi denominati Psicrofili sono stati rinvenuti
nei ghiacciai polari e nelle acque profonde dell’Oceano Antartico
Trattasi di batteri funghi ed alghe che contengono enzimi adattati a
funzionare a basse temperature.
Psicrofili: vita a basse temperature
Proteobacteria 0°C,
Vita in ambienti ipersalini (alofili)
Halobacteria nel lago salato
Chokrak (Crimea, Ucraina),
Il pigmento bacteriorhodospin
emesso dall’estremofilo
determina la colorazione rossa
della superfice del lago
Halobacterium salinarum
Ambienti alofili
Paesaggi nel Mar Morto.
Salinità:(33,7%). Salinità
mediterranea :3,2%
Vita in ambiente acido
E’ un organismo del dominio
Archea, Acidofilico e
ossidante del ferro.
Vive in ambienti ricchi di
ferro e zolfo a un pH molto
acido (1,7)
Ferroplasma acidiphilum
Endoliti: sono organismi che vivono nelle fessure delle
conchiglie e i pori dei minerali, Queste specie sono state
trovate ad una profondità di 3 Km dalla superficie terrestre.
si alimenterebbero di rame potassio e zolfo.
Questo spinoloricus contiene organuli che
gli permettono la sopravvivenza in assenza
di ossigeno. Vive nel Mar Mediterraneo.
Uses of microbes. Discover which microorganisms
play a role in solving some world problems
Quando gli estremofili fanno
delle buone azioni…
Gli organismi estremofili hanno enormi potenzialità
biotecnologiche industriali ed economiche. L’unione
Europea sta sviluppando il progetto «Investigative
life in exstreme environement».
Gli estremofili e i loro prodotti trovano applicazioni in
agricultura, nella industria chimica-farmaceutica,
applicazioni legate alla PCR (TAQ-Polimerasi per
l’amplificazione del DNA) e in molti altri settori.
Altre buone azioni
Producono enzimi come Amilasi, Cellulasi e Proteasi.
-Proteasi alcaline: impiegate nei detersivi
-Batteri alcalofili : produzione di antibiotici
-Dunacella produzione di β-carotene e antiossidanti
-Xinasi: implicate nelle produzione della carta
-Idrocarburi vengono degradati da un Marinobactern H.
-Capacità di degradare inquinanti organici.
Oggi si possono clonare i geni che codificano per queste
proteine.
I cianobatteri sono degli
organismi simbionti che vivono
nelle cellule delle piante.
Sono capaci di fotosintesi
ossigenica.
Hanno contribuito a formare
nell’atmosfera la fascia di
ozono che riveste un ruolo
importante nel proteggere
dall’arrivo sulla terra di
radiazioni ultraviolette letali.
Batteri che producono oro!
Due ricercatori americani scoprono come trasformare in oro dei metalli senza
valore. Ma non potendo sfruttare la loro scoperta per arricchirsi, ne fanno
un'opera d'arte.
Vita nello spazio
Nello spazio all’altezza di
pochissimi chilometri la
temperatura cade al disotto
di 0°C. Sono state trovate
spore fungine fino all’altezza
di 70 Km e molti batteri nella
troposfera dopo gli uragani.
MAN
ON THE
MOON
20 Luglio 1969
Reports of Streptococcus mitis on the Moon
Nella telecamera dell’Apollo 12 al rientro
sulla terra è stato isolato lo Streptococcus
mitis ancora vitale. Secondo la versione
della NASA la telecamera non era stata
sterilizzata adeguatamente.
Space microbiology.
Horneck G, Klaus DM, Mancinelli RL
Microbiol Mol Biol Rev. 2010 Mar;74(1):121-56
Baruch S. Blumberg
Nel Marzo 1999 viene chiamato
dalla NASA a dirigere il NASA
ASTROBIOLOGY INSTITUTE
(NAI) ed a sovraintendere ai 25
laboratori mondiali che studiano
la sopravvivenza dei germi
“estremofili” fra cui quelli che
potrebbero vivere nella
atmosfera o in altri Pianeti.
Gli estremofili sono di particolare interesse per
l'astrobiologia in quanto molti di questi organismi
sono in grado di sopravvivere in ambienti simili a
quelli extraterrestri noti. Inoltre la loro scoperta
sottolinea l'enorme adattabilità delle forme di vita
primitive e quindi aumenta le possibilità di trovare
forme di vita (almeno microbiche) nel Sistema
Solare.
International Space Station (ISS)
La Stazione Spaziale Internazionale è una stazione
spaziale dedicata alla ricerca scientifica che si
trova in orbita terrestre bassa, gestita come
progetto congiunto da cinque diverse agenzie
spaziali: la statunitense (NASA), la russa (RKA),
l’europea (ESA); Giappone e Canada.
Dimensioni: Lunghezza 72,8m; Larghezza 108,5m;
Altezza: 20m
Altezza orbitale: 400 km
Velocità in orbita: 7,66 km/s
Massima Velocità: 27.600 km/h
Data di Lancio: 20 Novembre 1998
Costo: 150 miliardi USD
International Space Station (ISS)
Dragon: la navetta spaziale
Samantha Cristoforetti
Luca Parmitano
International Space Station (ISS)
International Space Station (ISS)
International Space Station (ISS)
Sopravvivenza dei miceti nello spazio
Nel 2008 la stazione spaziale
internazionale ha iniziato
l’esperimento EXPOSE-LIFE.
Licheni, microfunghi (crjomyces) e
coronita criptoendoteliche delle
rocce antartiche sono state
lasciate per 18 mesi in ambiente
spaziale e in atmosfera e radiazioni
marziana simulata per verificare il
grado di sovravvivenza. Si è visto
che una buona percentuale
sopravvive.
LICHENI
Onofri C. et al. 2008
Bacillus subtilis: un batterio ‘spaziale’’
Spore di bacillus subtilis sono
sopravvissute 6 anni nello spazio in
condizioni di:
- Vuoto quasi assoluto
- Temperature estreme
- Intense radiazioni di origine
solare e galattiche.
Questa osservazione ha aperto
nuove prospettive sulle origini della
vita sulla terra.
Honek G. et al: In Advances in Space
Research 1994:10;41-45
Microorganismi: sopravvivenza nello spazio?
Chroococcidiopsis sp: Sono
organismi procarioti Gram-negativi
detti anche alghe verdi-azzurre.
Sono capaci di compiere la
fotosintesi ossigenica e vivere in
ambienti desertici.
Potrebbe convertire il suolo di Marte
in materiale arabile per eventuali
coltivazioni.
Deinococcus radiodurans: il batterio
col primato di resistenza
E’ un batterio estremofilo, uno
degli organismi più
radioresistenti conosciuti al
mondo, resiste fino a 5000
Gray. (Un uomo muore con 10
Gray).
•Può sopravvivere al freddo
intenso, alla disidratazione, al
vuoto e all’ambiente acido.
Guinnes dei primati 2008, batterio più
resistente al mondo
Astrobiology. 2005 Dec;5(6):690-705.
Caenorhabditis elegans survives atmospheric breakup of STS107, space shuttle Columbia.
Szewczyk NJ, Mancinelli RL, McLamb W, Reed D, Blumberg
BS, Conley CA.
Nematode sopravvissuto alla distruzione della navicella Columbia
mentre rientrava nell’atmosfera terrestre.
Organism
Low earth orbit
Aeromonas proteolytica

Hydrogenomonas eutropha

Deinococcus radiodurans

Rhodococcus erythropolis

Chroococcidiopsis sp

Synechococcus (salgemma)

Haloarchia-G

Planetary
ejaction
Atmosheric reentry


Simulation conditions



Organism
Low earth orbit
Planetary
ejaction
Atmosheric reentry Simulation conditions
Kocuria rosea

Lateococcus japonicus

Micrococcus luteus

Streptomyces coelicolor

Rhodospirillum rubrum

Azotobacter Vinelandii

Enterobacter aerogenes

Escherichia coli



Klebsiella pneumoniae

Aerogenes

Samantha Cristoforetti e gli astromoscerini
spaziali (moscerini della frutta)
I Tardigradi
Anche fra gli Eucarioti vi sono degli estremofili.
Se ne conoscono circa 800
specie. Resistono a:
-Disidratazione (fino al 3% dei
liquidi corporei).
-Radiazioni: 1000 volte letali
per l'uomo.
-Immersione in alcol puro od
in etere.
-Mancanza di ossigeno.
-Variazioni di temperatura da
+151 °C a -253°C.
J Med Virol. 2011 Jun;83(6):1071-7. doi: 10.1002/jmv.22079.
Latent and lytic Epstein-Barr virus gene expression in the peripheral blood of
astronauts.
Stowe RP, Kozlova EV, Sams CF, Pierson DL, Walling DM.
Brain Behav Immun. 2005 May;19(3):235-42.
Epstein-Barr virus shedding by astronauts during space flight.
Pierson DL, Stowe RP, Phillips TM, Lugg DJ, Mehta SK.
Aviat Space Environ Med. 2009 May;80(5 Suppl):A37-44.
Immune status, latent viral reactivation, and stress during long-duration
head-down bed rest.
Crucian BE, Stowe RP, Mehta SK, Yetman DL, Leal MJ, Quiriarte HD, Pierson
DL, Sams CF.
Nutrition. 2002 Oct;18(10):899-903.
Immune function during space flight
Sonnenfeld G, Shearer WT.
Anthony Epstein
Yvonne Barr
2014: 50° Anniversario della scoperta del virus omonimo
Firenze: Premiazione di A. Epstein
100 Billion Alien Planets Fill Our Milky Way
Galaxy: Study by SPACE.com
Curiosity ha rilevato presenza di metano su Marte
Emissioni continue di gas rilevate dalla
sonda che passeggia sul pianeta rosso. Ma
la fonte resta sconosciuta.
Meteorite Black Beauty
Caduto nel deserto marocchino. Avrebbe un’età di 4,4
miliardi di anni e sarebbe costituito da materiale della
crosta marziana. Batteri extraterrestri Estremofili
sarebbero stati isolati da meteoriti conservati nel museo
mineralogico di Napoli.
Confermerebbero la teoria della litopanspermia.
Did Earth Life Come from Space? Tough Algae
Suggests Panspermia Possibility
L’ impatto di un meteorite
Il concetto di panspermia
(tutto sperma o seme) deriva
dalle idee del filosofo greco
Anassagora e sostenuta dal
premio Nobel Svedese Svante
Arrhenius e più recentemente
dall’ astronomo
Chandra Wichramasinghe.
Si postula che i semi della vita
siano sparsi per l’universo e
che la vita sulla terra sia
iniziata con l’arrivo di detti
semi costituiti da molecole
organiche ‘‘fecondatrici’’.
N,Chandra Wickramasinghe:
Life from space: An emerging paradigm
Marte, il pianeta
rosso
Microrganismi terrestri potrebbero un
giorno invadere Marte? È questa la
domanda alla base di tre ricerche
pubblicate recentemente sulla
rivista Astrobiology Journal.
I microrganismi trasportati dalle navicelle
spaziali,infatti, in determinate condizioni,
potrebbero colonizzare altri corpi celesti.
Humans May Be Contaminating Space
List of flown tourists
Space tourist
Photo
Nationality
Charles
Simonyi
United Stetes
Hungary
Richardc
Garriot
United States
United
Kingdom
Year
2007
15 days (Apr 7-21)
2008
12 days (Oct 12-23)
Canada
Guy Lalibertè
Duration of flight
2009
11 days
(Sept 30-Oct 11)
Flight
Launch: Soyuz
TMA-10
Return: Soyuz
TMA-9
Launch: Soyuz
TMA-14
Return: Soyuz
TMA-13
Launch: Soyuz
TMA-16
Return: Soyuz
TMA-14
Amount
paid (USD)
Source of Weath
§ 25 milion
Software
(Microsoft Office)
§ 35 milion
Software gaming
(Origin ystems)
§ 40 milion
Performance art
(Cirque du soleil)
Nuovo programma di turismo spaziale ad una altezza di 100 Km con la
navetta Virgin Galactic del magnate inglese Richard Branson al costo di
250.000 dollari (iscrizioni in corso anche in Italia: Affrettarsi!)
Il progetto Mars One per lo sbarco su Marte
Il progetto , lanciato nel 2012 dall'imprenditore olandese Bas
Lansdorp , prevede che la prima colonia umana a sbarcare su
Marte nel 2025 sia composta da solo quattro persone. Tuttavia
vi è la bocciatura del progetto da parte degli esperti del
Massachusetts Institute of Technology (Mit) di Boston, che
denunciano gravi errori di calcolo. La loro simulazione parla
chiaro: i coloni potrebbero morire per asfissia dopo appena 68
giorni. Da considerare dopo aver percorso 56 milioni di km per
arrivarci (6-12 mesi di viaggio !)
"Mars One"
C'è anche uno studente italiano di medicina tra i cento
colonizzatori di Marte Il 25enne è stato selezionato per
continuare il progetto internazionale che si pone l'obiettivo di
stabilire un insediamento umano permanente sul Pianeta Rosso.
Pietro Alibrandi di Conigliano Veneto: ‘’Faccio sul serio ; non è
Star Treck ‘’
Batteri terrestri che sopravvivono in una atmosfera
marziana
Le ricerche del gruppo di Schuerger hanno dimostrato che i seguenti
Batteri:
- Escherichia Coli
- Serratia Liquefacens
- Bacillus subtilis e pumilius
- Carnobacterium spp
Sono capaci di vivere in una atmosfera tipica di Marte caratterizzata da:
- Temperature molto inferiori allo zero
- Alto vuoto: pressione atmosferica di 7 millibar (quella terrestre è di
1013 millibar)
- Scarso ossigeno
- Esposizione a raggi ultravioletti
Appl Environ Microbiol 2010 Apr;76(8):2377-86.
Effects of simulated Mars conditions on the survival and growth of Escherichia coli and Serratia
liquefaciens.
Berry BJ, Jenkins DG, Schuerger AC.
I Farmaci perdono efficacia nello spazio
James Gallaghe, BBC News
Gli scienziati del Johnson Space Center hanno dimostrato che
l'efficacia dei farmaci diminuisce più rapidamente nello spazio.
Gli astronauti in missioni spaziali a lungo potrebbero non essere in
grado di prendere paracetamolo per curare un mal di testa o di
antibiotici per combattere le infezioni.
Gli astronauti soffrono di debolezza
muscolare e vanno incontro a
demineralizzazione ossea.
Diminuiscono le attività dei 5 sensi :
gusto, odorato, tatto, udito, oltre alla
vista.
Karen Nyberg, ingegnere ed astronauta della
NASA, effettua un esame oculare nel
laboratorio della Stazione Spaziale
Internazionale.
Olfatto: sensazioni di odori sgradevoli;
Percezione tattile:diminuita;Gusto:cibi
insipidi .
Il tardigrado può vivere ovunque e ricorda che si
può essere «estremofili», ma non «estremisti»!
Preferite Marte o Firenze ?