Gli scienziati della NTU hanno utilizzato un nuovo protocollo di campionamento e sequenziamento del DNA delle comunità microbiche nell'aria di Singapore. Hanno scoperto che la composizione della comunità microbica nell'aria tropicale cambia in modo prevedibile, con batteri che dominano di giorno e funghi di notte.
Questo modello giorno-notte e la diversità dei microrganismi presenti nell'aria nell'atmosfera vicina alla superficie erano precedentemente sconosciuti, poiché l'atmosfera è tecnologicamente impegnativa da studiare, rendendolo l'ecosistema più inesplorato su scala planetaria, rispetto agli ecosistemi terrestri e marini.
Le nuove conoscenze sui bioaerosol tropicali - minuscole particelle sospese nell'aria che comprendono funghi, batteri e materiale vegetale - è riportato questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Nel documento di ricerca condotto dal professore di genomica della NTU Stephan Schuster, il team ha riferito che l'aria tropicale aveva una diversità microbica con complessità simile ad altri ecosistemi ben studiati, come l'acqua di mare, suolo, e l'intestino umano.
Queste comunità di bioaerosol (particelle aerodisperse di origine biologica) hanno un numero inaspettatamente elevato di specie batteriche e fungine, e seguono un ciclo diel (un ciclo di 24 ore giorno e notte) che gli scienziati ritengono sia guidato da condizioni ambientali come l'umidità, piovere, irraggiamento solare e livelli di anidride carbonica.
Dimostrano anche una maggiore variazione nella composizione all'interno di un giorno che tra giorni o addirittura mesi. Questa solida struttura comunitaria mantiene la prevedibilità a lungo termine, nonostante le variazioni del flusso d'aria e dei venti monsonici nelle stagioni tropicali.
Professor Schuster, chi è direttore di ricerca presso SCELSE, detto avere la capacità di analizzare i bioaerosol fornisce approfondimenti su molti aspetti della vita urbana che influenzano la nostra vita quotidiana e il benessere umano. Fornisce inoltre una comprensione delle interazioni tra atmosfera, ecosistemi planetari terrestri e acquatici, che è particolarmente prezioso durante i cambiamenti climatici.
Il nostro studio attuale suggerisce che la temperatura è anche un driver globale delle dinamiche della comunità microbica per l'atmosfera vicino alla superficie. Tale comprensione è fondamentale per garantire la sostenibilità dell'ecosistema negli ambienti urbani e oltre.
a livello locale, comprendere le dinamiche del bioaerosol informerà anche il modo in cui stiamo gestendo l'atmosfera circostante, come l'effetto della qualità dell'aria interna, ventilazione meccanica e inquinamento sui microbiomi dell'aria che ci circondano. Ulteriore, il nostro studio fornisce approfondimenti importanti e tanto necessari sui bioaerosol in un ambiente tropicale, dato che gli studi esistenti hanno riguardato esclusivamente i climi temperati".
Stephan Schuster, Professore di genomica NTU
In media, l'uomo respira giornalmente 11 metri cubi di aria (11mila litri), che potrebbe contenere circa 50 mila cellule dell'organismo ai tropici durante il giorno, ma da 30 a 100 volte quella quantità di notte.
Gli scienziati affermano che stanno iniziando a capire l'effetto delle comunità microbiche dell'aria sull'ambiente e sulla salute umana, con l'impatto più immediato sui pazienti con malattie respiratorie. Ulteriore, i danni alle colture agricole potrebbero essere evitati a lungo termine, poiché molti degli organismi rilevati sono patogeni delle piante o funghi che marciscono il legno.
I risultati hanno portato il team di ricerca ad avviare un progetto di ricerca interdisciplinare in corso tra SCELSE e la Lee Kong Chian School of Medicine di NTU nell'area della salute respiratoria.
Insieme agli esperti clinici guidati dall'assistente medico respiratorio Professor Sanjay Chotirmall, Cattedra di Prevosto in Medicina Molecolare, il team congiunto sta valutando come i bioaerosol influenzano i pazienti con bronchite, broncopneumopatia cronica ostruttiva e asma grave.
Il team di ricerca ha installato una serie di collettori di campioni d'aria su un tetto del campus della NTU, che ha raccolto campioni ogni due ore nel corso di cinque giorni (180 campioni per serie temporale). Questo stesso esperimento è stato ripetuto ogni tre mesi per 13 mesi, che includeva le due stagioni dei monsoni di Singapore.
La biomassa aerodispersa è stata raccolta pompando aria attraverso un filtro elettrostatico che trattiene particelle da 0,5 a 10 micrometri (rispettivamente da circa 50 volte a 10 volte più piccolo dello spessore medio di un capello umano). In precedenza, i campioni d'aria dovevano aggregarsi per settimane o mesi al fine di accumulare materiale sufficiente per l'analisi.
Attraverso il nuovo protocollo di sequenziamento del DNA a biomassa ultra bassa sviluppato dal team di ricerca NTU, potrebbero essere analizzati volumi d'aria molto più piccoli, consentendo per la prima volta la possibilità di studiare i cambiamenti orari nella composizione del microbioma dell'aria.
Tutti i bioaerosol sono stati classificati in base alle loro somiglianze e differenze nel DNA, che ha consentito l'identificazione a livello di specie degli organismi trasportati dall'aria dopo il confronto con i database di sequenze di DNA esistenti.
I ricercatori hanno superato il livello di identificazione dei bioaerosol precedentemente raggiunto dagli scienziati, senza la necessità di amplificare il DNA o utilizzando periodi di campionamento a lungo termine che non forniscono informazioni sufficientemente dettagliate a brevi intervalli di tempo.
Precedenti studi di altri gruppi di ricerca hanno riportato comunità di bioaerosol basate sulla coltivazione o sull'amplificazione genica, entrambi incorrono in distorsioni sostanziali e aggregati di tempo, senza tuttavia raggiungere una risoluzione temporale che avrebbe consentito di osservare il ciclo quotidiano dei microrganismi aerodispersi.
Membro del team Dott.ssa Elena Gusareva, un ricercatore post-dottorato presso NTU ha affermato che la scala e la profondità senza precedenti di analisi e classificazione, ha permesso al team di identificare più di 1, 200 specie batteriche e fungine che eseguono un modello mutevole della composizione della comunità microbica.
La ricerca in corso presso NTU sta ora cercando di utilizzare lo stesso metodo per analizzare i bioaerosol a livello globale in altri siti, che potrebbe produrre tendenze simili in termini di seguire il ciclo diel.
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