Virus degli Abissi: L’Incredibile Mondo Nascosto nelle Sorgenti Idrotermali e Perché è Così Unico

Avete mai pensato a cosa si nasconde nelle profondità più remote degli oceani, là dove la luce del sole non arriva mai? Immaginatevi paesaggi alieni, con camini torreggianti che sputano fluidi bollenti e ricchi di minerali: sono le sorgenti idrotermali, oasi di vita brulicante nell’oscurità abissale. Ma non ci sono solo batteri, archei e creature strane laggiù. C’è un intero universo invisibile, quello dei virus, che gioca un ruolo fondamentale. E la cosa affascinante che ho scoperto, analizzando campioni da tutto il mondo, è quanto questo mondo virale sia incredibilmente… locale.

Un Tuffo nel Mondo Invisibile degli Abissi

Pensate, si stima che negli oceani ci siano circa 10^30 virus, un numero difficile persino da immaginare! Questi minuscoli predatori uccidono circa il 20% della biomassa microbica ogni giorno, rimodellando continuamente le comunità e i cicli biogeochimici. Mentre sappiamo abbastanza sui virus delle acque superficiali, quelli degli abissi, specialmente delle sorgenti idrotermali, sono rimasti a lungo un mistero.

Le sorgenti idrotermali sono speciali. Qui, la vita non dipende dal sole, ma dalla chemiosintesi: microrganismi che si nutrono dei composti chimici rilasciati dalle sorgenti. I virus che infettano questi microbi sono quindi alla base stessa della catena alimentare locale. Possono controllare le popolazioni microbiche e persino “riprogrammare” il loro metabolismo usando geni speciali, chiamati geni metabolici ausiliari (AMG). Ad esempio, alcuni virus idrotermali sono stati i primi scoperti a possedere geni per manipolare il metabolismo dello zolfo, cruciale in questi ambienti.

Nonostante qualche studio precedente, mancava una visione globale. Come sono distribuiti questi virus? Sono gli stessi in tutto il mondo o ogni sorgente ha i suoi “inquilini” virali unici? E cosa determina la loro ecologia e evoluzione? Queste sono le domande che mi hanno spinto a intraprendere questo viaggio virtuale negli abissi.

La Mappa del Tesoro Virale: Un Catalogo Globale

Grazie alla crescente disponibilità di dati metagenomici (l’analisi del DNA totale estratto da un ambiente) e a software sempre più potenti, ho potuto mettere insieme un puzzle incredibile. Ho analizzato 52 campioni provenienti da sette sistemi idrotermali distinti negli oceani Pacifico e Atlantico: Guaymas Basin, Mid-Cayman Rise, Mid-Atlantic Ridge, Axial Seamount, Brothers Volcano, East Pacific Rise e Lau Basin. Questi campioni provenivano da diversi tipi di habitat:

• Depositi idrotermali: Ambienti ad alta temperatura vicino ai camini, ricchi di biofilm microbici termofili. (40 campioni)
• Pennacchi idrotermali: Nuvole di acqua calda e chimicamente alterata che si disperdono nell’acqua circostante, ospitando microbi psicrofili (amanti del freddo) e mesofili (temperatura moderata). (10 campioni)
• Flussi diffusi: Aree a temperatura più bassa. (2 campioni)

Da questi campioni, siamo riusciti a identificare ben 49.962 virus unici! Non solo li abbiamo identificati, ma abbiamo anche ricostruito 5.708 genomi virali assemblati da metagenomi (vMAGs), la maggior parte dei quali appartenevano a batteriofagi (virus che infettano i batteri). È stato come scoprire migliaia di nuove specie in un colpo solo!

Analizzando questi genomi, ho notato alcune cose interessanti. La stragrande maggioranza (circa 47.500 su 50.000) sembrava avere uno stile di vita litico, cioè si replicano rapidamente e uccidono la cellula ospite per liberare nuove particelle virali. Solo una piccola parte sembrava essere lisogenica, integrando il proprio genoma in quello dell’ospite e rimanendo “dormiente”. La maggior parte erano virus a DNA a doppio filamento, appartenenti alla classe Caudoviricetes (i classici virus con “testa” e “coda”).

L’Endemismo Regna Sovrano (con Qualche Eccezione)

Ma la scoperta più eclatante è stata un’altra. Quando ho confrontato i genomi virali tra i diversi siti, ho visto pochissima sovrapposizione. La maggior parte dei virus era endemica, cioè unica di una specifica area geografica o addirittura di un singolo camino idrotermale. È come se ogni sorgente fosse un’isola isolata con la sua fauna virale specifica.

Ho usato tecniche sofisticate come il calcolo dell’Identità Nucleotidica Media (ANI) e il mappaggio delle letture metagenomiche per cercare somiglianze. L’analisi ANI ha rivelato solo 866 cluster (gruppi di virus simili) su quasi 50.000 virus analizzati, e la maggior parte di questi cluster conteneva solo due genomi! Questo conferma la bassissima parentela a livello nucleotidico tra virus di siti diversi.

Un dato cruciale: nessun cluster ANI conteneva virus provenienti sia dai depositi che dai pennacchi. Questi due habitat, anche se vicini, sembrano ospitare comunità virali completamente distinte.

Tuttavia, qualche connessione c’era. Ho trovato 65 cluster (contenenti 152 virus) che collegavano siti geograficamente distanti, ma *solo all’interno dei depositi*. La connessione più forte era tra il Lau Basin e il Brothers Volcano, entrambi nel Pacifico meridionale. In questi rari casi di “parentela a distanza”, i virus condividevano principalmente proteine legate a funzioni essenziali (come quelle strutturali per costruire il capside o la coda virale). Molto più raramente, condividevano proteine con funzioni ausiliarie, come quelle coinvolte nella fermentazione o nella biosintesi della cobalamina (vitamina B12).

Il mappaggio delle letture (che cerca sequenze virali anche se non sono state assemblate in genomi completi) ha confermato il quadro generale di endemismo, ma ha rivelato qualche connessione in più, ad esempio 36 casi di virus potenzialmente condivisi tra depositi e pennacchi, soprattutto all’interno del Lau Basin. Ha anche rafforzato le connessioni intra-sito, mostrando come virus simili si trovino in diverse località *all’interno* dello stesso campo idrotermale (ad esempio, tra diversi pennacchi nel Lau Basin o tra diversi depositi a Brothers Volcano).

Ho anche confrontato i nostri virus con un database globale di virus oceanici (GOV 2.0). Anche qui, pochissime corrispondenze (solo 36 cluster), confermando che i virus delle sorgenti idrotermali sono un gruppo largamente distinto da quelli del resto dell’oceano, anche se in casi rarissimi un virus del Lau Basin poteva mostrare una certa somiglianza con uno campionato nell’Atlantico meridionale a profondità diverse!

Chi Infettano Questi Virus? La Danza con gli Ospiti Microbici

Un virus non è nulla senza il suo ospite. Quindi, una parte fondamentale del lavoro è stata cercare di capire quali microbi venissero infettati. Siamo riusciti a predire l’ospite per circa il 14% dei virus (7001 virus). E anche qui, un’altra conferma della specificità: la maggior parte dei virus (oltre 6300) sembrava infettare un solo tipo di ospite. Pochi erano “generalisti”.

Nei pennacchi, gli ospiti più comuni erano membri dei phyla Pseudomonadota (in particolare Gammaproteobacteria, come il famoso batterio zolfo-ossidante SUP05, abbondante nei pennacchi globali) e Bacteroidota.
Nei depositi, invece, dominavano i Campylobacterota (come membri della famiglia Sulfurimonadaceae, noti chemioautotrofi zolfo-ossidanti) e ancora gli Pseudomonadota (ma con una maggiore presenza anche di Alphaproteobacteria oltre ai Gammaproteobacteria).

Questa differenza riflette perfettamente ciò che sapevamo sulla microbiologia di questi ambienti. Ma la cosa più intrigante è emersa osservando l’abbondanza relativa. Studi precedenti avevano mostrato una sorta de “staffetta” tra Gammaproteobacteria e Campylobacterota nei depositi: a seconda della chimica specifica della sorgente (più o meno ricca di certi composti), dominava l’uno o l’altro gruppo, pur avendo capacità metaboliche simili. Ebbene, ho scoperto che l’abbondanza dei virus che infettano questi due gruppi rispecchiava esattamente l’abbondanza dei loro ospiti! Dove abbondavano i Campylobacterota, abbondavano i loro virus; dove prendevano il sopravvento i Gammaproteobacteria, aumentavano i virus specifici per loro.

Questa è una prova fortissima di co-evoluzione: i virus e i loro ospiti si evolvono insieme, influenzati dalle condizioni ambientali dettate dalla geologia della sorgente. Questa stretta relazione probabilmente contribuisce all’alta specificità d’ospite e, di conseguenza, all’endemismo che osserviamo. I virus che infettano microbi rari e poco abbondanti, invece, erano anch’essi rari e non mostravano segni di dispersione geografica.

Perché Così Tanta Unicità? I Fattori Chiave dell’Endemismo

Mettendo insieme tutti i pezzi, emerge un quadro coerente. La maggior parte dei virus idrotermali sembra avere caratteristiche che favoriscono una distribuzione locale e limitata:

• Stile di vita litico predominante: I virus lisogenici possono “viaggiare” con il loro ospite per lunghe distanze, mentre quelli litici devono trovare rapidamente un nuovo ospite nelle vicinanze.
• Pochi Geni Metabolici Ausiliari (AMG): Abbiamo trovato pochissimi AMG (~5% dei virus). Questi geni possono aiutare il virus a manipolare il metabolismo dell’ospite per produrre più energia per la replicazione virale o ridurre il tempo di latenza. La loro rarità suggerisce una minore capacità di “spinta” per una diffusione ampia.
• Stretto range d’ospite: La maggior parte dei virus infetta solo uno o pochi tipi di microbi. Questo limita le loro opportunità di diffusione a dove si trovano i loro ospiti specifici.
• Co-evoluzione con ospiti specifici: La stretta relazione con Campylobacterota e Gammaproteobacteria, la cui abbondanza è legata alla chimica locale, rafforza ulteriormente i pattern di distribuzione locale dei virus.

Insomma, l’ecologia e l’evoluzione virale nelle sorgenti idrotermali sembrano fortemente modellate dall’endemismo, un riflesso diretto della geologia e della chimica uniche di ciascun sito e della stretta interdipendenza con le comunità microbiche locali.

Un Patrimonio Fragile a Rischio

Questa scoperta dell’alto endemismo non è solo affascinante, ma ha anche implicazioni preoccupanti. Se ogni sorgente idrotermale ospita una comunità virale (e microbica, e animale) in gran parte unica, significa che questi ecosistemi sono particolarmente vulnerabili ai disturbi.

Le attività umane come il deep-sea mining (l’estrazione mineraria negli abissi) e i cambiamenti climatici globali rappresentano una minaccia seria. L’estrazione mineraria potrebbe alterare drasticamente i flussi idrotermali, riducendo l’energia chimica disponibile per i microbi alla base della catena alimentare e, di conseguenza, colpendo i virus che da essi dipendono. Potremmo perdere non solo specie conosciute, ma anche un’enorme quantità di funzioni biologiche ancora sconosciute, nascoste in quell’immensa porzione di proteine virali che non siamo ancora riusciti ad annotare (quasi la metà delle proteine condivise tra siti diversi aveva una funzione ignota!).

C’è ancora tanto da scoprire. Servono più campionamenti, anche temporali, per capire come queste comunità cambiano nel tempo e come sono connesse su scale più fini. Dobbiamo decifrare le funzioni di tutte quelle proteine virali misteriose. Solo così potremo comprendere appieno la complessità di questi ecosistemi unici e trovare modi per mitigare l’impatto delle nostre attività.

Questo viaggio nel mondo dei virus abissali mi ha mostrato quanto sia incredibile e diversificata la vita sul nostro pianeta, anche negli angoli più nascosti e inospitali. Ma mi ha anche ricordato quanto sia fragile questo patrimonio e quanto sia urgente proteggerlo prima che sia troppo tardi.

Fonte: Springer