Virus negli Oceani Primordiali? Viaggio nei Laghi ‘Macchina del Tempo’ che ci Svelano il Passato

Ciao a tutti, appassionati di scienza e misteri del nostro pianeta! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio incredibile, non nello spazio, ma indietro nel tempo, fino agli albori della vita sulla Terra. Immaginate oceani vasti, ma molto diversi da quelli odierni: senza ossigeno, ricchi di zolfo, un ambiente che oggi definiremmo estremo, quasi alieno. Eppure, la vita brulicava anche lì, dominata da batteri capaci di fare cose straordinarie. Come facciamo a saperlo? Beh, abbiamo delle “macchine del tempo” naturali: laghi speciali, chiamati meromictici, che conservano condizioni simili a quegli oceani primordiali. E indovinate un po’? In questi laghi abbiamo scoperto dei protagonisti inaspettati che potrebbero riscrivere la storia: i virus!

Laghi Stratificati: Finestre sul Passato Anossico

Questi laghi meromictici sono pazzeschi. Hanno strati d’acqua che non si mescolano mai, un po’ come una torta a strati. C’è uno strato superficiale ossigenato (il mixolimnio), uno profondo completamente anossico e ricco di solfuri (il monimolimnio), e in mezzo una zona di confine super affascinante, la chemoclina. Proprio qui, dove ossigeno e zolfo si incontrano e la luce solare riesce ancora a penetrare, si forma una densa “zuppa” di microbi chiamata piastra microbica. I re e le regine di questo strato sono batteri fotosintetici anaerobici, i Batteri Purpurei dello Zolfo (PSB) e i Batteri Verdi dello Zolfo (GSB). Loro non usano l’acqua per la fotosintesi come le piante, ma lo zolfo! Sono loro i probabili dominatori degli antichi oceani euxinici (appunto, anossici e sulfidici). Studiando questi laghi moderni – come il Poison Lake e il Lime Blue Lake nello stato di Washington (USA) e il Mahoney Lake nella British Columbia (Canada) – possiamo capire meglio come funzionavano quegli ecosistemi remoti.

Il Mistero delle “Impronte Digitali” Sbagliate

Da tempo, noi scienziati cerchiamo le “impronte digitali” chimiche (le biosignature) lasciate da questi batteri nelle rocce antiche. Parliamo di pigmenti specifici, come i carotenoidi (avete presente l’okenone, tipico dei PSB?), o particolari rapporti tra isotopi di carbonio e zolfo derivanti dal loro metabolismo. Il problema è che, a volte, i conti non tornano! Troviamo tantissimo okenone dove ci aspetteremmo pochi PSB, o viceversa. Oppure le firme isotopiche non corrispondono a quello che pensiamo dovrebbero fare quei batteri in quelle condizioni. Un bel rompicapo, vero? E se ci fosse un “burattinaio” nascosto che tira le fila del metabolismo batterico? Qui entrano in gioco i nostri minuscoli protagonisti: i virus.

Virus: Non Solo Distruttori, Ma Registi Occulti?

Sappiamo che i virus infettano i batteri. Spesso li fanno esplodere (lisi), rilasciando nuovi virus. Ma non è l’unica cosa che fanno. Alcuni virus sono più subdoli: inseriscono il proprio DNA in quello del batterio (lisogenia) e restano lì, dormienti, oppure possono portare con sé geni che modificano il metabolismo dell’ospite! Immaginate un virus che “presta” al batterio infettato dei geni per migliorare la fotosintesi, o per produrre pigmenti, o per gestire lo zolfo. Questo potrebbe spiegare le discrepanze che osserviamo nelle biosignature! Potrebbe significare che le “impronte” che troviamo non dipendono solo dall’ambiente (luce, zolfo), ma anche dall’influenza virale. Una prospettiva affascinante e un po’ inquietante!

La Nostra Indagine sul Campo (e in Laboratorio)

Per capirci qualcosa di più, siamo andati proprio lì, su quei tre laghi: Mahoney, Poison e Lime Blue. Abbiamo calato le nostre sonde, misurato ossigeno, salinità, luce, temperatura a varie profondità per mappare i diversi strati. Abbiamo prelevato campioni d’acqua dal mixolimnio, dalla piastra microbica (individuata anche dal colore rosa o verdastro che lasciava sui nostri filtri!) e dal monimolimnio. Poi, in laboratorio, è iniziata la caccia ai virus e ai loro segreti. Abbiamo usato due approcci principali:

• Conteggio al microscopio: Abbiamo contato quanti batteri e quante particelle virali c’erano in ogni campione. Il rapporto tra virus e microbi (VMR) ci dà un’idea: un VMR alto suggerisce molta lisi (virus che uccidono), un VMR basso potrebbe indicare più lisogenia (virus “nascosti”).
• Ascoltare le conversazioni genetiche (Metatrascrittomica): Abbiamo estratto l’RNA dai campioni. L’RNA ci dice quali geni sono “accesi”, cioè attivamente trascritti, in quel momento. È come origliare le istruzioni che virus e batteri si stanno scambiando! Abbiamo cercato specificamente l’RNA virale per capire *quali* virus fossero attivi e *cosa* stessero facendo.

Risultati Sorprendenti: Strategie Virali Diverse

I risultati ci hanno mostrato scenari molto diversi tra i laghi.
Nel Mahoney Lake e nel Poison Lake, entrambi dominati dai PSB e con una stratificazione molto netta (un brusco calo di ossigeno e un aumento di salinità nella chemoclina), abbiamo osservato qualcosa di particolare nella piastra microbica:

• Un VMR significativamente più basso rispetto allo strato superficiale. Meno “esplosioni” virali, apparentemente.
• Una minore attività trascrizionale virale complessiva. I virus sembravano più “silenziosi”.
• Però, abbiamo trovato un’alta espressione di geni batterici legati alla difesa CRISPR (il sistema immunitario dei batteri) e di geni associati alla lisogenia (integrasi, excisionasi…).

Questo suggerisce che in queste piastre microbiche super dense, i batteri si difendono meglio e/o i virus preferiscono la strategia “stealth” della lisogenia piuttosto che la lisi immediata. Forse perché con così tanti batteri vicini, la probabilità che una cellula venga infettata da più virus contemporaneamente è alta, e questo spesso favorisce la lisogenia (una teoria nota come “Piggyback-the-Winner”).

Il Lime Blue Lake, invece, era diverso. Meno stratificato, con una piastra microbica meno densa e un mix di PSB e GSB. Qui, la storia era opposta:

• Un VMR più alto nella piastra microbica.
• Una maggiore attività trascrizionale virale. I virus erano decisamente più “rumorosi”.
• Abbiamo anche notato una maggiore espressione di geni virali strutturali (quelli per costruire nuove particelle virali) e del gene Cro, che in alcuni virus noti serve proprio a innescare il ciclo litico partendo dalla lisogenia.

Insomma, nel Lime Blue Lake sembra prevalere la strategia “uccidi e moltiplicati” della lisi.

Virus che Giocano con la Fotosintesi?

Ma la cosa forse più intrigante l’abbiamo vista nel Poison Lake. Qui, tra i geni virali più attivamente trascritti nella piastra microbica e nel monimolimnio non c’erano solo quelli per costruire nuovi virus, ma anche geni legati al metabolismo dell’ospite! In particolare, il gene virale più “acceso” nella piastra microbica assomigliava moltissimo a una proteina chiave del centro di reazione fotosintetico (la proteina D1 del Fotosistema II, o meglio, un suo omologo nei PSB). È pazzesco pensare che un virus possa portare con sé e attivare un gene per potenziare la fotosintesi del suo ospite batterico! Perché farlo? Probabilmente per assicurarsi che il batterio produca abbastanza energia (ATP) per la replicazione virale. Questo fenomeno è noto nei cianobatteri marini, ma trovarlo così attivo in un lago anossico dominato da PSB è una scoperta notevole.

E c’è di più. Abbiamo notato che nel Poison Lake c’era una concentrazione più alta di un pigmento batterico “modificato” (idrossi-Bacterioclorofilla a) rispetto al Mahoney Lake, pur essendo entrambi dominati da PSB. Potrebbe essere una conseguenza dell’attività virale? Sappiamo che alcuni virus possono alterare la produzione di pigmenti nei loro ospiti. Se un virus potenzia le reazioni luminose della fotosintesi (quelle che catturano la luce) ma non quelle oscure (che fissano il carbonio), potrebbe creare uno squilibrio metabolico. Questo potrebbe spiegare non solo il profilo dei pigmenti, ma anche le strane firme isotopiche di carbonio e zolfo che a volte non quadrano. I virus potrebbero letteralmente “disaccoppiare” le diverse fasi del metabolismo batterico!

Implicazioni per la Storia della Terra (e per il Futuro)

Queste scoperte sono elettrizzanti perché ci dicono che i virus non sono semplici passeggeri o distruttori negli ecosistemi, ma attori potentissimi che possono modulare il metabolismo dei microbi dominanti. Se questo accade oggi in questi laghi “fossili”, è molto probabile che accadesse anche negli oceani anossici della Terra primordiale. Questo significa che dobbiamo riconsiderare come interpretiamo le biosignature che troviamo nelle rocce antiche. Non bastano più solo la geochimica e la microbiologia, dobbiamo aggiungere anche la virologia all’equazione!

Il quadro che emerge è complesso e affascinante: le strategie virali (lisi vs lisogenia) e la loro influenza sul metabolismo batterico dipendono fortemente dalle condizioni ambientali, come la densità cellulare e la salinità. Nei sistemi densi e stratificati, la lisogenia e le difese batteriche sembrano prevalere, mentre in condizioni meno dense, la lisi è più comune. Ma in entrambi i casi, i virus, con i loro geni “extra” (chiamati Geni Metabolici Ausiliari, AMG), possono lasciare un’impronta profonda sulla biogeochimica dell’intero ecosistema.

Il nostro viaggio in questi laghi speciali ci ha aperto una nuova finestra sulla vita antica e sul ruolo nascosto ma cruciale dei virus. C’è ancora tantissimo da scoprire, ovviamente. Servono più studi, magari combinando la metatrascrittomica con la metagenomica (per vedere l’intero potenziale genetico, non solo quello attivo) e studi fisiologici in laboratorio per confermare l’effetto dei virus sui tassi metabolici e sulla produzione di pigmenti. Ma una cosa è certa: la prossima volta che penserete all’evoluzione della vita sulla Terra, non dimenticatevi dei virus, i minuscoli, potentissimi registi occulti del nostro pianeta!

Fonte: Springer