La luce nascosta dei microrganismi
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Dall’ecologia microbica alla fotonica, le ricerche dell’Istituto microbiologia SUPSI (Settore Ecologia microbica) offrono nuove chiavi di lettura delle interazioni tra microrganismi e ambiente. Un percorso che comprende il progetto MicroPAS e la partecipazione al Polo di ricerca nazionale PRN Genesis, dedicato alle grandi domande sull’origine della vita.
Le attività di ricerca dell’Istituto microbiologia, con i suoi cinque settori, pongono particolare attenzione alla dimensione ambientale dell’approccio One Health, secondo cui la salute umana non può essere considerata indipendente da quella ambientale e animale, ma anzi ne è strettamente dipendente.
Tra le cause più evidenti di un cambiamento ambientale che impatta su uomini e animali c’è il riscaldamento climatico. Alle nostre latitudini, condizioni climatiche favorevoli potrebbero portare alla diffusione autoctona di agenti infettivi esotici (come il virus Dengue) prima imputabili solo a casi clinici provenienti da determinate zone a rischio.
Ma il riscaldamento climatico non agisce solo a livello geografico, impatta anche a livelli più sottili. Siamo nel campo dell’ecologia microbica, che studia le relazioni delle comunità microbiche e gli ambienti che le circondano fornendo dati su molti fronti. È in questa direzione che bisogna guardare per avvicinarsi al lavoro di Nicola Storelli, Responsabile del settore Ecologia microbica dell’Istituto microbiologia (Dipartimento ambiente costruzioni e design SUPSI), e al progetto Microbial Photonics Across Scales (MicroPas) condotto in collaborazione con Anupam Sengupta, Professore presso l’Università del Lussemburgo.
Nello specifico, il progetto MicroPAS studia il modo con cui alcuni batteri fototrofi dello zolfo, organismi che utilizzano la luce come fonte di energia, non si limitino al suo impiego metabolico, ma siano in grado di manipolarla fisicamente all’interno delle cellule. Questi microrganismi contengono globuli di zolfo intracellulari con proprietà ottiche, capaci potenzialmente di deviare, confinare o guidare la luce.
Tra le cause più evidenti di un cambiamento ambientale che impatta su uomini e animali c’è il riscaldamento climatico. Alle nostre latitudini, condizioni climatiche favorevoli potrebbero portare alla diffusione autoctona di agenti infettivi esotici (come il virus Dengue) prima imputabili solo a casi clinici provenienti da determinate zone a rischio.
Ma il riscaldamento climatico non agisce solo a livello geografico, impatta anche a livelli più sottili. Siamo nel campo dell’ecologia microbica, che studia le relazioni delle comunità microbiche e gli ambienti che le circondano fornendo dati su molti fronti. È in questa direzione che bisogna guardare per avvicinarsi al lavoro di Nicola Storelli, Responsabile del settore Ecologia microbica dell’Istituto microbiologia (Dipartimento ambiente costruzioni e design SUPSI), e al progetto Microbial Photonics Across Scales (MicroPas) condotto in collaborazione con Anupam Sengupta, Professore presso l’Università del Lussemburgo.
Nello specifico, il progetto MicroPAS studia il modo con cui alcuni batteri fototrofi dello zolfo, organismi che utilizzano la luce come fonte di energia, non si limitino al suo impiego metabolico, ma siano in grado di manipolarla fisicamente all’interno delle cellule. Questi microrganismi contengono globuli di zolfo intracellulari con proprietà ottiche, capaci potenzialmente di deviare, confinare o guidare la luce.
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Chromatium okenii osservati al microscopio: all’interno delle cellule si distinguono i globuli di zolfo che “brillano”, strutture intracellulari con proprietà ottiche al centro degli studi del progetto MicroPAS sui materiali fotonici viventi.
Per comprendere in che modo avviene questo meccanismo di regolamentazione si fa ricorso a modelli matematici e tecniche per analizzare la composizione dei granelli di zolfo, la loro distribuzione e la forma delle cellule. Le domande aperte sono molteplici, fra cui come cambia il comportamento dei singoli batteri in funzione dell’ambiente? E cosa accade quando migliaia di cellule agiscono insieme, organizzandosi collettivamente?
Nicola Storelli spiega che MicroPAS, grazie alla collaborazione con Anupam Sengupta, propone una nuova visione dei microrganismi come materiali fotonici viventi, aprendo la strada a futuri circuiti ottici biologici. “L’obiettivo dello studio è dimostrare che i microrganismi non solo si adattano all’ambiente che li circonda, ma sono in grado di modificarlo per migliorare le proprie possibilità di sopravvivenza. Su scala collettiva, gruppi di cellule potrebbero persino auto-regolare la propagazione della luce, generando effetti emergenti tipici dei sistemi fotonici complessi”.
Il progetto si serve di lavori recenti condotti in diversi contesti biologici. Uno di questi è il Lago di Cadagno, in Val di Piora, vero e proprio laboratorio a cielo aperto le cui acque stratificate e ricche di zolfo sono da anni oggetto di studi da parte dell’Istituto microbiologia della SUPSI, che qui è di casa.
Nicola Storelli spiega che MicroPAS, grazie alla collaborazione con Anupam Sengupta, propone una nuova visione dei microrganismi come materiali fotonici viventi, aprendo la strada a futuri circuiti ottici biologici. “L’obiettivo dello studio è dimostrare che i microrganismi non solo si adattano all’ambiente che li circonda, ma sono in grado di modificarlo per migliorare le proprie possibilità di sopravvivenza. Su scala collettiva, gruppi di cellule potrebbero persino auto-regolare la propagazione della luce, generando effetti emergenti tipici dei sistemi fotonici complessi”.
Il progetto si serve di lavori recenti condotti in diversi contesti biologici. Uno di questi è il Lago di Cadagno, in Val di Piora, vero e proprio laboratorio a cielo aperto le cui acque stratificate e ricche di zolfo sono da anni oggetto di studi da parte dell’Istituto microbiologia della SUPSI, che qui è di casa.
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Lago di Cadagno.
In MicroPas, il compito della squadra SUPSI è studiare Chromatium okenii, uno dei principali batteri fototrofi che vivono nelle acque anossiche (prive o quasi di ossigeno) del Lago di Cadagno. L’obiettivo è focalizzarsi soprattutto sui globuli di zolfo intracellulari, strutture che mostrano proprietà fotoniche mai descritte prima. “Attraverso analisi in laboratorio e nel lago” spiega Nicola Storelli “valuteremo come questi globuli modulano la luce, influenzando la crescita, la motilità e la strategia ecologica di C. okenii, in rapporto agli anche altri solfobatteri fototrofi del chemoclino (le acque stratificate del lago, la cui composizione chimica cambia a seconda della profondità, la tipica fascia rosa che divide la zona superiore da quella inferiore senza ossigeno). Grazie alla lunga esperienza della SUPSI nei sistemi acquatici anossici, collegheremo queste proprietà fotoniche all’importanza eco‑fisiologica di C. okenii e al suo ruolo chiave per l’intera comunità microbica del lago meromittico di Cadagno.
Recentemente, le competenze dell’Istituto microbiologia SUPSI nell’ambito dell’ecologia microbica sono entrate al servizio di uno dei sei nuovi Poli di ricerca nazionali (PRN) promossi dalla Confederazione. Il PRN Genesis (budget complessivo di Chf 16 Mio per quattro anni, con la possibilità di essere rinnovato per altri 4) si propone di affrontare, con un approccio interdisciplinare, le grandi domande sull’origine della vita sulla Terra e sulla possibilità della sua esistenza nell’universo, mettendo in dialogo microbiologia, fisica, chimica e scienze planetarie.
All’interno di questo quadro, la SUPSI partecipa come partner scientifico a un consorzio coordinato dal Politecnico federale di Zurigo e dall’Università di Losanna, portando un contributo specifico legato allo studio di ecosistemi microbici primordiali e ai meccanismi evolutivi che regolano le interazioni tra microrganismi e ambiente. L’inserimento nel PRN Genesis, finanziato dal Fondo nazionale svizzero, rappresenta così un riconoscimento della qualità e della rilevanza internazionale delle ricerche condotte dall’Istituto microbiologia SUPSI sul lago meromittico di Cadagno, di cui il progetto MicroPas è un esempio tra i tanti, e ne rafforza il ruolo all’interno delle reti di eccellenza della ricerca svizzera.
Recentemente, le competenze dell’Istituto microbiologia SUPSI nell’ambito dell’ecologia microbica sono entrate al servizio di uno dei sei nuovi Poli di ricerca nazionali (PRN) promossi dalla Confederazione. Il PRN Genesis (budget complessivo di Chf 16 Mio per quattro anni, con la possibilità di essere rinnovato per altri 4) si propone di affrontare, con un approccio interdisciplinare, le grandi domande sull’origine della vita sulla Terra e sulla possibilità della sua esistenza nell’universo, mettendo in dialogo microbiologia, fisica, chimica e scienze planetarie.
All’interno di questo quadro, la SUPSI partecipa come partner scientifico a un consorzio coordinato dal Politecnico federale di Zurigo e dall’Università di Losanna, portando un contributo specifico legato allo studio di ecosistemi microbici primordiali e ai meccanismi evolutivi che regolano le interazioni tra microrganismi e ambiente. L’inserimento nel PRN Genesis, finanziato dal Fondo nazionale svizzero, rappresenta così un riconoscimento della qualità e della rilevanza internazionale delle ricerche condotte dall’Istituto microbiologia SUPSI sul lago meromittico di Cadagno, di cui il progetto MicroPas è un esempio tra i tanti, e ne rafforza il ruolo all’interno delle reti di eccellenza della ricerca svizzera.