Il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare (in acronimo EMBL, dall’inglese European Molecular Biology Laboratory) è un istituto di ricerca di biologia molecolare nato nel 1974, sostenuto e finanziato da 20 paesi europei e dall’Australia come stato membro associato. In EMBL la ricerca viene svolta da circa 85 gruppi indipendenti che coprono i vari campi della biologia molecolare. Il Laboratorio è attivo in sei siti: quello principale a Heidelberg, e le sedi di Hinxton a Cambridge, di Grenoble, di Amburgo, di Barcellona e di Monterotondo vicino Roma.
Lo studio degli organismi condotto a livello molecolare in passato ha sempre seguito modelli standardizzati e invariabili, “preservando” la ricerca sperimentale dalle fluttuazioni ambientali in nome della riproducibilità. Invece il progetto di ricerca Planetary Biology, nell’ambito del programma dell’EMBL “Molecules to Ecosystems” 2022-2026, vuole correlare le variazioni genetiche a quelle ambientali. La visione dell’EMBL, infatti, è quella di comprendere l’evoluzione gli ecosistemi indagando a livello molecolare gli organismi che li abitano.
Indice degli argomenti
La spedizione TREC e la rete europea per gli ecosistemi costieri
TREC – Traversing European Coastlines – è una spedizione scientifica di campionamento, promossa dal progetto Planetary Biology, che ha previsto un viaggio attraverso le coste europee per esplorare gli ecosistemi e l’adattabilità agli ambienti delle comunità microbiche e degli organismi chiave selezionati. Lo studio è stato incentrato sugli habitat costieri perché sono i più ricchi di biodiversità animale e vegetale e spesso presentano anche i più alti livelli di inquinamento.
La spedizione TREC si è avvalsa di tutte le risorse dell’EMBL: coordinata insieme alla Tara Ocean Foundation e allo European Marine Biology Resource Centre – EMBRC-ERIC -, ha ricevuto il supporto di oltre150 partner europei, tra cui, ad esempio, il Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) in Italia. Questo supporto è stato utilizzato e sarà utilizzato anche per facilitare numerosi progetti plug-in con scienziati degli Stati membri che desiderano intraprendere studi trasversali. La Tara Ocean Foundation e il Tara Oceans Consortium hanno fornito la nave da ricerca Tara, le attrezzature associate e le competenze in materia di campionamento. La collaborazione ha coinvolto le stazioni marine dotate di infrastrutture EMBRC-ERIC e le comunità scientifiche locali.
In Italia, i primi campionamenti sono stati effettuati in Toscana, seguiti da quelli effettuati a Napoli, ad Amendolara, a Lesina e a Chioggia. La Stazione Zoologica Anton Dohrn – SZN – di Napoli, uno dei super-siti della spedizione, ha ospitato e supportato il progetto sviluppando anche attività scientifiche e di public engagement in collaborazione con il National Biodiversity Future Center (NBFC) e altri partner.
Ecosistemi costieri tra biodiversità, cambiamento climatico e inquinamento
TREC ha dato inizio a una nuova era di esplorazione degli ecosistemi costieri. L’obiettivo è stato di osservare e comprendere gli effetti dei cambiamenti ambientali su organismi, popolazioni e comunità; capire come questi rispondono all’ambiente biotico e abiotico. La spedizione è iniziata nell’aprile 2023 ed è durata fino alla fine di luglio 2024. Durante questo periodo, i ricercatori hanno raccolto campioni biologici e dati ambientali lungo la costa europea in 115 transetti terra-mare. In alcuni siti selezionati sono state effettuate misurazioni in serie temporali per tenere conto dei cambiamenti annuali. Il progetto propone di creare un modello che permetta di prevedere come la vita sul nostro pianeta possa rispondere alle sfide globali attuali e future, come l’inquinamento, la perdita di biodiversità e il cambiamento climatico, con l’obiettivo di caratterizzare gli ecosistemi marini e terrestri lungo le coste europee, estendendosi anche nelle zone di interfaccia acqua salata-acqua dolce, come la foce dei fiumi.
La ricerca si è incentrata perciò sullo studio di alcuni organismi e delle loro interazioni, sia in contesti ambientali completamente naturali che in quelli più antropizzati. Uno studio che si è esteso quindi su più livelli, da quello molecolare a quello dell’intero ecosistema, indagando i cambiamenti biologici anche in varie scale temporali: quelli visibili in pochi secondi, quelli che si compiono nella durata della vita dell’organismo, quelli che avvengono in un cambio generazionale o addirittura quelli che impiegano ere geologiche per verificarsi.
La spedizione ha sostenuto le attività di campionamento con il supporto dei servizi mobili terrestri e degli istituti di ricerca marina locali. Sono state prese in considerazione numerose località di interesse scientifico dove è possibile raccogliere un’ampia diversità di organismi dell’interfaccia terra-acqua: da virus, batteri e protisti a gruppi multicellulari come alghe e animali. L’analisi ha previsto l’uso di varie tecniche omiche, nonché di tecniche di codifica a barre, combinate con tecniche innovative di microscopia, tra cui l’imaging automatizzato e la microscopia elettronica. Ciò ha permesso di associare dati molecolari e morfologici a livello di singolo organismo e singola cellula con un dettaglio senza precedenti. Oltre ai metadati oceanografici standard, un’enfasi particolare è stata posta sul rilevamento dei metaboliti e sulla caratterizzazione fisica e chimica degli habitat campionati (cioè sulla presenza di inquinanti inorganici e organici come metalli, pesticidi, ormoni e antibiotici), fornendo un quadro ambientale per le analisi della biodiversità e dell’adattamento.
Paleocore e la memoria ambientale negli ecosistemi costieri
È interessante menzionare il progetto Paleocore, finanziato da BIOcean5D e guidato dall’Istituto francese del mare Ifremer – Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer – nell’ambito della spedizione TREC, che ha l’obiettivo di studiare i sedimenti marini per comprendere l’impatto dei principali eventi storici sugli ecosistemi. L’obiettivo è quello di scoprire se e come i principali eventi storici dell’Antropocene – come le guerre o i disastri ambientali – e l’ascesa di alcune pratiche – come l’incremento delle tratte di scambio mercantile e la costruzione di porti – abbiano impattato sulla salute degli ecosistemi costieri. Delle 124 carote di dimensioni comprese tra 50 e 120 cm prelevate nel 2023 e nel 2024 da 15 siti in Europa, il team di Ifremer, in collaborazione con i partner locali e l’EMBL, ha estratto 10.0000 campioni di sedimento. Questi carotaggi hanno permesso di raccogliere dati sullo stato dell’ambiente tra il XVIII secolo e l’inizio del XXI. Questo permetterà di collegare i cambiamenti nella biodiversità animale e vegetale con importanti eventi naturali e con la storia delle attività umane in Europa, come ad esempio l’uso incontrollato dei pesticidi negli anni ’80, la Seconda guerra mondiale, il disastro di Chernobyl nel 1986, la produzione di microplastiche.
Tre esempi di progetti scientifici TREC
Vediamo ora tre esempi di progetti scientifici TREC.
Progetto TREC 1: campionamento delle comunità di plancton costiero
Uno dei progetti centrali del TREC riguarda le comunità planctoniche, comprendenti ad esempio diatomee, dinoflagellati o altre microalghe (fitoplancton), organismi ancora poco conosciuti ma che svolgono un ruolo chiave nella biosfera terrestre come produttori fotosintetici nelle acque marine. Le microalghe presentano affascinanti stati endosimbiotici che variano a seconda dei contesti climatici e nutrizionali. Dato il loro elevato contenuto di proteine e oli, possono essere facilmente coltivate per essere utilizzate come biocarburanti o mangimi.
Il progetto TREC ha campionato le comunità di plancton costiero a vari livelli, attraverso vari gradienti ambientali, per svelare la diversità e la plasticità fenotipica delle microalghe e dello zooplancton, compresa la loro architettura e il loro metabolismo a livello subcellulare. Integrando i dati sull’abbondanza degli organismi con quelli sulle loro caratteristiche funzionali, è possibile studiare la sinecologia di un ecosistema e le interazioni interspecifiche che lì avvengono.
Queste interazioni vanno da strette relazioni simbiotiche o parassitarie ad associazioni indirette, come quelle tra specie che condividono la stessa nicchia ecologica e che perciò sono in competizione per lo stesso areale. I siti di campionamento sono stati selezionati in modo da fornire un equilibrio tra gli habitat relativamente indisturbati e quelli interessati dall’attività umana. Il campionamento ha incluso la misurazione della temperatura, del pH, del livello di saturazione dell’ossigeno e della salinità, oltre alla presenza e la relativa quantità di elementi in traccia. Le metodologie che combinano le misurazioni dei parametri ambientali con l’imaging ad alta risoluzione con l’analisi trascrittomica single-cell e l’analisi metabolomica, consentiranno una correlazione diretta dei fenotipi fotografati con le informazioni molecolari biotiche e abiotiche.
Progetto TREC 2: campionamento dei microbiomi del suolo e dei sedimenti costieri
Le comunità microbiche del suolo lungo le coste e nei sedimenti rappresentano ecosistemi dinamici che possono fornire informazioni sulla biodiversità naturale dell’interfaccia terra-mare, sulla produttività dei suoli e sull’impatto di prodotti di sintesi come microplastiche, antibiotici, erbicidi (ad esempio il glifosato), pesticidi e interferenti endocrini. Gli ecosistemi del suolo contengono virus, batteri, procarioti archei, funghi, protozoi e nematodi. I microbiomi del suolo sono fondamentali per sostenere la crescita delle piante e il ciclo del carbonio, dell’azoto e di altri nutrienti. Per comprendere la struttura ed il funzionamento del suolo, è necessario mettere a sistema i modelli di distribuzione e i pool genici dei microrganismi che lo abitano, nonché le associazioni biotiche e ambientali tra la diversità e la struttura delle sue comunità.
Il campionamento dei microbiomi del suolo e dei sedimenti costieri ha rivelato che sia la competizione intraspecifica che la environmental filtering hypothesis (ipotesi secondo cui le variabili ambientali e le nicchie ecologiche sono i principali fattori che determinano la diversità delle specie presenti) influenzano l’abbondanza, la diversità e l’ereditarietà genetica delle comunità batteriche e fungine, indicando che il contributo relativo di questi microrganismi al ciclo dei nutrienti varia spazialmente. Questi studi hanno anche rivelato l’esistenza di un antagonismo tra batteri e funghi negli habitat del suolo e degli oceani, dedotto dai geni di resistenza agli antibiotici (ARG). Per contrastare i batteri, molti taxa fungini secernono notevoli quantità di composti antimicrobici, che possono portare alcuni batteri a sviluppare una certa resistenza agli antibiotici e perciò ad aumentare efficacemente l’abbondanza relativa degli ARG. La presenza di questi geni può fornire indicazioni sulla correlazione tra i terreni dove sono presenti sostanze antibiotiche e le specie associate, i loro profili di abbondanza infatti possono anche rivelare modelli di biogeografia e dispersione delle sostanze antibiotiche. In particolare, è stato proposto che l’inquinamento chimico nelle aree urbane e industriali, così come l’uso estensivo di antibiotici in agricoltura, abbiano contribuito in larga misura alla diffusione dell’’antimicrobico-resistenza (AMR) e all’emergere di batteri multiresistenti.
L’obiettivo di questo programma di campionamento è quello di comprendere più a fondo le diverse comunità microbiche del suolo, i loro adattamenti a diversi fattori ambientali – come l’inquinamento – e i loro scambi con i microbiomi marini adiacenti. Anche in questo caso L’EMBL ha collaborato con partner locali, tra cui stazioni marine e istituti agricoli.
I sedimenti forniscono informazioni uniche non solo sugli ecosistemi viventi nell’interfaccia terra-mare, ma anche sui cambiamenti della biodiversità che li ha caratterizzati, dal momento che attraverso lo studio del DNA si possono ottenere informazioni, ad esempio, sull’entità dell’impatto ambientale causato dall’uomo durante il periodo l’industrializzazione, oppure sull’impatto cha ha avuto sull’ecosistema il Periodo Caldo Medievale o la Piccola Era Glaciale. Le informazioni ottenute potrebbero essere utilizzate per sviluppare biomarcatori molecolari per i diversi livelli di inquinamento e per esplorare strategie di biorisanamento.
Progetto TREC 3: Campionamento di specie animali e vegetali selezionate lungo i gradienti ambientali
L’EMBL, in collaborazione con altre grandi iniziative nazionali o internazionali per la caratterizzazione della biodiversità sulla Terra, mira a identificare organismi o comunità di cui possa facilmente essere tracciato il genoma e che possano essere utilizzati come nuovi modelli chiave per rappresentare i cambiamenti dell’ambiente.
Ad esempio, l’anellide marino Platynereis dumerilii è stato ampiamente studiato nella biologia evolutiva dello sviluppo e nella neurobiologia; è un organismo con grandi capacità di adattamento alle condizioni ambientali, sensibile a segnali ambientali come la luce e il fotoperiodo e a segnali chimici come alcoli, esteri, aminoacidi e zuccheri.
Abita di solito ambienti marini luminosi e poco profondi, ma si può trovare in ambienti meno favorevoli, come bocche termali o aree particolarmente inquinate. Sottopopolazioni di larve di P. dumerilii sono state riscontrate in ambienti con diversi valori di pH e questo indica che il genere Platynereis è capace di adattarsi a un’ampia gamma di condizioni ambientali. Diffusa lungo le coste europee, infatti, mostra molteplici aplotipi adattati a condizioni diverse. È ora possibile mappare le varianti alleliche, l’espressione genica differenziale, i metaboliti e le variazioni morfologiche sull’intero corpo di una larva di Platynereis con risoluzione cellulare.
Bisogna tener conto poi che si tratta di un “olobionte”, come ogni altro organismo vivente, termine che supera il concetto di organismo come individuo ma indica un “ospite” e i micro-organismi che vivono in simbiosi con lui traendone un vantaggio reciproco. L’olobionte è perciò l’insieme di un organismo e i microrganismi simbionti che vivono dentro e sopra di esso. Dal concetto di olobionte è derivato per la genetica il termine ologenoma per definire l’insieme dei geni degli animali con quello dei loro microbi simbiotici. Quindi vengono studiate anche le varie tipologie di microbiomi che vivono all’interno di Platynereis e la relativa variabilità nella loro distribuzione spaziale.
Platynereis è un invertebrato marino che può facilmente essere allevato ed analizzato in laboratorio ed è uno dei numerosi organismi modello studiati dell’EMBL per esplorare l’impatto delle condizioni ambientali sullo sviluppo, la morfologia cellulare, la fisiologia e il metabolismo e per studiare i legami tra le varianti genetiche e i cambiamenti fenotipici indotti dall’ambiente. Questo consentirà di stabilire legami tra diversi parametri ecologici e l’adattamento cellulare in natura, generando ipotesi che potranno poi essere testate funzionalmente in laboratorio.
Gli organismi terrestri che sono stati campionati e che verranno studiati includono piante, nematodi e insetti. Le piante in particolare sono di grande interesse, in quanto sono produttori chiave della biosfera, fissando la CO2 e producendo ossigeno per il pianeta.
Rappresentano la maggior parte della biomassa sulla Terra e, grazie alla loro natura sessile, sono ottimi biosensori dei cambiamenti ambientali. Anche le piante si sono evolute in simbiosi con una grande abbondanza di microrganismi che svolgono ruoli importanti per la loro crescita e il loro sviluppo, sia nella fillosfera (foglie) che nella rizosfera (radici). Ad oggi è disponibile una notevole quantità di informazioni sulla struttura e sulle capacità funzionali del microbiota vegetale. Il campionamento delle piante e del loro microbiota lungo le coste europee nell’ambito della spedizione TREC ha rappresentato un’opportunità unica, poiché questo campo di ricerca è ancora in fase preliminare e sono poche le evidenze empiriche riguardanti la correlazione, in contesti naturali, tra i microbiomi vegetali e la fisiologia delle piante.
Gli insetti sono il gruppo di organismi più grande e diversificato della Terra. Una specie chiave per lo studio degli ecosistemi, utilizzata nell’ultimo secolo dagli scienziati, compresi quelli dell’EMBL, è il moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Durante la spedizione TREC, in ogni sito sono stati raccolti vari esemplari di Drosophila con diversa distribuzione spaziale e poi analizzati per la diversità genetica, microbica e metabolica. I cambiamenti fenotipici dovuti alle variabili ambientali, tra cui ad esempio l’esposizione agli insetticidi, possono essere analizzati in laboratorio ed usati per sviluppare studi predittivi. In un progetto pilota, gli scienziati dell’EMBL stanno utilizzando la spettrometria di massa MALDI per lo screening metabolico di migliaia di larve di Drosophila per studiare la riprogrammazione del loro metabolismo in seguito ad alterazioni genetiche e ambientali.
Ecosistemi costieri e nuove tecnologie per una scienza integrata
Nel complesso, la spedizione ha condotto un campionamento sistematico, standardizzato e integrato con l’acquisizione di metadati ambientali multimodali. Questo profilo integrato attraverso gradienti ambientali e antropici di vita micro e macroscopica, ha permesso di ottenere un censimento paneuropeo degli ecosistemi costieri, unico nel suo genere.
Attraverso la comprensione meccanicistica degli ecosistemi e di come stanno cambiando, si può contribuire a fornire nuove conoscenze e scoperte, nonché strumenti diagnostici, misure preventive e potenziali soluzioni per invertire i cambiamenti dannosi in futuro. Per poter arrivare ad un livello funzionale di sostenibilità, le componenti economica, sociale e ambientale devono collaborare tra loro.
L’EMBL analizzerà le comunità ecologiche per studiare gli effetti delle variabili ambientali naturali e antropiche attraverso lo studio degli organismi a livello molecolare. I dati ottenuti contribuiranno a promuovere la ricerca secondaria per sostenere gli sforzi di conservazione, proteggere e ripristinare la biodiversità e, di conseguenza, creare nuovi benefici per la società e il benessere umano. Ad esempio, aiuterà a comprendere gli effetti sull’ecosistema dei vari livelli di inquinamento e servirà a fornire un modello predittivo che segnali anticipatamente il rischio di cambiamenti ecologici potenzialmente irreversibili. Lo sviluppo di capacità diagnostiche e l’identificazione di soluzioni per problemi specifici è infatti essenziale per la gestione e la conservazione degli ecosistemi.
Lo studio degli ecosistemi da una prospettiva molecolare e meccanicistica permette di capire dove si riscontra una diminuzione delle risorse che comporta un freno allo sviluppo, dove quindi un dato ecosistema inizia a mostrare perturbazioni se non vere e proprie crisi nei processi riproduttivi. Oltre al crescente utilizzo del sequenziamento dei nucleotidi, gli studi si avvalgono dell’uso di tecnologie di bioimaging (diagnostica per immagini) ad alta definizione. Ad esempio, l’imaging a risonanza magnetica (MRI) che consente di ottenere immagini dettagliate di campioni biologici, utile per lo studio di campioni vivi e per analisi strutturali.
Vengono utilizzati anche sistemi di imaging basati sull’uso di microarray per l’analisi dell’espressione genica e delle interazioni proteiche su larga scala. L’imaging a fluorescenza invece permette di monitorare processi biologici in tempo reale, fornendo dati dinamici su eventi cellulari. Inoltre, la bioinformatica, la modellizzazione e la biologia computazionale, sono diventate una metodologia necessaria e rilevante in molti ambiti biologici. Nuovi approcci di analisi, infatti, compresi quelli basati sull’intelligenza artificiale, trattano dati di dimensioni e complessità sempre maggiori e guideranno molte innovazioni nelle tecniche di studio della biologia degli organismi e degli ecosistemi.
Il contributo della spedizione scientifica TREC alla conoscenza globale
L’EMBL prevede di istituire e far crescere un centro di data science che coordinerà le attività sui biodati di tutto il Laboratorio, consentendone una gestione semplice e versatile grazie all’utilizzo di strumenti e di sistemi per analisi di grandi insiemi di dati. Il centro fornirà supporto alla ricerca non solo nei settori classici della bioinformatica, ma anche nell’analisi omica, nella statistica, del machine learning, nella data visualization, nella diagnostica per immagini, nella progettazione e nella modellazione sperimentale basata sulla simulazione al computer. Questo consentirà all’EMBL di massimizzare i risultati ottenuti dalla ricerca, di gestire efficacemente i crescenti volumi di dati e di impegnarsi nella diversità delle applicazioni biologiche e nelle varie esigenze di una comunità scientifica globale in crescita.
Bibliografia
La SZN ospita la spedizione TREC a Napoli – Stazione Zoologica Anton Dohrn
In che modo le attività umane hanno sconvolto gli ecosistemi delle coste europee? | EMBL
