RICERCA ITALIANA     

Adattamento genomico a condizioni estreme di alta pressione e bassa temperatura

Università degli Studi di Padova

Abstract

Il nostro gruppo di ricerca ha appena completato uno studio sul genoma di Photobacterium profundum, ceppo SS9, un organismo modello per l'adattamento alle alte pressioni. Si tratta del sequenziamento del primo genoma di un organismo piezofilo e allo stesso tempo del primo genoma interamente sequenziato in Italia. Tale studio è la base di partenza per questo progetto che si propone di continuare la ricerca sull'adattamento alle alte pressioni mediante analisi di genomica comparata. A tale scopo abbiamo intrapreso un'attiva collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. D.H. Bartlett dello Scripps Institution of Oceanography, San Diego, California, sull'analisi genomica di quattro batteri interessanti per lo studio dell'adattamento all'alta pressione.
La fase shotgun del sequenziamento genomico sarà portata avanti dal J. Craig Venter Institute nell'ambito di un progetto internazionale finanziato dalla Moore Foundation. I quattro batteri di cui ci occuperemo sono Photobacterium profundum ceppo 3TCK, Shewanella benthica PT99, Psychromonas sp. CNPT3, Moritella sp. PE36.
Il nostro studio si articolerà nei seguenti punti: 1) contributo al "finishing" genomico dei quattro batteri sopra menzionati, 2) Annotazione dei genomi, 3) studi di genomica comparata per l'identificazione delle peculiarità di questi batteri, 4) analisi bioinformatiche e post-genomiche di carattere funzionale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giorgio VALLE Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Nell'autunno del 2004 la fondazione Gordon e Betty Moore ha iniziato un progetto di sequenziamento genomico di batteri marini con lo scopo di sequenziare con una copertura di 8X il genoma di 130 procarioti. Il progetto è attualmente nella fase iniziale con 86 microorganismi in processamento. L'istituto J. Craig Venter sta portando avanti la parte di sequenziamento shotgun.
D. Bartlett ed A. Yayanos dello SCRIPPS Institution of Oceanography hanno proposto il sequenziamento di tre batteri piezofili (Psychromonas sp. CNPT3, Shewanella benthica KT99, Moritella sp. PE36) e di un ceppo batterico mesofilo (Photobacterium profundum 3TCK) strettamente correlato con il batterio abissale Photobacterium profundum SS9. La proposta presentata alla Moore Foundation è stata accolta e il sequenziamento dei quattro genomi batterici è attualmente in corso. Il nostro laboratorio è interessato allo studio dei batteri piezofili e recentemente ha completato l'analisi ed il sequenziamento genomico del batterio Photobacterium profundum SS9. In accordo con lo SCRIPPS Institution, prenderemo parte a questo progetto lavorando su quattro aspetti cruciali: 1) la fase di finishing del sequenziamento, 2) l'annotazione del genoma, 3) la genomica comparativa e 4) la genomica funzionale.
Caratteristiche dei quattro batteri considerati:
Psychromonas sp. CNPT3 è stata originariamente isolata da un anfipode in decomposizione nel nord dell'Oceano Pacifico ad una profondità di 5800m, esso è un eterotrofo piezofilo di profondità adattato alle alte pressioni.
Shewanella benthica KT99 è stata isolata nella fossa Tonga-Kermadec ad una profondità di 9000m, è un eterotrofo piezofilo di profondità strettamente adattato alle alte pressioni e infatti è in grado di crescere solo a pressioni maggiori di 60MPa. E' in grado di produrre acidi grassi poliinsaturi (PUFAs) come componenti dei suoi fosfolipidi di membrana, caratteristica molto interessante dato che, in P. profundum SS9, questi composti sono in grado di regolare la fluidità della membrana in base alla pressione. Questo potrebbe quindi essere un meccanismo generale di adattamento alle alte pressioni comunemente utilizzato dai batteri piezofili.
Moritella sp. PE36 è stata isolata 288km al largo della costa di San Diego (Oceano Pacifico) ad una profondità di 3600m; è un eterotrofo piezofilo di profondità adattato alle alte pressioni capace di crescere a pressioni variabili tra circa 0.1MPa e 80MPa a seconda della temperatura e con un optimum a 35MPa. Questo batterio produce PUFAs come componenti dei fosfolipidi di membrana.
Photobacterium profundum 3TCK è stato isolato vicino alla costa di San Diego (USA) in acque superficiali. Esso mostra un optimum di crescita a pressione atmosferica ed è omologo al 95% a livello genomico con il ceppo P. profundum SS9 (un piezofilo di profondità) e per questa ragione lo studio di questo ceppo potrebbe essere utile per comprendere meglio le caratteristiche che permettono ad SS9 di crescere ad alta pressione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il progresso della genomica è stato uno dei più significativi avanzamenti nella biologia moderna. Gli organismi estremofili sono stati estensivamente studiati a livello genomico al fine di comprendere i meccanismi molecolari responsabili del loro adattamento a condizioni estreme come temperatura, salinità e pH (Saunders et al. Genome Res. 13, 1580-1588, 2003).
Il nostro gruppo di ricerca al centro di biotecnologie del CRIBI dell' Università di Padova ha recentemente completato il sequenziamento genomico di Photobacterium profundum, un microrganismo piezofilo e psicrotollerante adattato alla vita nelle profondità oceaniche. Riteniamo che questa realizzazione sia particolarmente rilevante poiché P. profundum è il primo organismo piezofilo finora studiato a livello genomico. Inoltre questo è il primo genoma interamente sequenziato da un gruppo italiano.
La piezofilia implica l'adattamento all'alta pressione una condizione estrema ma comune dato che gli oceani coprono il 70% della superficie terrestre, con una profondità media di 3800 metri ed una pressione di 38MPa. La sopravvivenza a tali profondità richiede adattamenti specifici. La pressione idrostatica influenza l'equilibrio e/o la velocità di ogni reazione biochimica che presenti un cambiamento di volume, inoltre, cambiamenti nella solubilità dei gas e nella stabilità delle membrane può richiedere ulteriori adattamenti specifici (Bartlett H.D. Biochim Biophys Acta 1595, 367-381, 2002). In confronto ad altre condizioni estreme, l'adattamento alle alte pressioni ha ricevuto minore attenzione nonostante l'unicità della pressione come forza fisica ed il ruolo degli organismi piezofili nel riciclo dei nutrienti negli oceani, la più grande porzione della biosfera.
Durante gli ultimi 10 anni, Photobacterium profundum ceppo SS9 è stato adottato come modello per gli organismi piezofili, dato che esso è in grado di crescere fino a 90MPa, ma esso è pure in grado di sopravvivere anche a pressione atmosferica, questo ha permesso un confronto diretto tra le due condizioni (Nogi et al. Extremophiles 2, 1-7, 1998). Studi precedenti su P. profundum cresciuto a pressione atmosferica hanno evidenziato estese anormalità a livello morfologico e biochimico. Pertanto un'analisi dettagliata delle caratteristiche genomiche e delle peculiarità di questo organismo possono aprire una nuova prospettiva nella comprensione dell'adattamento molecolare all'alta pressione e più generalmente all'ambiente di alta profondità. Recentemente sono stati isolati altri due ceppi di P. profundum 3TCK e DSJ4 il primo incapace di crescere ad alta pressione e l'altro in grado di crescere fino a 70MPa.
P. profundum appartiene alla famiglia delle Vibrionaceae. Il nostro studio ha evidenziato che il genoma ha una lunghezza di 6.2Mpb ed è organizzato in due cromosomi principali di 4.2 e 2.2 milioni di basi (Vezzi et al. Science 307, 1459-1461, 2005).
Lo scopo del progetto è di continuare lo studio dell'adattamento di P. profundum all'alta pressione utilizzando l'informazione genomica e analisi comparative. A tale scopo intendiamo collaborare con il gruppo di ricerca del Prof. D.H. Bartlett dello Scripps Institution of Oceanography, San Diego, California, sull'analisi genomica di quattro batteri coinvoilti in modi diversi nell'adattamento all'alta pressione, come descritto in dettaglio nella sezione 2.5, "Programma di ricerca".
Inoltre intendiamo effettuare alcuni studi post genomici basati su tecnologie già messe a punto dal nostro gruppo di ricerca come i microarray e la proteomica, al fine di indagare il profilo di espressione sia a livello di mRNA che di proteine. Tutte queste tecnologie sono già operative nel nostro gruppo di ricerca. <<<