Una reazione a catena guidata dal ferro potrebbe innescare la morte di massa di fioriture algali nocive

Negli ultimi decenni, le fioriture algali nocive sono diventate sempre più frequenti. Queste fioriture sono spesso costituite da batteri chiamati “cianobatteri” negli ecosistemi di acqua dolce. Possono produrre tossine debilitanti, soffocare la vita marina riducendo l’ossigeno nell’acqua e rendere l’acqua non potabile.

Quando i cianobatteri muoiono, di solito lo fanno in massa e nel giro di pochi giorni. Gli scienziati non erano certi del perché si verificassero morie così improvvise. Ora, però, un nuovo studio, pubblicato su Science anche un articolo di approfondimento sulla ricerca , potrebbe aver individuato la sequenza di eventi che causano queste morti di massa delle fioriture algali. Queste scoperte potrebbero aiutare i ricercatori a trovare strategie innovative per mitigare i pericoli associati a questi batteri. È stato pubblicato .

Morte causata dalla proliferazione di alghe nocive

A causa dell’aumento delle temperature e del maggiore apporto di nutrienti dovuto all’incremento delle precipitazioni, le fioriture algali nocive stanno diventando più frequenti, estese e durature in tutto il mondo. La moria di massa che provocano è in realtà l’aspetto più dannoso di questi fenomeni sempre più frequenti. Quando le alghe muoiono, i processi coinvolti nella loro decomposizione su vasta scala consumano rapidamente l’ossigeno presente nell’acqua. Questo priva di ossigeno altri organismi acquatici, come i pesci, causandone infine il soffocamento. I batteri in decomposizione rilasciano inoltre tossine che inquinano l’acqua.

Gli scienziati sanno che queste morie possono iniziare quando i batteri esauriscono i nutrienti disponibili nell’acqua o subiscono shock legati alle condizioni meteorologiche, ma i meccanismi esatti non sono chiari. Un crollo rapido e su vasta scala della popolazione implica non solo la morte di singole cellule, ma un meccanismo che diffonde la morte attraverso colonie dense.

Una delle ipotesi era che il ferro, abbondante all’interno dei cianobatteri, innescasse una reazione chimica dannosa che attaccava le membrane cellulari. Alcune ricerche su cellule animali avevano suggerito che il danno lipidico indotto dal ferro, noto come ferroptosi, potesse propagarsi attraverso i lipidi ossidati, ma questo fenomeno non era stato osservato nelle fioriture di cianobatteri. Inoltre, non erano ancora state identificate con precisione le molecole lipidiche responsabili del rapido collasso collettivo delle membrane cellulari.

Individuare la causa della moria di massa delle alghe

I ricercatori coinvolti nel nuovo studio hanno ipotizzato che un’abbondanza di ferro facilitasse la morte cellulare collettiva nelle fioriture algali, innescando la degradazione chimica dei lipidi da parte dei radicali liberi. Per verificare la loro ipotesi, hanno monitorato la moria di una fioritura di un genere di cianobatteri chiamato Microcystis nel lago Dianchi in Cina, misurando nel tempo i livelli di ferro, i marcatori di stress ossidativo, la perossidazione lipidica e la permeabilità della membrana cellulare. Hanno inoltre condotto test di laboratorio per indurre stress ossidativo nelle colture di Microcystis, testando diversi inibitori per distinguere la ferroptosi dall’apoptosi, che è essenzialmente l’autodistruzione cellulare.

Il team ha individuato una serie di eventi che si sono verificati durante il processo. In primo luogo, si è verificato un accumulo di ferro che ha causato un aumento dello stress ossidativo. I radicali liberi derivanti dallo stress ossidativo hanno poi intensificato il danno lipidico attraverso un processo chiamato perossidazione lipidica. I lipidi danneggiati, sotto forma di radicali lipidici altamente reattivi, hanno iniziato a danneggiare le membrane cellulari creando minuscoli pori, e infine le membrane si sono rotte, causando la morte della cellula.

Hanno inoltre scoperto che la morte delle cellule all’interno delle colonie non era casuale. Le morti si raggruppavano secondo schemi coerenti con una sorta di “effetto spettatore” tra cellule vicine.

Gli autori dello studio scrivono: “La perossidazione lipidica catalizzata dal ferro innesca la ferroptosi nelle singole cellule cianobatteriche, che si propaga alle cellule vicine, provocando così il collasso della popolazione. I fosfolipidi troncati con gruppi alchilici terminali agiscono sia come esecutori che come propagatori della ferroptosi, dato che la distribuzione spaziale non casuale osservata delle morti cellulari all’interno delle colonie di Microcystis è correlata al sovraccarico di ferro e alla perossidazione lipidica durante il declino della fioritura.”

Prospettive future

Questo studio si è concentrato esclusivamente sul ceppo Microcystis di cianobatteri, ma le fioriture naturali includono molti ceppi e microbi interagenti. Il team osserva che studi futuri potranno verificare quanto questo meccanismo sia valido per diverse specie, ceppi e condizioni ambientali che danno origine alle fioriture. Sottolineano inoltre l’importanza di studiare quando le fioriture sono più vulnerabili alla perossidazione lipidica indotta dal ferro, poiché ciò potrebbe fornire indicazioni utili per la tempistica degli interventi.

Il team ha utilizzato perossido di idrogeno per innescare il processo di morte cellulare nei propri esperimenti di laboratorio, il che ha portato a un’impennata dei livelli di ferro e radicali liberi. I ricercatori affermano che il perossido di idrogeno, già utilizzato in alcuni interventi di controllo delle fioriture algali, potrebbe agire in parte attivando questo percorso di ferroptosi guidato dal ferro.

Gli autori scrivono: “Il perossido di idrogeno è un candidato promettente per tale attivazione mirata, data la sua compatibilità ambientale e il suo utilizzo di routine nella mitigazione delle fioriture di cianobatteri. Le ricerche future dovrebbero includere test preliminari sui dosaggi ottimali per massimizzare l’efficacia dell’attivazione dell’asse del ferro in diversi ceppi e condizioni ambientalmente rilevanti, al fine di calibrare questo approccio.”

Abstract

Le fioriture algali nocive formate dai cianobatteri, una densa proliferazione di procarioti acquatici fotosintetici, hanno effetti devastanti e a lungo termine sugli ecosistemi. Quando questi microbi proliferanti esauriscono i nutrienti locali o incontrano condizioni meteorologiche sfavorevoli, iniziano a morire in massa. Il modo e il momento in cui queste fioriture collassano sono di interesse per i ricercatori perché il processo di decomposizione consuma l’ossigeno disciolto nell’acqua, causando il soffocamento della fauna acquatica, e può rilasciare tossine intracellulari, processi rilevanti per lo sviluppo di strategie di mitigazione delle fioriture . A pagina 1360 di questo numero, Zhu et al . descrivono un meccanismo alla base dell’inizio e della propagazione della morte cellulare tra i cianobatteri che formano le fioriture Microcystis aeruginosa . Hanno scoperto che la catalisi mediata dal ferro induce un tipo di morte cellulare programmata chiamata ferroptosi, che si diffonde alle cellule vicine attraverso il rilascio di perossidi lipidici. Questa scoperta potrebbe migliorare le attuali azioni preventive, come l’induzione della ferroptosi in concomitanza con l’applicazione di alghicidi (tra cui il perossido di idrogeno).

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