Brock. Biologia dei microrganismi. Microbiologia generale, ambientale e industriale. Ediz. mylab. Con espansione online [14 ed.] 889190094X, 9788891900944

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Daniel H. Buckley Davi d A. Stahl

BROCK IOLOG A DEl MICRORGANISMI Microbiologi generale, ambientale e industriale Quattordicesima edizione Edizione italiana a cura di: Paola Branduardi (Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze - Università degli Studi di Milano-Bicocca)

Giorgio Gribaudo (Dipartimento di Scienze della Vita e Biologia dei Sistemi - Università degli Studi di Torino)

Giorgio Mastromei (Dipartimento di Biologia - Università degli Studi di Firenze)

Alessandra Polissi (Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze - Università degli Studi di Milano-Bicocca)

Giovanni Valli n i . (Dipartimento di Biotecnologie - Università degli Studi di Verona)

© 2016 Pear on Italia, Milano - Torin Authorized translation (rom the English language edition, entit! d: "Brock Biology of microorganisms " J4 1h edition, 97, 03218739, by Michael T. Macligan; John M. Martinko; Kelly . Bender; Daniel H Buckley; David . tah! - published by Pearson Education, !ne., publishing as Benjamin ummings, opyright © 2015 Pearson Education, lnc. or affiliates. Al! rights reserved. This translation published uncler licen e. flalian language edition published by Pear on Italia .p. ., Copyright © 2016.

P r i pa i antologici, p r l citazioni, p r le riproduzioni grafi h , cartografich fotografi h appart n nti alla pr pri tà di t rzi , in riti in qu st'opera l' ditor a di sposizione degli av nti diritto non potuti r p rir nonché per v ntuali n n vo lut orni sioni lo errori di attribuzion nei rif rim nti. È vietata la riproduzione, anche parziale o a u o int rno didattico, con qual ia i mezzo, non au tori zzata. L foto op ie per u o per onal d l l ttor po ono s re effettuat n i limiti del 15% di eia cu n volume dietro pagam nto alla lAE d l comp n o pr vi to d !l'art. 6 , commi 4 e 5, d Ila l gg 22 apri i 1941 n. 633. Le riproduzioni effettuate p r fina li tà di caratter profe ional , economico o comm r iale o comunq u per uso diver o da qu Ilo personal possono essere ff ttuat a s gu ito di sp cifica autorizzazione utorizzazion i p r le Riproduzioni Editoriali, rso di Porta rila ciata da LE R di , ntro Lic nz Romana lO , 20122 Milano, e-mai l autorizzazioni clear di.org e ito web www.cleared i.org.

uratori d Il edizione italiana: Paola Branduardi ( app. 5, 13, 16, 20, 21, 22) i rgi ribaudo ( app. l , , 9) iorgio Mastrom i ( app. 3, , 6, 7, 10, 11 ) l ssandra Polissi ( ap. 2) iovann i al lini ( app. 12, l , 15, 17, l , 19) Traduzione: Pao la Branduardi, Elisa Brunelli, Eli a Dalgo, lb rto Portalupi,

1u pp lvan aghi

Real izzazione ditorial : lb rto Portalupi rafi a di cop rtina: Maurizio aro falo tampa: RTJ RAF' l HE D1 L- Mondovì Tutti i mar h i itati nel t to sono di proprietà dei loro d tentori.

LIBRI DI TESTO E SUPPORTI DIDATTIC I lliltomadigooljoneporlo~-C..Ed!lrtco6cor1111c11D

In oontonNti 111 """'" UNI EN ISO 11001:20011 por

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progcttnlono, mllnallonoo-llonoclprodottl ~~Wn Ino d ll'artlvl della prot lno. Sono ~ndteati •l promotore e ~~ termlnatore, nonché le regioni ~nvolte nell'attiVazk:>ne e netta repressione della trucn:oone. La regoone noo tradona 5 • (5' UTA) è una breve regione tra l'lnlzJo deUa traacrWone e l'lnlw della trfldUZKHl8, mentre la regione non tradotta 3' (3' Um) è una breve regione trv il codone di stop e Il termlnatore

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gli argomenti principali l processi di trascrizione e traduzione sono la ch iave per comprendere la sintesi proteica. In questa nuova figura DNA, RNA e proteine sono rappresentati con risalto visivo e sono univocamente distinti l'uno dal l'altro. Le scritte che scandiscono le fasi e le frecce guidano la comprensione da parte dello studente.

------ -------.-..........

della trascrizione. Queste sono 58 regiON In Cl.ll spesso a.l v la r~azK>Oe della traduziOne. l meccanltml per la dell'athvttà della prot&~na dopo la traduztone sono mostrati nella parte Inferiore.

• ·: •Protewlt di IOetlgi'IO ••• Prottlnt ·•delc:ape~CM

~--··-

Flgura 8.14

lm poech ttamcnto

d 1 DNA n 11 test dol togo T4, La prototeata è assemblata e par'11re dalle prottMne del capskje e dalle proteine

d'•ngresso che permangono po1 nefla struttura del v•none meturo.

p•U angolare. Una votta che la testa è piena, Il motore d'Impacchettamento st s tacca e si aggiungono le componenu dilacoda.

Mentre la testa sJ rlempte di DNA al espande e assume una forma ancora

r-------------------------J

l

\

~-----------,

Chiari testi e frecce illustrano le fasi Il virione è un attore chiave nella replicazione vira le: un aspetto importante dei corsi di microbiologia. Questa figura rappresenta ch iaramente i tre tipi di proteine importanti per la formazione virione . L uso di figure didattiche, insieme a testi chiari che scandiscono le fasi e alle frecce, fa sì che gli studenti possano facilmente seguire le fasi della formazione del virione.

L

--~~~-~~------------~--------------

...

a vita microbica è dovunque ell'intr prendere il viaggio nel mon o dei micro i, vi stupi rete nello scoprire dove i microrganismi vivono in natura. In breve, vivono ovunque, compresi gli ambienti troppo ostili er i macrorganismi. Per esempio, un gruppo di ricerca in Antartide (foto in alto), studiando il lago Vida coperto in per manenza dai ghiacci nella McMurdo Dry Valleys, ha trovato atteri che vivono 1mmersi in una soluzione s lina surgelata 13 C! Q esti microrganism1 resistenti sono stati scoperti dal microbiologi che indossavano tute protettive per evitare a contaminazione durante il processo di carotaggio (foto in asso). l batteri del lago Vida, appartenenti a un gruppo metalico chiamato psicrofili (un termine che significa "amante l freddo"), hanno mostrato di svolgere diverse reazioni meboliche Ila temperatura del loro habitat ghi cciato. Geni r1 cifici isolati dai vari batteri della go V1da sono stati utilizzal per classificare gli organismi, e studi futuri dei loro corredi h geni - genomi - dovrebbero contribuire a svelare i segreti netic1 che consentono a questi organismi d1 prosperare in mbiente costantemente freddo. Il lago Vida è insolito anche per i laghi antartici, perché la a copertura di ghiaccio si estende fino l fondale. La luce .1 sole disponibile solo 6 mesi l'anno, non può penetrare in ofondità nel lago. Così i batteri d l lago Vida stanno probilmente crescendo, seppur molto lentamente, metabolizndo il carbonio organico che è stato intrappolato nel ghiac10 al momento in cui il lago si e completamente ghiacciato, lllenni fa. l mcrobiologi studiano i batteri degli ambienti estremi per oprire i limiti ambientali alla vita e per cercare prodotti unici cu1 potrebbero trarre beneficio gli esseri umani o il nostro i neta. Ma oltre a contribuire alla scienza di base e applica' i b tteri del lago Vida sono modelli per i tipi di forme di vit he potrebbero abitare altri mondi ghiacciati, come Marto o luna i Giove, Europa.

Introduzione e principali temi della microbiologia 2 Il Microbiologia nel contesto storico

13

2

UNITÀ 1 • l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

l • Introduzione e principali temi della microbiologia 1.1 Che cos'è la Microbiologia e perché è importante?

Verifica - - • Se non si fosse evoluta l

1.2 Struttura e attività delle cellule microbiche

90mm

(a)

Figura 1.1 Cellule microbiche. (a) Colonie bioluminescenti di batteri del genere Photob et rium cr ul in coltura di laboratorio su una piastra Petri. (b) Una singola colonia può contenere più dl10 mlllon (10") di singole cellule. (c) Micrografia elettronica a scansione di cellu le di Photobacterium.

CAPITOLO 1 •

MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

3

Membrana -;------j~~~~~~i;:;;~~ citoplasmatica Nucleoide - - - - - - - " '

Ribosomi

(a) Proca riote

Archaea

,..-ii!==-'::!:--- Mitocondrio

-------.!

' '~-.:....-...z....----:~~-- Membrana -----~!l!AI

nucleare

Nucleo -------:;~~~];~3( Ribosomi Reticolo - - - - - - - - - "= endoplasmatico Citoplasma -----~~~ ci

Apparato del Golgi

.... ~

!...

Cl)

(b) Eucariote

Figura 1.2 Struttura della cellula microbi ca. (a) (Sinistra) Disegno di una cellula procariotica . (Destra) Micrografia elettroni ca di Heliobacterium modesticaldum (Bacteria , la cellula ha un diametro di circa 1 IJ.ITI) e Thermoproteus neutrophilus (Archaea, la cellula ha un diametro di circa 0,5 ~-~om). {b) (Sinistra) Disegno di una cellula eucariotica. (Destra) Microg rafia elettronica di Saccharomyces cerevisiae (Eukarya , la cellula ha un diametro di circa 8 ~-~om) .

m lt più robusta della m mbrana te a. d i mi r rgani mi hann la ezi ni , la par te nt di di tingu r d euca riotiche. L

Elementi di struttura microbica Tutt le ellu l hanno caratteri ti h in molti c mp n nti uguali (Figura 1.2). P r lu le hanno una barri ra di perm eabilit hiamat, membrana citopla m ati ca che para l' intern dell a l lul a, i l citoplam , dall ' l rno . Il itopla ma un a mi cela a quo a di macro mo! co l (pr l in , lipidi , ac idi nucleici e poli a caridi ), pi le m lecole rganich (prin ipalment pr ur ori di macr m lecole), vari i ni inorganici c ribo omi ( trutture eh llu lari). a par ete c llular onfesintetizzano le protein ris e f rza trutturale alla l lul a: una truttura r lati am nle p nn abil l ca lizzata al l'e tern d Ila m mbrana cito-

rali tra cel lule procariotiche ed eu ari ti molt i mportante eh al t nnin " pr un a conn tazi n evoluzioni ti a.

1-

4

UNITÀ 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

m paragra f , . ebbene le p ci Bacteria . mbrare imiti, dal punt di i ta luti m nte imparentat .

rchaea p n n

an no tr tta-

(per

Geni, genomi, nuclei e nucleoidi

'

s mpi , c ntiene una Il di una c llul a di (;trca 7 v lte.

.1 qu

Attività delle cellule microbiche cdr m che

Proprietà di tutte le cellule :

Proprietà di alcune cellule:

Metabolismo

Differenziazione

Le cellule assumono nutrienti, li trasformano ed espellono 1rifiuti. 1 Genetico (re p l icazione, trascrizione, traduzione) 2. Catalitico (energia, biosintesi)

Alcune cellule possono formare nuove strutture cellulari come una spora.

\ t / Cellula Ambiente

Comunicazione Le cellule interagiscono tra loro attraverso messaggeri chimici.

Crescita Nutrienti assunti dall'ambiente sono convertiti in nuovi materiali cellulari per formare nuove cellule.

..

Scambio genetico Le cellule possono scambiarsi geni attraverso molti meccanismi dive• i

r--

Evoluzione le cellule evolvono per acquisire nuove proprietà. Gli al beri filogenetici mostrano le relazioni evolutive.

ntrac n

Mot1htà Alcune specie sono in grado di spostarsi autonomamente

Figura 1.3 Le proprietà delle cellul e microbiche. Sono illustrate le principali attività in atto nelle comunità microbiche.

CAPITOLO 1 •

MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

attivi tà ce llul ari. L llul e mi crobi che rive lan quindi un a comuni cazion intercellu lar ; n "co n ap voli ' dei l r VIC ini po ono rispondere di c n gu nza. alte c llu le precari tiche po on anche tra ferire o accettar g ni dal le c llul e ici ne, ia della ste . a p cie ia di pecie di r in un proc di cam b io enet ico. ' · voluzione ( • igura l . ) i l co n modifìcazi ni in cui v ng n (mutanti) in ba e al loro ucces

5

Origine della Terra (4,6 miliard i di an ni)

molto rapid a quand la pre sione eletti a mpio, in eguito all ' u indi rim i nato di antibiotici in medici-

lenta ossìgenazione Origine dei cianobatteri

(a)

LU~~-:~kr---------------

L

i

,-------------

Bac teria Archaea

lata dalla mi robi logia mod rna. ....__ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Eukarya

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . _ Qual i importanti funzioni svolgono in una cellula la membrana citoplasmatica, i ribosomi, la parete cellulare? Quale tipo di cellule possiede il nucleo? Il nucleoide? Cosa è il genoma di una cellula e perché è importante? • Che cosa significano i termin i "crescita" e " motilità" in microbiologia?

1.3 Evoluzione e diversità delle cellule microbiche l micr rgani mi on tat le prime ntità ull a rra a mostrar proprietà a ociabil i al n . tr co nce tto di vita. me si so no originat le ce llule n icrobi ch e guell ogg i e i tenti co me no correlat ali altre?

4

3

2 Miliardi di anni (ma)

(b)

Figura 1.4 Sintesi dell 'evolu zion e della vita sulla Terra in base al tempo e all 'ori gine dei domini cellul ari . (a) La vita sulla Terra era già presente circa 3,8 miliardi di anni fa. Circa 3 miliardi di anni fa i cianobatteri cominciarono a immettere lentamente ossigeno nell 'atmosfera, ma il livello attuale di 0 2 non fu raggiunto fino a 500-800 milioni di anni fa. Gli eucarioti sono cellule nucleate (Figura 1.2a) che includono sia microrganismi sia organismi multicellulari. {b) l tre domini evol utivi degli organismi cellulari sono: Bacteria , Archaea ed Eukarya. Archaea ed Eukarya si separarono molto tempo prima della comparsa, nei reperti fossili, delle prime cellule nucleate con organelli ("eucarioti moderni " nella parte (a)). LUCA, antenato universale comune (Last Universa/ Common Ancestor') .

Prime cellule e inizio dell 'evoluzione Dato

h

(Las t Univer al ommon nce /or) l'antenato universale comune a tutti gli e eri iv nti. D po che le prime c l lui i sono sv i luppate da materiale non c llular attraverso un proc durat centin aia di mili nidi ann i la ita ha dato origine a p p !azioni ce llu lari eh hann co minciat a int ragire e a formare comun ità mi cr bich Lu ngo il p rco rs , l v Juzi ne e lo ca mbi o gen ti hanno dal origine a varianti che p lr bb ro s ere tal elezi nat p r i migli oram nti he hanno r o più probabili il l r . uccc o e la apra vi nza. ggi pos i amo ap rezzare i l grand e ri ultat di qu ti proc i, durati gu a i 4 mil iard i di anni.

o

Vita sulla Terra attraverso le ere La

Diversità microbica

(c)

Figura 1.5 Microrg anismi fototrofi. ( ) 8 tt rl rossi sulfur l e (b) batteri verdi sulfurei (fototrofi an robl). (c) Ci nob t rl (fototrofi aerobi). l batteri rossi e verdi comp rv ro ull T rr molto prima dell'evoluzione del fototrofi a robl (si v la Figura 1 .4a).

ti molata dall ' aumento d Ila qu antità di o igen nel l armo fera, la ita multi ce llul are ha co minciato a vo i er i a fa r i empre più compi e a, fin o ad arri are all e pi ante e ag li n iam oggi. a le piante gl i animali e ianimali eh ton l da cir a mezz mili ard o di anni . L a linea temp rate d Il a ita ull a erra ( igura 1.4a) m tra he p r l ' 0% la tata e clu mi robica , , quindi , tori a dell a ita rra pu n iderata un pi an ta p r m lti er i, la microbico . el c r d Il '

n mi r r ani mi i ui ant uno di qu ti tr d mini .

Verifica - - - - - - - - Quanti anni ha la Terra e quando sono prime cellule sulla Terra? • Perché i cianobatteri sono stati così Import ntl zione della vita sulla Terra? Come può essere determ inata la stori filo netlc dei microrgan ismi? Elencare i tre domini della vlt .

CAPITOLO 1 •

Allineamento di sequenze geniche di rANA \

AGTCGCTAG 1

~~~~~ A TTCCGT AG 2 1. DNA isolato da ciascun organismo.

7

MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

AGCCGTTAG 3

2. Amplificazione del gene rRNA con la PCR.

~5~.C~o~st~ru~zi~on~e~ dell'albero filogenetico.

< 3

2

(a)

BACTERIA

EUKARYA

ARCHAEA

Muffe

, 'An1mah

Macrorganisml

Entamebe muclllag1nOs~'

Batt en verd 1 non su lfure1

Euryarchaeota Methanosarcma

Crenarchaeota Thermopro teus Pyrod1Ct1u.::

Methano~Aiof1h bacterium estrem1

\

Thermoplasma

Thermococcus Batten verdi su lfure1

Nitrosopum1lus

'\ Pyrolobus

Flagellati Methanopyrus

M1crospond1

Thermodesulfobacterium D1plomonad1 {b)

Figura 1.6 Relazioni evolutive e albero filogenetico della vita. (a) La tecnologia che consente il sequenziamento e la filogenesi di un gene per I'ANA ribosomale. 1. Il DNA viene estratto dalle cellule. 2. Mediante la reazione a catena della polimerasi (PCA, d;> Paragrafo 11.3), sono prodotte moltissime copie identiche di un gene

codificante rANA. 3, 4. Il gene viene sequenziato e la sequenza ottenuta viene allineata al computer con sequenze di rANA di altri organismi . Un algoritmo produce il confronto delle coppie di basi e genera un albero filogenetico (5) che descrive le differenze evolutive. Nell'esempio mostrato, le differenze nella sequenza sono evidenziate in giallo

1.4 Microrganismi e i loro ambienti In natura i mi r rgani mi ce llul e.

Ecosistemi microbici int rag ire tra l r in dann . Per e emp io, i promo di un gruppo di rgani mi po ono rapprc entar ia un nutriente ia un eleno per un altr grupp . l i habi tat p n e . re radicalm ente di r i

e sono le seguenti: fra organismi 1 e 2, tre differenze; fra organismi 1 e 3, due differenze ; fra organismi 2 e 3, quattro differenze. In questo caso gli organismi 1 e 3 risulteranno parenti più stretti di quanto lo siano 2 e 3 o 1 e 2. (a) L'albero filogenetico della vita. L'albero mostra i tre domini degli organismi e alcuni gruppi rappresentativi di ciascun dominio.

8

JNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Microrganismi nei loro ambienti naturali n ti

.. a la ita

rpo

~~~~ uj o

~A:~~~~~~~~

(b)

(c)

Figura 1.7 Comunità mi crobiche. (a) Comunità batterica che vive nelle profondità di un piccolo lago del Michigan formata da diversi batteri fototrofi verdi e rossi (le cellule grandi con granuli sulfurei). (b) Comunità batterica isolata da un campione di fanghi reflui. Il campione è stato colorato con diversi coloranti, specifici per ogni gruppo batterico. Tratto da Joumal of Bacteriology 178: 3496-3500, Figura 2b. © 1996 American Society for Microbiology. (c) Micrografia elettronica a scansione di una comunità microbica raschiata da una lingua umana.

un nutrien te

CAPITOLO 1 •

MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

9

Tabella 1.1 Classi ed esempi di estremofilia Estremi

Termine descrittivo

Genere/Specie

Dominio

Habitat

Minimo

Optimum

Massimo

Alt

lp rt rmof1lo

M thanopyrus kandleri

Archaea

Bocche idrot rm sottom nne

90 "C

IO •c

122° co

B ssa

Psicrofili

Psychromonas mgrah mu

Bacteria

Ghi ccio m nno

- 12 · c

5•c

1Q •C

Basso

Acidofili

Picrophilus osh1mae

Archaea

Sor nt1 termali cid

- 0,0

Q,7C

4

Alto

Alcalofill

Natronob, ctenum gregory1

Archaea

Laghi alcalini

8,5

1Qd

12

Montella yayanosii

Bacteria

700 tm9

> 1000atm

Halobacterium salina rum

Archaea

25%

32% (saturazione)

Temperatura

pH

Pressione Concentrazione d1 sale (NaCI)

Alofili

500 Saline

15%

m

"D1 ciascuna categoria è riportato l'organ1smo che det~ene 11 pnmato per una data condiZIOne estrema d1 cresc1ta. bM. kandleri è un anaerobio che mostra cresc1ta a 122 •c solo a pressioni d1 diverse atmosfere. cp osh1mae è anche un termofilo con optimum di temperatura d1 cresc1ta a 60 "C. dN. gregoryt è anche un alofilo estremo con optimum di crescita a concentraiZIOne d1 NaCI del 20%. "M. yayanosti è anche uno pSicrofilo con opllmum di temperatura 1ntorno a 4 'C.

to tale d Il e cellul e mi crobic he pres nti sull a rra. li ani mali ( mpre. l ' u mo) he s no ampi am nte co lo ni zza ti lo una pi cdai mi r rgani . mi , c Il tti vam nte co ntengono co la frazi one di tutte le c llul mi cr bich d Il a T erra ( ab Il a 1.2). Per h qu a i tull quell eh sappiamo sull a v ita mi crobi a d ri va dali • tudio dei mi crorga ni mi he v i vo n in uperfi cie, probabi le che mo lte nuo e s o pen e . arann o ri r va te ali futur g n razi nidi mi crobi o l gi che indagherann g li habitat mi r bi i più p p lo i dell a T erra eh p iamo ed r .

Tabella 1.2 Distribuzione dei microrganismi sul pianeta 8 Percentuale sul totale

Dat1 raccolti da Wilham Wh1tman, UnNersità della Georgl8, USA: relatNi al numero totale (st1mato d1 2,5 x 1()30 cellule) d1 Bacteria e Archea. Questo enorme numero d1 cellule contiene, collettivamente, c1rca 5 x 10 17 gramm1 d1 carboniO. blnclusi, 1n ord1ne decrescente: laghi d'acqua dolce e salat1, animali domestici, Qh1acoo marino, termrti, uomo e uccelli domestici. 8

fall

no n

Verifica Qual è la differenza tra comunità microbica e popolazione microbica? Che cos'è un habitat? Con quali modalità i microrganismi modificano le caratteristiche dei loro habitat? Che cosa è un estremofile? • Dove vive la maggior parte dei microrganismi in natura?

Habitat

1.5 Impatto dei microrganismi sull'uomo

Microrganismi come agenti di malattia

grandi pa ·. i

10

UNITA 1 • l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Oggi

1900 Influenza e polmonite

Malattie card iache 1----------~-----_..

Tubercolosi

Cancro

Gastroenterite

Ictus

Malattie cardiache Ictus

Malattie polmonari Inciden ti

.J

Nefropatie

Diabete

Incidenti

Morbo di Alzh Imer Influenza polmonite

Cancro Malattie infantili Difterite

-

o

fropatl Settic mi

100

200

o

Morti per 100 000 abitanti Figura 1.8 Tasso di mortalità relativo alle prime 1O cause di morte negli Stati Uniti nel 1900 e oggi. Nel 1900 le malattie infettive erano la prima causa di morte, mentre oggi

rappresentano un problema minore. Le malattie renal i possono essere causate da infezioni microbiche o da disfunzioni sistemiche (diabete, alcuni tipi di cancro, malattie metaboliche,

•

Malattie infettive

•

Malattie non infettive

100

200

Morti per 100 000 abitanti lntosslcazlonl ecc.). l d ti riportati sono quelli l bar ti d II'Unlted States Nation l C nt r or H alth Statistics se Contro l e dal C nt r for DI and Prevention .

i i d ll z lfo come (

] ), un nutriente ).

CAPITOLO 1 • MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

11

N2 + 8H (b)

8042Ciclo dell'azoto (a)

Ciclo dello zolfo

(c)

Rumina l

l Erba ---+ Cellulosa --+ Glucosio--+ Fermentazione microbica l

/'

Acidi grassi (nutrienti)

co2 + CH4 (Prodotti di scarto)

(d)

Figura 1.9 Microrganismi nell 'agricoltura moderna. (a, b) l noduli radicali di questa pianta di soia contengono batteri in grado di fissare l'azoto molecolare (N 2) in modo che possa

essere utilizzato dalla pianta . (c) l cicli dell'azoto e dello zolfo: cicli dei nutrienti essenziali in natura. (d) Animali ruminanti. Nel rumina dei bovini i microrganismi trasformano la cellulosa dell'erba ingerita

in acidi grassi che possono essere metabolizzati dall'animale. Gli altri prodotti non sono così desiderabili, come C0 2 e CH 4 , i principali gas che provocano il riscaldamento globale.

Intestino crasso (pH 7,

circa

1011 cellule/g)

(a)

(b)

Figura 1.1 O Il tratto gastrointestinale umano. (a) Schema del tratto Gl umano che mostra gli organi principali. (b) Micrografia elettronica a scansione di cellule microbiche nel colon umano (intestino crasso). Il numero delle cellule nel colon può arrivare anche a 10 11 per grammo. Così come il numero delle cellule. anche la diversità microbica nel colon è abbastanza elevata.

12

UNITÀ 1 • l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

gani mi pr senti, la microfl ra d l c lon pu aiutare a li mina-

li

ande alco l i eh li (

en o ia po iti o

arne infeting riti n ndizionano gativ , l'in-

Microrganismi, cibo, energia e ambiente

r , hann o un ntam in azi n

prali

nutr ra, n ab ili , f nn ntati (Figura 1.11). dip nd n dall ' tti it

Acido propionico +Acido - - - - - -· acetico + co2

GLUCOSIO

-c:

(a) Fermentazione

t

-+ 2 Acido lattico -+ 2 Etanolo

'

2 C02

(b) Cibi fermentati

Figura 1.11 Cibi ferm entati. (a) Principali tipi di fermentazione in vari alimenti fermentati. È il prodotto della fermentazione (etanolo, o acido lattico, propionico e acetico) che conserva il cibo e gli conferisce un sapore caratteri stico. (b) Foto di diversi alimenti fermentati con l'indicazione del prodotto della fermentazione caratteristico per ognuno.

e.

CAPITOLO 1 •

MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA

13

Celluloa : r Glucosio ~--· Amido dì mais

Fermentazione ETANOLO

(a)

(b)

Figura 1.12 L'etanolo come biocarburante. (a) Le principali colture utilizzate come materie prime per la produzione del biocarburante etanolo. In alto: panico verga, fonte di cellulosa. In basso: il mais, fonte di amido. Sia la cellu losa sia l'amido sono composti da glucosio, che viene fermentato a etanolo dal lievito. (b) Un im pianto per la produzione di etanolo negli Stati Uniti. L'etanolo prodotto dalla fermentazione viene distillato e poi immagazzinato nei serbatoi.

d l pianeta. , come di .. e ui Pa. t ur, min nt h im i fra ne . e uno dei fondatori del la micr bi l gi : " I n nalll ra, il ru lo del l'i nfìnitam nt piccolo infinitamente grand ". onda met, del ca pitolo ontinuerem l n . tra in tr duzi n al m nd d i mi r rgani . mi n un a pan ram ica st ri a d i ntributi he Pa l ur poc hi altri grandi sc ienziaallo v iluppo d Il a icnza del la mi r bi l gia.

Verifica Fate due esem pi che dimostrino l'importanza dei microrganismi nell' industria alimentare e in agricoltura. • Fornite alcuni esempi di biocarburanti. Come può la fissazione dell 'azoto nei noduli radicali aiutare la produzione di biocarburante? Cosa sono le biotecnolog ie e come possono contribuire al miglioramento della qualità della vita dell 'uomo?

Il • Microbiologia nel contesto storico

qu alsia. i , ltra . i nza bi logica e ha generato numer si nu vi campi dell a bio log ia m derna. Rip r rr r m ra al uni m m nti al ien ti dell a toria dell a mi crobio logia di cuter m nllibu it . di alcuni dei maggiori sc i nziati che i hann

1.6 Scoperta dei microrganismi Benché da c ntin aia di anni . i . ospettas e l 'e i Lenza di creahi nud , per la loro scop rta si d ut tur in i. ibili a

14

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Figura 1.13 Robert Hooke e gli albori della microscopia. Un disegno del microscopio usato da Aobert Hooke nel1664. L'obiettivo era collocato alla fine di un soffietto regolabile (G) e l'illuminazione era diretta sul preparato da una lente separata (1 ). Inserto: disegno di Hooke che mostra una muffa che egli osservò mentre stava degradando una superficie in pelle; le strutture !ondeggianti con tengono le spore della muffa.

Vìte d1 regolaz1one della messa a fuoco

./ L==-

.....D

.... .. ··""'·. . ) .;, ··· ·.· C B. ~ tg. 3· E.:

--

F __..:==-=ulla Terra è maggion.: dr quella dq!lr org.rnr,l11r 'uperiori , anche o,c la maggior pane delle cellule rllrl·rohrdtl' 111 l l'al 1i1 ri-,i ·dono nelle profondilir dci -,uoli c dcgh on-;rnr .

tondamen1ali 1 •r la ,t:ierua della microbiologia, cornprco,a la '>lcrilillationc. 'produ,-,e una o,cri ·di ,·ac ini fondam •ntali per l'uomo c !!li allri an imali .

1.8 • Robcn Koch "ilupp(l una 'cri· di cri lcrr . chra111a1i po,lulali di Ko ·h. ('ll:r correlare c ru 'a cd ·ff·11one llc mala11ie infc11i' ·. l noi lr ', mio,' a pun10 i primi metti artìdabi li c riprodttt.:ibili per o11cn ' · rc · c Figura 1.2). tura dell a fu nzi

ellul a pr cariati a, la cellul a eu più c mples a e di maggi ri dim mplctiam il n tro . tudi dell a trutdell ellule microbiche c

2.20 Nucleo e divisione cellulare Nucleo c ellu l eucarioti che varian rredo d i orga nuli che c llleng n , ma un elem nt , il nu l ora hiu. o da m mbrana, d l 'el m nto di. tinti della cllul a uca-

conti ne i cromo omi d Il a cellu la eu ariotica. gli uca ri oti il D a lt alt rn a pr teine basi h (cari h p iti am nte) chi amate i toni, che clann un aiuto

CAP l T OL O 2 •

STRUT1 URA E FUNZ l ONE D EL L E C E:L L UL E M l C8 OB l CHE Microtubuli

67

Mitocondrio

Reticolo endoplasmatico liscio

Mitocondrio

Microfilamenti

Lisosoma

App rato d IGolgl

Cloroplasto

Nucl o Poro nuclear

Nucleolo

Figura 2.60 Spaccato schem at ico di un eucariote microbico . Sebb n tutt le cellul eucariotiche contengano un nucleo, non tutti gli altri org nelli l struttur mostrat nell figura sono presenti in tutti gli eucarioti microbici. La par te cellul re pr sente nei fungh i, nelle alghe, nelle cellule vegetali e in alcuni protisti non è mostrata.

Divisione cellulare

meioti a, i

68

UNITA 1 • l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

DNA a doppio filamento

~ Core del nucleosoma

(a)

(b)

Nucleo e impaccamento del DNA negli eucarioti. (a) Micrografia elettronica di una cellula di lievito preparata in modo da rivelare la visione

della superficie del nucleo. La cellula è larga circa 8 1-1-m. (b) Impaccamento del DNA intorno alle proteine istoniche a formare il nucloesoma. l nucleosomi

Figura 2.61

sono situati lungo il filamento di DNA come perle su una collana e aggregati a formare i cromosomi durante il processo della mitosi (Figura 2.62).

da diploide

Verifica - - - - - - - - - - - • Come è organizzato il DNA nei cromosomi degli eucarioti? Cosa sono gli istoni e qual è la loro funzione? Quali sono le principali differenze tra mitosi e meiosi?

2.21 Mitocondri, idrogenosomi e cloroplasti li rganelli d putati al m tab li m energetic n gli ucarioti includon il mit on lri o l' idrogen ma, n g li organi mi fot tr fì il l rop la to.

ldrogenosoma

Mitocondrio Ile ce llul e u arioticl

aer bich

la r

empi , i p

Trichomonas

on (~i>

ri c rdare aiParagrafì 17.

CA Pl TOL O 2 •

(a)

STRUTT URA E FUNl l ONE D EL L E CEL L UL E M l CROB l CHE

{b)

Figura 2.62 Mito si di cellule vegetali osservata al mic ro scopio ottico. (a) lnterfase. Non sono visibili i singoli

(c)

69

(d)

cromosomi. (b) Metafase. l cromosomi omologhi sono allineati al centro della cellula. (c) Anafase. l cromosomi

omologhi sono spinti ai lati. (d) Telofase. l cromosomi sono stati separ ti nelle cellule figlie appena formate.

Membrana interna Matrice

Cltopl

m

J 3: o

(b)

ldrog no om

(c)

Figura 2.63 Struttura del mitocondrio. (a) Diagramma della struttura generale del mitocondrio; da notare le membrane sia interna sia esterna. (b, c) Micrografia al microscopio elettronico a trasmissione di mitocondri di ratto che ne evidenzia la variabilità morfologica; da notare le creste. e 22.7 ) d i er i proti ·ti c iliati hc i tr an n l rumin degli anima l i rumin anti (c!~ Paragrafi 1.5 e 22.7) o nei fan ghi n i

ATP

Ac etato

(b)

Figura 2.64 ldrogeno som a. (a) Micrografia elettronica di una sezione sottile di una cellula anaerobica del protista anaerobio Trichomonas vaginalis che in sezione mostra cinque idrogenosomi. Si confronti la loro struttura interna con quella dei mitocondri nella Figura 2.63. (b) Biochimica dell'idrogenosoma. Il piruvato entra nell'idrogenosoma e H2 , C0 2 , acetato e ATP sono i prodotti. 'a ·etal p r i e. r t dal l ' idr della c llula o. pite ( " igura 2.64b).

n soma nel ci t plasma

Cloroplasto l cl or opl a ti . no gl i rgan Ili d gli u ari ti f t trofì micr bici che conteng no la clor fìl la e eh hanno la funzion di

70

UN l TA 1 • l FONDAMENTl DEL LA Ml CROBl OLOGl A

(a)

(b)

Cloroplasto

Tllacolde Stroma

lar

som i. co me

(c)

Figura 2.65 Cloroplasti di una diatomea e di una cellula di un'alga verde. (a) Microfotografia a fluorescenza di una diatomea che mostra la fluorescenza della clorofilla (si confronti con la Figura 2.6); le frecce indicano i cloroplasti. La cellula ha un diametro di circa 40 f.l.m. (b) Microfotogafia a contrasto di fase dell'alga verde filamentosa Spirogyra che mostra la caratteristica forma a spirale dei cloroplasti (frecce) di questo microrganismo fototrofo. Una cellula ha un diametro di circa 20 f.l.m . (c) Micrografia elettronica a trasmissione che mostra il cloroplasto di una diatomea; si notino i tilacoidi.

Verifica Quali reazioni chiave avvengono nei mitocondri e nei cloroplasti e quali prodotti fondamentali si formano? Confrontate e contrapponete il metabolismo del piruvato nel mitocondrio e nell'idrogenosoma. Cos'è l'ipotesi endosimbiontica e quali evidenze esistono a suo sostegno?

2.22 Altre strutture principali della cellula eucariotica

proteine sono comuni a tutte.

Reticolo endoplasmatico, apparato del Golgi e lisosomi Organuli ed endosimbiosi ulla ba e d Il a l r

Il r ti lo end pia mati c ( R) una r te di membrane c ntinu con la membrana nucl ar . . istono due tipi di reti lo endopla mati co: ruvido, che c nti ene i ribo mi atta ati ,

CA Pl T OL O 2 • STRUTTURA E FUN Z l ON E DEL L E CEL L UL E M l CROB l CHE

71

I

l.

l

J

(a)

Figura 2.66 L' apparato del Golgi. Micrografia elettronica a trasmissione di una porzione di cellula eucariotica con in evidenza l'apparato del Golgi (in giallo oro) . Si notino le membrane multiple ripiegate di cui è composto l'apparato del Golgi (il diametro delle vescicole di membrana è 0,5-1,0 ,....m).

,~

.. •"", .. '

l

. ;..,. .......

..

',.· 'j~·

..1-: "'\ ....:.~

(c)

.

~)/ 't ·, ·'

(

/ ..

) •

"

. O di un micr s ·opi o ·on una \C ri· di l •nti p r ingrandire · ri-,oh·c r l ' immagin i.

int c r ~

2.5 •

Le ce llull: prm:ari otr chpor · poC l · ·ondi1ioni In pc..:rm ·uono.

2.9 • Sono noti almeno tr '

2.1 O • Il p •ptidoglicanl

un poli acca n d· eh' i tro' a ,o lo nei Ba teria •d 'o\lituito dalla rip 'lÌIÌOn' alt •ma ta di a · ·tilg luw\am•na ·a 1d0 ac •tilmuramit: , qu ''>t' ultimo l nna le •ami crociati fra ·at·n' ad1a · •n ti mcdia nt ' tcllap ·ptidi . L ' ' nt ima li\Oiima ' l'antibioti ·o peni ilima hanno ·ome b ·r~dclio il pcptidoclit::•no, pronl ·and >la li\i · ·llular ' .

2.17 • a motilita in un mc11o liqu1dO • dO\ uta alla prc'o ' n/a di fla • •Ili . Il fla •ello c co\llluito da di' 'l'\' proteine cd c ancorato alla parct' c ·llular· c alla 111 ·mbrana c itopla~matica . ci Buctt•ria d fi l:un ' Il!) d •l tlag ·Ilo c co-.!llul!o dalla prot •in a tlagc llina · ruota a 'P.,' d •Ila f'o 11a prown motric •. l tla gc lli di Archrtcn c /Jrt clt'ria di fieri \ ono per la \ truuura · per d men:ani-.nHl di ac.:cnpp1amcnto dell' ·n ·rgia alla mtatiOII ·.

2.18 • l balle l i ·he \Ì muo\ ono pc1 \Cl\ nlamcnto non utili11ano la rota110n · dt.:l tla!-(c lh , ma 111\CC · ~111\l' lano lungo una -.uperticie \ >lida utilil!amlo di\1.:1''1 mccc:uusnu . conlpr.:'a l'csnolllfll' d1 poli-.ace Q)

tTI

GO'= G 1°(C G1°(A +B)

t

D)-

Prodotti (C + D) Avanzamento della reazione

Figura 3.6 Energia di attivazione e cat alisi. Anche reazioni chimiche che liberano energia potrebbero non procedere spontaneamente fin ché non vengono attivate. Una volta che i reagenti sono attivati, la reazione procede spontan eamen te. l catalizzatori, come gli enzimi, abbassano l'energi a di attivazione richiesta. lo ità di r azion . l cata li zza! ri ra ori c no l r az ioni , ma non so no on um ati tra f rm ati durante le . te . lnoltre i catali zzar ri non influ nza n l ' nergeti ca o l' equilibri o di un a reazi ne, ma influenzan s lo l v loc ità a cui la r azione pro ed . l atali zza tori bi l gici so no d nomin ati nzimi. a magg i or parte delle reazioni ce llul ari non i volgeli enzimi on o rebbe a el cità utili . enza ca tali zzatori. protein ( , in p chi ca. i, R ) altamente pe ifi ci p r la r azion da s i ca tali zza ta. ue to . ignifi ca che ciasc un enzim a ca tali zza olo un uni co tipo di reaz ione chimi ca , n l ca o di pochi nzimi , un ' uni ca la . e di reazi n i trettam nt affi ni . ue ta pec iA cit dip nd dalla pr ci a struttura tri dim n ionale d Il a m lec la dell 'enzim a. In un a reazione ca tali zza ta enzim ati am nt , l ' n im a C) i c mbin a co n il reagente, chi amato substra to ( ), form ando un ompl o ). Quindi , m ntr l a r a ion pro enzim a- ub trato ( de, i ne ril a ciato il p rodof/ o (P) l' nzim a rit rn a n l u stat ini zi ale:

+

+P

nicb

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Qual è la funzione di un catalizzatore? Come sono fatti gl i enzimi ? In quale parte di un enzima si lega il substrato? Che cos'è l'energia di attivazione?

3.6 Donatori e accettori di elettroni L ' n rgia lib rata n Ile reazioni catab li he v i ne co n rata nel! ce llul m di ante la inte i imLdtan a di co mpoP. L e reazioni che ril as iano en rgia uffi ci nt a f rm ar P on tipi camente quell e di na ossidazione on i t n Il a rim zi ne

CA P l T OL O 3 •

M ET A BOl l SM O DEl M l CRORGA Nl S M l

85

Substrato

o

o

o

~

~ ,5. L'enzima è pronto per iniziare un nuovo [ ciclo catalitico.

• • • • • • • • •

• •

J

••• ••••••••••••• • ••

•••••

• •

Figura 3.7 Ciclo cata litico di un enzima. L'enzima qui descritto, illisozim , catalizza l'idrolisi del legame 13-1.4-glicosidico dello scheletro polisaccaridico del peptidoglicano. L'i nterazione con il sito attivo dell'enzima sottopone il legame glicosidico a una tensione, e questo favorisce la sua rottura. Modello tridimensionale per gentile concessione di Richard Feld mann.

Reazioni redox

si data, un 'a ltra ~ . tan La deve es. ere rid L 'o:si daLi n di H 2 pu e s r ac di di crs s stanLe, inclu so l' s igen ( 2), in un a se onda se mireaLion . ucsta se mir az i ne di ridu.li ne, quando accoppi ata all 'oss id a.Lio ne di H 2, produce l ' intera r az i ne n tta bi lancia ta ( igura ). In reazioni di qu to tip , ci rife riamo all a . tanLa eh i o sida ( in qu . t ca. H 2) co m al donatore di l ttroni , e al la o tanza che si riduce, in qu st cas di lettron i ono h i amati c m un m n t anc h fom i di enerRia. In natura e i. tono m lti p t nLial i d nal ridi el ltroni , tra cui un a grande ari tà di ·o mp sti orga ni i inorgani ci. sistono anch molti accctt ri di el ttron i, co mpre. i 2 , Donatore di elettroni

/

Accettore d1 elettroni

~0 2 -+-

H2 0

Figura 3.8 Esempio di una reazione di ossido- riduzione. Ciascuna semireazione contribuisce a metà della reazione netta.

Potenziali di riduzione e coppie redox m d

86

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

La torre redox

E 0 ' (V) -0,60

sol-/HS03- (-0,52} 2 e

-0,50

CO?/glucosio (-0 ,43) 24 e-

P"""'i"+''-+ 2 H+/ H2 (-0, 42} 2 e CO~me t anolo

-0,40

(-0,38} 6 e

C0 2/acetato (- 0 ,28) 8 c

-0,20

S0/ H2S (-0,28) 2 e CO/ CH 4 (-0,24) 8 FAD/ FADH (-0,22} 2

(2)

A.G 0'

ni di tra ferim nto

-0,30

NAD+/NADH (-0,32) 2 e

(1)

Torre redox e relazione con

-0,10

SO{ /H2S (-O, 17) 6 8 40 6 2-/S?O/ (t 0.024) 2

0,0

Cttocromo b 0 rc'd (t 0,035) 1 e

+0,20

+0,10

+0,30 Ubichinone 0 rcd (t O, 11) 2 e Citocromo Co re

30 kJ Fosfoenolpiruvato 1,3-dofosfoglic rate Acetolfosfato ATP ADP Acetii -CoA

---

-51,6 -52,0 -44,8 - 31,8 - 31,8 - 35,7

~G 0 ' < 30 kJ

AMP Glucosoo 6-fosfato

- 14,2 - 13,8

g

c enzima

Conservazione dell'energia p

ntinu amcn-

, i micr rgani mi pr no po limeri .. re in segui to catabo li uati per la

i mi r rgani mi ucari oti i principali mal riai i di ri r a ono co tituiti da amid (po li m ri del glu co io) e da gra i sempli ci. In a n.t.a di una fonte l rn a di nergia, la cell ul a pu ind r que ti p lim ri p r co. truir nu o o mal ria i llul are p r rifornir. i di quella quantità di nerg ia m lto ba a, chi am ta energia di mw!le11.im 1110, n ces. aria per manten re l ' integrità ce llul ar quand la cellul a n n cr . c . Verifica Quanta energia viene rilasciata per ogni mole di ATP convertita ad ADP + P, in condizioni standard? Quanta per ogni mole di AMP convertita ad adenosina e Pi? Come si prepara la cellula, durante i periodi in cui i nutrienti sono abbondanti, ad affrontare periodi in cui i nutrienti scarseggiano?

CA Pl T OL O 3 •

METAB OL l SM O OEl M l CROR GA Nl SM l

89

111 • Fermentazione e respirazione F rm maz ion e e r sp iraLi ne son le due principali strategi p r la con. er azion dell' n rgia nei chcmiorgan tr fì . L f rm entazion qu Il a f rma di catab li m an er bi in cui un ompo. lo orga ni co fun1.iona sia da donator sia da a ccltor di eleuroni . ll ' opposto, la r e pirazion qu l tipo di ca taboli sm aer bico o anaerob ico in cu i un donatore di !ettroni i ne o ·sidato con 2, o c n un s stituto di 2, m a cell re fina le di elettron i.

Intermedi

Intermedi adalta energia

1\B~ B-P p

A+

·

ADP A TP

~ - .c-p

D

(a) Fosforilazione a livello del substrato

+ +++ +++++++++++++++ + +

+

. /+ Membrana/" energizzata

n sostengono la re. piran rgia surtìcient per la

+

:_ ++

Dissipazione della forza proton-motrice accoppiata alla sintesi di ATP M mbrana meno, + energizzata . . . ._

via glie liti a.

+

+

+

+

3.8 Glicolisi

(b) Fosforilazione ossidativa

Figura 3.13 Conservazione dell'energia nella fermentazione nella re pirazione. (a) Nell ferm ntazion , I'ATP vi ne prodotto mediante fosforilazion a liv Ilo d l sub tr to. (b) Nell respirazion , la membr n citopl smatic , dali forza proton-motrice, dissi p l'an rgi p r sint da ADP + P1m diant fosforll zion ossidativa .

Stadio Il: produzione di NADH, ATP e piruvato d Ila li

Stadio 1: reazioni di preparazione eli

. tad io l il

lu

f

f rilat da ll ' TP, on pr du -

la. i . cind qu st' ul tim in du m le al mi di arbonio: la Rlicera/deide 3-fo.\ fato c il suo is mero diidros iace-

mentara.

n Il

l di

90

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

GLICOLISI [ Stadio l

l D

HOCH2

p ?CH2

y=o

ATP

"~---H~"·o: ~i: H

H

OH Glu cosio

[Stadio Il

Hy= o Hy- OH

l 2

o=y o=y

Piruvato

[ Stadio Ili

H

HO

H

H2CO P ol

2

OH

OH

2 NAD• -+'

2

P o- ~

p

CH 2 l

o-

2

o l

o=y

10

C~ 2ATP

l

ol

o=y o-y

8

2

l

o=y-OP

o=y

OH- y - H

OH- y - H P o - cH 2

HO- CH2

G

2 ATP

P OCH2 + 2 NADH · - - - ~ -

1 1

2 piruvato

INTERMEDI ED ENZIM'I GLICOLITICI 7

Fosfoglicero chinasi

Glucosio 6-P

3-P-Giicerato

1

Esochlnasi

8

Fosfoglicero mutasi

Fructosio 6-P

2-P-Giicerato

2

lsomerasi

9

Enolasi

Fructosio 1,6-P

Fosfoenolpiruvato

3

Fosfofruttochinasi

10 Piruvato ch1nasi

Intermedi

F

1,3-Disfosfoghcerato

Enzimi

Diidrossiacetone-P

4

Aldolasi

11

Gliceraldeide-3-P

5

Triosofosfato isomerasi

12 P1ruvato carbossilasl

6

Gliceraldeide-3-P deidrogenasi

13 Alcol deidrogenasi

Energetica Uev1to

Batten lattici

Glucosio - - 2 etanolo 2 co 2

-239 kJ

Glucosio - - 2 lattato

- 196 kJ

Lattaio deidrogenasi

Figura 3.14 Via di Embden-Meyerhof-Parn as (glicolisi) . (In alto) Sequenza delle reazioni nel catabolismo del glucosio fino al piruvato e, successivamente, ai prodotti di ferm entazione. Il piruvato è il prodotto finale del la glicolisi e da esso derivano i prodotti di fermentazion . (In basso) Intermedi, enzimi e bilanci contrastanti della fermentazione del lievito dei batteri lattici.

Stadio 111: bilancio redox e formazione dei prodotti di fermentazione

rio. sid at

a

Catabolismo di altri zuccheri e polisaccaridi

rult p 1 n ertiti in gluc i dagl i enzimi i mera i dalla via glico liti ca. l p li a ca ridi n imp rtanti mp n nti trutturali di paret ce llul ar , capsule, strat muco. pr d ui di ri er a dei microrgani mi , molti po l i acca ridi p ono m ntati . a ce llul osa e l ' amido ono due d i più abbondanti p li accaridi in natura. Pur e · end entrambi qu e ti pol isaccaridi p li meri di gluc si , le unità di gluco. io nel polimer l gate in m do di ero. ue to rende la cellul o ·a più

CAP l TOLO 3 • METABOLI S MO DEl Ml CRORGANl S Ml in olubil e dell ' amido e digeribi le m no rapidamente. a cellu losa atta cala dall' nzima ce llul a i l 'amido dali amila. i. c atti i t di que ti enzimi rila. cian p !imer ; il gluco i pu e ere quindi ferm ntato. m l ti altri zuccheri po .. n e. er fermentati . Ma poich il gluc . io il sub trato di partenza della ia gli e litica, prima di en trare nella i a que ti zucch ri de ono e.. er co n rtiti in glu . 1 Verifica Quali reazioni della glicolisi comportano ossidazioni e ri duzioni? Qual è il ruolo della coppia NAo+/ NADH nella glicolisi? Perché durante la glicolisi si generano prodotti di fermentazione?

3.9 Diversità fermentativa e opzioni di respirazione buniril-

+

p + pi a id butirri

+

P+

Diversità fermentativa

Tabella 3.4 Comuni fermentazioni batteriche e alcuni dei microrganismi che le compiono Reazione

Tipo

Alcolica Omol tt1ca

Organismi L1ev1to. Zymomoni1s

Eso o ======-

Acido bullrncoc Clostndium ncctobutylicum Clostndium kluyveri Ctostnd1um acellcum • 11 glucosio è il substrato di partenza per la gliCOlisi. Tuttavia, molli altri zucchen C6 (esosij possono essere fermentati a segUito della loro conversione in glucoSIO. '~Non tutti gli organismi forniscono tutti i prodotti. In particolare. la produzione d1 butand10lo è limitata solo ad alcuni batteri enterici. La reazione non è bilanciata. cAltri prodotti 1ncludono alcuni acetati e una piccola ouantrtà di elanolo (solo dalla fermentazione butanolo).

91

92

UNl TA 1 •

l FONDA M ENTl DEL L A M l CAOB l OL OGl A

fermentata oltanto da un ingoi batt ri . uesti batteri ono pe ialiuati dal punto di vi ta m tabol i , avend e lut la capacità di f rmentar un . ub trato eh L.ato da altri batteri. nche po

SI

tarlo, e il pr d dell 'acido citric , dizi ni s n ano i he i li fermentati o.

in -

Saccharomyces cerevisiae: fermentazione o respirazione?

Verifica ~ • Quali prodotti di fermentazione sono generati da Lactobacillus e quali dalle specie Clostridium? Quale vorreste trovare nei prodotti lattieri fermentati, come lo yogurt? Quale prodotto della fermentazione del lievito è l'agente desiderato nel pane e qual è la sua funzione nella panificazione?

3.1 O Respirazione: trasportatori di elettroni ri la. eia . o lo l c ntrario, c il piru at

NADH deidrogenasi e flavoproteine Il tra p rt

l

~------------------------~~ Figura 3.15 Principali alimenti e bevande ottenuti dalla fermentazione del lievito Saccharomyces cerevisiae .

di

l Llr ni a

CA P l TOL O 3 •

M ET A B O L l S M O D El M l C RORGA N l SM l

93

Sito redox

Anello isoallossazinico

(Fe2

o

""'

Fe 3 ' )

H

H3C H l P - Cl 1H

H l Cl OH

H H l l C- C- eH 2 l l OHOH 1

o

Ribitolo

Ossidato (FMN)

CH 3

Ridotto (FMNH2)

Eodi FMN/ FMNH 2 (o FAD/ FADH 2) =-0,22 V

l

Figura 3.16 Flavina mononucleotide (FMN) , un tra sportatore di atomi di idrogeno. Il sito di ossido-riduzione (indicato dal cerchio rosso tratteggiato) è lo stesso sia in FMN sia nel coenzima correlato flavina adenina dinucleotide (FAO, non mostrato). Il FAO contiene un gruppo adenosina legato al gruppo fosfato di FMN.

2

h

l

c

l

H C ~ '-

Citocromo - - - - ' {a)

{b)

Figura 3.17 Struttura di un citocromo . (a) Struttura dell 'eme, la porzione del citocromo contenente ferro. l citocromi trasportano soltanto elettroni, il sito redox è l'atomo di ferro che può alternarsi tra gli stati di ossidazione Fe2+ Fe3.,.. (b) Modello tridimensionale della struttura del citocromo c; l'eme (azzurro) è legato covalentem nte mediante ponti disolfuro ai residui di cisteina nella proteina (blu) . l citocromi sono tetrapirroli , composti da quattro anelli pirrolici.

el ltr ni .

lec l, di na in a pr di cr . cita nece ari

p r di

Citocromi, altre proteine ferrose, chinoni ti p m (Figura 3.17). l ci t rom i . ubi riduzione aura er la perdita o l'acq ui izion eleur nem diante l 'at modiferr n l grupp citocr mo- e2+ :;;:=:::c i t crom -

3+

+ -

me: Cys

s

Cys

s E0delle proteine

Cys

s

Cys

ferro-zolfo, - --0,2 V

s

Cys

Cys {a)

come ci tocromi

a 1, a2 , a1 c

(b)

Figura 3.18 Disposizione dei centri ferro -zolfo di proteine ferro -zolfo non-eme. (a) Centro Fe 2S2 . (b) Centro Fe 4S4 . l legami con la cisteina (Cys) sono in corrispondenza della porzione proteica della molecola.

94

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

E0del CoQ (oss/rid) - O V

Figura 3.19 Struttura delle forme ossidata e ridotta del coenzima O, un chinone. L'unità di cinque atomi di carbonio nella catena laterale (un isoprenoide) si ritrova ripetuta più volte, di solito 6-10 volte. Il chinone ossidato richiede 2e - e 2H + per essere completamente ridotto (c rchio rosso tratteggiato) .

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Quali sono le differenze principali tra i chinoni e gli altri trasportatori di elettroni presenti nella membrana? Quali sono i trasportatori di elettroni descritti in questo paragrafo che accettano 2e - e 2H +? Quali quelli che accettano soltanto elettroni?

ton-m trice .

Generazione della forza proton-motrice: Complessi l e Il Ile

3.11 Respirazione: la forza proton-motrice anche chiam to la r azi ne globa le è

CA Pl T OL O 3 • M ET A B OL l S M O DEl M l CRORGA Nl S M l

CITOPLASMA

Gli elettroni entrano nella catena da un donatore primario di elettroni.

95

Gli elettroni lasciano la catena per riduzione dell'accettore terminale di elettroni (02).

Succlnato Fumarato

Complesso l

4W

+

+

+

Quando FMNH 2 riduce una proteina Fe/S (un trasportatorE di soli elettroni), i protoni vengono estrusi.

, , ,,

AMBIENTE

Eo' (V)

--+0,39 _,, --- 0,0 -------------- +0,1 ----------

tlE0 ' = 1,14V Figura 3.20 Generazione della forza proton -motrice durante la respirazione aerobica . È mostrato l'orientamento dei trasportatori di elettroni nella membrana di Paracoccus denitrificans, un organismo modello per gli studi sulla respirazione. Le cariche + e ai bordi della membrana rappresentano, rispettivamente, H+ e OH . Abbreviazioni : FMN, flavina mononucleotide; FAD, flavina adenina dinucleotide; Q, chinone; Fe/ S,

nel mple un ogni du

proteina ferro-zolfo; cyt a, b , c, citocromi (bL e bH, citocromi di tipo b a basso e alto potenziale, risp ttivamente) . N l sito del chinone gli elettroni sono riciclati da Q a bc 1 dalle reazioni del "ciclo Q". Gli elettroni provenienti da QH 2 possono essere divisi nel complesso bc 1 tra la proteina Fe/S e i citocromi di tipo b . Gli elettroni che passano attraverso i citocromi riducono Q (in due passaggi , un elettrone alla volta) nuovamente a QH 2 ,

ridu e la r

a di

Pa

incrementando cosl il num ro dì protoni pompati nel sito Q-bc 1 . Gli l ttronl che vanno verso la prot in F /S procedono con la riduzion d l citocromo c 1 e poi del citocromo c. Il Compi sso Il , il complesso della succln to deldro nasi, aggira Il Complesso l e inserisce gli elettroni direttam nte n l gruppo del chinone a un E0 più positivo di quello del NADH (si ved la torre degli elettroni nella Figura 3.9).

la p t nza d Il

f rza pr t n- m tri

u-

all a

ATP sintetasi fi nale della cat na di pom pa pr toni . ulla

fa e attam nte la forza proton- m tri ce generata dal 3.20) a det rminar la inteel ttr ni ( i te un fo rte anaJ gia tra il

96

UNITÀ 1 •

l rONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Esterno l

'

(a)

Figura 3.21 Struttura e funzion e deii 'ATP sintetasi (ATPasi) reversibile in Escherichia coli. (a) Rappresentazione schematica. F1 è costituito da cinque diversi polipeptidi che formano un complesso a 3 ~ 3 'Y 8, lo statore. F1 è il complesso catalitico responsabile della interconversione di ADP + P1 e ATP.

(b)

F0 , il rotore, è integrato nella membrana ed è costituito da tre polipeptidi organizzati in un complesso ab 2c 12 . Quando entrano i protoni, la dissipazione della forza proton-motrice porta alla sintesi di ATP (3W/ATP). (b) Modello tridimensionale. Il codice colore è lo stesso utilizzato nella parte (a).

me cani . modi inte i di P e il m cani mo all a ba e d l motore che guida la rotazi ne del fl ag Ilo batterico (~.:> Para ­ grafo 2. 17). nalogamente a come la di ipazion d Ila ~ rza proton-m trice determina una torsion eh fa ruotar i l flag llo, e. sa crea una for1.a rotatoria anche in un grande omp le . o proteico che produce TP. Que to comp les o chi amat T P int ta i o, più brevcment , T Pa i. c TPa. i . ono co tituit da due compo n n ti , un ompl . o mu ltipr tei c ci top la matico, chiamato 1, eh p rge nel citopla. ma ed e egue la intc. i di TP, e una comp nent integrata nel la m mbrana, chiamata F0 , he v lg la funzi n di tra l cazione d gli ioni (Figura 3.21). ' TPa. i atali zza una reazione re er ibil tra TP OP + Pi come m trat nella fi gura. a struttura delle pr tein d Il ' Pa i è altamente con er ata in tutti i domini della vi ta, indi ca ndo che questo meccani mo di o n rvazion dell' en rgia i l frullo e. di un evento evoluti o molto pre ffetti am nt du m t ri r tat ri . Il m

Dato che la traslocazione dei protoni dall'esterno all'interno della cellula porta alla sintesi di ATP da parte deii 'ATPasi, ne consegue che la traslocazione dei protoni dall'interno all 'esterno nella catena di trasporto degli elettroni (Figura 3.20) rappresenta il lavoro fatto dal sistema e una fonte di energia potenziale.

quantitati e del numero di 1-1 + con umati dall ' TP pr dotto indican un num ro fra e 4.

Pasi per

Reversibilità dell' ATPasi 'atti ità della

TP fomi -

n-motri c n c n a l i Ilo d l ub trat nell a fermentazi ne. Verifica - - - - - - - - - - ------------.... In che modo le reazioni di trasporto degli elettroni generano la forza proton-motrice? Qual è il rapporto di H+ estrusi per NADH ossidati attraverso la catena di trasporto di elettroni di Paracoccus mo-

CA P l T OL O 3 •

strata nella Figura 3.20? In quali siti della catena viene generata la forza proton-motrice? Quale struttura cellulare converte la forza proton-motrice in ATP? Come fun ziona?

M ET AB OL l S M O D El M l C RORGA N l S M l

l c la di glu o io a

H2

pu produrre un totale di 38

Biosintesi e ciclo dell 'acido citrico

Ora eh abbiam confìd nza su com la sintes i di P sia accoppi ala al tra. pono d gli lettr ni, dobbiamo prender in consid eraLi one un altr important e asp ll dell a respiraLi onc: la pr duLi ne di 2. a nostra attcnLionc ar, qui concentra ta sul ci l dell 'ac ido citrico (ciclo di Kreb. ), una ia metabolica chi a e pratica mente in tutle le ce llul e c sul ciclo d l gli s il at , una ari azione del ciclo dell 'acido itric n ces~a ri a quand s n r spirati due al mi di carb ni donatori di elettr ni .

Respirazione del glucosio Ciclo del gliossilato

Rilascio di C0 2 e catena di trasporto degli elettroni: la connessione

+

molecole di ATP ( igura 3.22 b).

3.12 Respirazione: cicli dell'acido citrico e del gliossilato

com accctt ra 3.22).

2

97

98

UNITÀ 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA Glicolisi

J

,,,,- • • • • ,.PEP l

t=

,' ' , _, Piruvato . . . . . COz) '

,.1-.-L-,o-ss-a-la_c_e-ta_t_o_p_~_ò_e_s-se-r-e"""' prodotto a parttre ~ai c?mpost! C3 attraverso l aggtunta d t C02.

,'

,~

1 1

,

,

1

1

1

0

NAO•+ CoA

Acetii-CoA

'-~~~~----------.

NADH

2

+

co 2

~CoA

: :

• •

c1trato

"'"tasl

Citrato

2. Il ciclo dell'acido citrico (CAC) inizia quando il composto a due atomi di carbonioa-cetii·CoA condensa con il composto a quattro atomi di carbonio ossalacetato per formare il composto a sei atomi di carbonio citrato.

3. Attraverso una serie

Aconitato

M:~ lato

dt ossidazioni

e trasformazioni, questo composto a sei atomi di carbonio è alla fine riconvertito nel composto a quattro atomi dì carbonio ossalacetato, che può quindi ricominciare un altro ciclo con l'aggiunta della successiva molecola di acetii-CoA.

Fu mara t o

FADH 2 -\ ~ FAO~

Succinato 4. Awengono due reazioni redox ma dal succinato all'ossalacetato non viene rilasciato co2.

CoA

o

ATP (a) Il ciclo dell'acido citrico

Sceda del bilancio energetico della respirazione aerobica {1) Glicolisi: Glucosio+ 2 NAO•

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - 2 Plruvato + 2 ATP + 2 NAOH

{a) Fosforilazione a livello del substrato 2 AOP + P1 {b) Fosforilazione ossidativa {2) CAC: Piruvato + 4 NAO• + GOP +FAO

2NAOH -

t

2 ATP 6ATP

- - - - - - - - - - - - ---------+- 3 CO

{a) Fosforilazione a livello del substrato {b) Fosforilazione ossidativa

GOP + p 1-+- GTP {AD P) {ATP) 4 NADH -+- 12 ATP 1 FAOH 2 -+- 2ATP

{3) somma: Glìcolisl più cAc - - - - - - - - - - - - - - - -

al Complesso l

+ 4 NADH + FAOH 2 + GTP

t t (ATP) l Complesso l al Complesso 11 {si veda la Figura 3.20)

]

15

t

aiCAC

J sATP

ATP ( x ) 2

38 ATP per molecola di glucosio

(b) Resa energetica del clclodell'acido citrico

Figura 3.22 Ciclo dell'acido citrico. (a) Il ciclo dell 'acido citrico (CAC) inizia quando il composto C2 (a due atomi di carbonio) acetii-CoA si condensa con il composto C4 ossalacetato per formare il composto C6 citrato. Attraverso una serie di ossidazioni e trasformazioni , il citrato è convertito in due C0 2 e nell 'accettore della molecola di acetile, ossalacetato. (b) Bilancio complessivo dei composti (NADH/ FADH2) che alimentano la catena di trasporto degli elettroni e della C0 2 generati nel ciclo dell 'acido citrico. NADH e FADH 2 alimentano rispettivamente i Complessi l e Il della catena di trasporto degli elettroni (Figura 3.20).

al piru at

al fo ~ en lpiru at da part d gli nzimi piru-

varo carbo ila i

fosfo

11

lpiru vato ca rbos ilasi, ri p ui a-

m nle ( igura .22). Verifica Quante molecole di co2e coppie di elettroni vengono ri lasciate per ogni molecola di piruvato ossidata nel ciclo dell 'acido ci trico? Quali sono i due ruoli principali che hanno in comune il ciclo dell 'acido citrico e la glicolisi? Perché il ciclo del gliossilato è necessario per la crescita sull 'acetato, ma non er uella sul succinato?

CAPITOLO 3 •

----:-/cetato~ ~

r~

t

••

• • •

...., 1•

M lato

r

Bio lnt

~

l l

Malato

S~ntetaSI

• Gliossllato

Succinato

l

Respirazion e anaerobi ca (a) Ch emiorganotrofia Donatore di elettroni (H 2, H2S, Fe2+, NH 4 + cc .) Trasporto di elettroni/ generazione di pmf

l f • '

Accettori~ so so 4 2- No3-l 0 2 l . di elettroni

lsocltrato

• '

,,

l f

'

Altre fasi del ciclo dell'acido citrico, si veda la Figura 3.22

•

Foto autotrofi Luc

Acetato

Succinato + Malato

Figura 3.23 Ciclo del glio ssi lato. Queste reazioni awengono insieme al ciclo dell'acido ci trico quando le cellule crescono su donatori di due atomi di carbonio, come l'acetato. Il ciclo del gliossilato rigenera l'ossalacetato {dal malato) per far continuare il ciclo dell'acido citrico.

3.13 Diversità catabolica

'-----------'

(b) Ch mloli totrofi

Fo toct rotrofi Somm a: lsocltrato +

lR

Respirazion e nacrobi ca

l

''

Donatore di elettroni (composto organico)

Citrato

•••

•

. Ferm entazione +

99

~

Acetii-CoA

Ossalacet to

METABOLISMO DEl MICRORGANISMI

o;:

o b o

o u..

Compo to organico

' l '

Trasporto di elettroni

co 2 El ttronl da H20 (osslg nica) H2S ( nosslg nica)

Gen razlon dlpmf

Materiale ce llulare

Materiale cellulare

(c) Fotol rofla

Figura 3.24 Diversità ca tabolica. (a) Chemiorganotrofi. {b) Chemiolitotrofl. (c) ototrofi. Si noti comunque l'importanza del trasporto di elettroni che determina la formazione della forza proton-motrice in entrambe le forme di respirazione e nella fotosintesi. smi c

trojia

Respirazione anaerobica

Chemiolitotrofia e fototrofia

100

UNl TA 1 •

l FONDAM E: NT l DEL L A M l CROB l OL OGl A

differenza tra chemiolit tr fì

ne, il processo ana logo alla fo. f rilazion o idativa, atti ato però dalla luce (Paragraf . ). La maggi r parte d i f totrofì assimila no 2 come pr pria fonte di carb nio p rtanto chiamati fotoautotroji. Tutta ia, alcuni fot trofì u an compc ti organici c me f nt di arb ni in i me alla luc c me fonte di energia; que ti son ifotoetero troji (Fi gura .24).

Forza proton-motrice (pmf) e diversità catabolica n l'eccezi ne del! fermentazioni, in ui avvien la ~ . f rilazione a li ve ll o d l sub trato (Paragrafo 3.8), tutti gl i altri mec ani smi per la con erva zion d Il ' nergia impiegan la f rza proton -motrice. he gli elettroni provengan dall 'o -

da process i sidazione di ostan ze organi he o inorgani ch atti ati dalla luce, in tutte le forme di re. pirazion e di foto, in t i la con crvazi n d Il ' n rgia è l gata all 'i nsta uraL.ion di una forza pr ton -m trice e all a ua di si pazion attraer. o l' TPa i per formar TP (Figura .24). nsiderate in qu t m do, la re pirazion a r bi quell a anaerobi ca s no emplicemente variazi ni ul tema differenti accettori di elettroni. Ilo . tesso m do, la h mi rganotr fìa, la chemi olitotrofìa e la fo to. inte i on emplicem nte variazioni . ul tema differenti donatori di elettroni. I l trasp rt di elettroni c la forza prot n-motri c ll ega n tutti qu li proce.' i, raccndo co nverg re quc. te r rme apparentemente molto di v r. e di metaboli smo energeti co in un . hema com une; analiueremo que to argom nto nel apitolo 13. Verifica Qual è la differenza tra chemiorganotrofi e chemiolitotrofi per quanto riguarda i donatori di elettroni? Qual è la fonte di carbonio per gli organismi autotrofi? • Perché si può affermare che la forza proton-motrice è un tema unificante nella maggior parte del metabolismo batterico?

IV • Biosintesi mpi ,

DP

+

gli coge n

DP

+

arà qui f ali zzata ulla bioint i dei bi c h i di co truL.i n delle quattro la · i di macr m lecole: zuccheri (poli accaridi), amin a idi (pr tei n ), nu l otidi (a idi nu lei i e a idi gra i (lipidi). ell ' in i me, la bi sinte i di qu e ti compo ti fanno parte d l m tab li sm chiam ar anabo li mo. Qui edr m anche la bi di poli accaridi e lipidi e ana liaerem come alcuni pr carioti possa no a imi lare azo to ga oso ( 2) c me f nte di azoto cellu lare.

l p lisaccaridi sono co. tiLUenti chi ave dell a parete c llu lar d i mi rorgani mi e pe . o le cell ul e con erva no ri er e di carb nio di en rgia tt f rm a d i po l isa caridi gli geno e amido ( i veda il apit lo 2). m no prodott quc te grandi mol ec le?

Metabolismo dei pentosi e via del pentoso fosfato un atomo

Biosintesi dei polisaccaridi e gluconeogenesi

per questo proce

CA P l TOL O 3 •

101

M ET AB OLI S M O D El M l CROR GA Nl S M l GIUCOSI0-6-P

!

OH ?

HN' l

-o - p= o l

O= C

? O- P= O

Ribulosio-5-P + C0 2

o Il c

Ciclo dell' cido Citrico

N

Ossalacetato

CH Il , CH

Ribosio-5-P

l l

l

o - CH2

HO

l

/

/ R1bonucleotidl

l

OH

NA

Urldin difo fato gluco io (UDPG) (a)

Via del pentoso fosfato, si veda la Figura 3.26

(b)

''

R1bonucleotìdl

NADPHi

La ribonucleotide riductasi dependente da NADPH forma i deossiribonucleotidi.

Deo slnbonucleolldl -+- DNA

(c)

Figura 3.25 Metaboli smo deg li zuccheri . (a) l polisaccaridi sono sintetizzati a partire da forme attivate di esosi come UDPG. (b) Gluconeogenesi. Quando il glucosio è necessario, può essere biosintetizzato da altri composti carboniosi , in genere attraverso gli stadi inversi della glicolisi. (c) l pentosi per la sintesi degli acidi nucleici sono formati mediante decarbossilazione di esosi come il glucosio-6-fosfato. Si noti che i precursori del DNA sono prodotti dai precursori deii'RNA mediante l'enzima ribonucleotide riduttasi.

CH 20P l

Dalla gicolisl

l

HC - OH l HC - OH l

Glucosio 6- -"""'-•1 6-Fosfogluconato fosfato Produzione di NADPH e C0 2

C= O l

CH 20H Ribulo lo 5-fo fato

(a)

Albosio 5-fosfato (C!il

Rlbulo lo 5-fo fato

..,_,...

Xlluloslo 5-fosfato (C5l

}-::":c, 70'c,1 c ( GluconeogenesiJ

(b)

co n7ima.

Verifica Quale forma attivata del glucosio viene usata nella biosintesi di glicogeno dai batteri ? Cos'è la gluconeogenesi? Che funzione svolge la via del pentoso fosfato nella cellula?

Figura 3.26 Via del pentoso fosfato. Qu sta vi gen ra pentosi a partire da altri zuccheri p r biosintesi e funziona anche per catabolizzare gli zuccheri pentosi. (a) Formazione dell'intermedio chiave ribulosio 5-fosfato. (b) Altre reazioni nella via del pentoso fosfato.

ria

3.15 Biosintesi degli aminoacidi e dei nucleotidi

Monomeri delle proteine: aminoacidi

l mon meri che cost itui n le prot in ci sono risp ui vam nte g li amin acidi bios inte i ono tipi camente co tiruit da ie mctab li ch a più stad i, eh non abb iamo la ne e it di esami nar qui. Id nti -

li rgani mi hc n n p s n ami n acidi pr f rmati da ll ' ambient partir dal g lu . i da altr f nli . grupp ti in famiglie truuuralm nt n di er. i pa aggi bi

um remo i

tuui i l ro uni . int ti uarli a acidi . on raghe co ndi id -

102

UNl T À 1 •

r~----•

l FONDA M ENT l DEL L A Ml CRDB l OL OGl A Famiglia dell'alanina Valina Piruvato - - - · Leucina

Glicolisi

!t----••

3-fosfoglicerato . . .

Fosfoenolpiruvato

1

---4~

'>,.

Corismato Eritrosio-4-P (dalla vie del pentoso fosfato, Figura 3.26)

Famiglia della serina Glic1na Cisteina

~ a-chetoglutarato . . .

Ciclo dell'acido citrico

Famiglia degli aromatici Fenilalanina Tirosina Tryptophan

Lossalacetato

--+

Famiglia del glutammato Prolma Glutamina Arginina Famiglia dell'aspartato Asparagina Lisina Metionina Treonina lsoleucina

(b)

(a)

Figura 3.27 Fam iglie di aminoacidi. La glicolisi (a) e il ciclo dell'acido citrico (b) forniscono gli scheletri carboniosi per la maggior parte degli aminoacidi. La sintesi dei vari aminoacidi di una famiglia può richiedere molti passaggi a partire dall'aminoacido parentale (indicato, come nome della famiglia, in grassetto).

g lutammat pu d nare il uo grupp am mini co all' alacetat .in un a r azione di tran am in azione, produc ndo -eh togl utarat e a partat ( i g ura .28c). ]n alternati a, la glutamm in a pu reagire c n l 'o:-che toglu tarato p r f rmare du m l c le di glutam mat in una reazi n amminotran f ra ica ( igura 3.28d). Il ri ul tato fina le di qu ti tipi di r a i ni il tra ~ rim nt

tata in rp n Il a glutammina il grupp • mmini per formar altri com p ti az tati . P r

NADH

(a) a-chetoglutarato + NH3

\

dell'ammoniaca in

ari

h letri di carb ni

er , il

N~2 Glutammato

l

Glutammato deidrogenasi

ATP

N~2 N~2 N~2 (b) Glutammato + NH 3 -~G.òll lu. ta.:: mmi-na- Glutammina sintetasi

N~ l

N~ l

(c) Glutammato + ossalacetato -

a-chetoglutarate + aspartate

Transamlnasl

NH 2 l

NH 2 l

NAOH \

NH 2 l

(d) Glutammina + a-chetoglutarato Glutammat~ 2 Glutammato slntetasl

Figura 3.28 lncorporazione di ammoniaca nei batteri . Sia l'ammoniaca libera (NH:J sia i gruppi amminici di tutti gli aminoacidi sono mostrati in verde. Le due vie principali per l'assimilazione di NH 3 nei batteri sono quelle catalizzate dagli enzimi (a) glutammato deidrogenasi e (b) glutammina sintetasi. (c) Le reazioni delle transaminasi trasferiscono un gruppo amminico da un aminoacido a un acido organico. (d) L'enzima glutammatb sintetasi forma due molecole di glutammato da una molecola di glutammina e una di a-chetoglutarato .

Verifica---------------------... • Cos'è una famiglia di aminoacidi? Elencate i passaggi richiesti per incorporare NH 3 negli aminoacidi. • Quali basi azotate sono purine e quali pirimidine?

3.16 Acidi grassi e lipidi l lipidi ono i prin ipali c mp pia mati he di tutte le el l ul

membrane ci t Ila m mbrana terna d i

CA Pl T OL O 3 •

M E1 A B O L l S M O D El M l C RORGA N l S M l

103

Gruppo -..:;:::::::--+1:-~-..!.. formile (dall'acido folico) Acetoacetii -CoA

Azoto amidico della glutammina (a) Scheletro delle purine Biosintesi delle purine

Acii -ACP

?i /

Acido aspartico

HN,-C ~H

/ o,

N H

~

co2

co 2

OH

(c) Acido orolico

OH

(d) Uridilato

Biosintesi d Ile pirimidine Figura 3.29 Composizione delle purine e delle pirimidine. (a) Componen ti dello scheletro delle purine. {b) L'acido inosinico, il precursore di tutti i nucleotidi purinici. (c) Componenti dello scheletro delle pirimidine, l'acido orotico. {d) L'uridilato, il precursore di tutti i nucleotldi pirimidinici. L'uridilato è formato dall'orotato in seguito a una decarbossilazione e all'agg iunta di ribosio 5-fosfato.

Figura 3.30 Biosintesi dell'acido grasso C 16 p alm itato. La condensazione di un c tii-ACP e di un malonìi-ACP forma l'acetoacetii -CoA, Le unità di c tile ag iunt succ ssivam nt provengono d l maionii-ACP.

a-

ba.

Biosintesi degli acidi grassi li a idi gra. si . no bi int ti zzati m diant l ' in rim nto di du al mi di arb n i all a o Ila razi all 'alti vità di un a P).

d . aturazion

at mi di car

feria e

cic a . p cie pu ari ar in una dell differ nze n Il a l mp ratura di r

llul aria da p l tura pura a c, u a a r . cita a

' LI -

giunti a una m l i (gra . i), tuui e tr ritìcati n gli degli at mi di

104

UNl TA l

• l FONDAMENTl DELLA Ml C ROBl OLOGl A

Tabella 3.5 Alcuni organismi azoto-fissatori 8 Aerobi a vita libera

Chemiorganotrofi

Fototrofi

Chemiolitotrofi

Azotobacter Azomonas Azospiri/lum Klebsiellab Methylomonas

Cianob tteri (per es mpio. Anabaena, Nostoc, Gloeothece. Aphanizomenon)

Afcaligenes Acidtthiobacillus

Anaerobi a vita libera

Chemiorgano trofi

Fototrofi

Chemiolitotroff

Clostridium Desulfotomaculum

Batteri porpora (per esempio, Chromatium, Rhodobacter') Batteri verdi (peres m io, Chlorobium) Eliobatteri

Methanosarcina Methanococcus Methanocaldococcus

Simbionti

Piante leguminose

Pian te non leguminose

Soia, pisello, trifoglio ecc., in assoOntano, mirica, olivo autun ciaz,one con un batt rio del g nere naie, molte altre piante ceRhizobtum, Bradyrhìzobium, spuglio, 1n associaz1on con con l'act1nomicete Frankia Sinorhizobium "In ciascuna cetegona sono elencati solo alcuni. s. conoscono molte altre spec1e d1 azoto-fissatori. bLa fissazione dell'azoto aW19119 solo 1n condiZioni anossiche. cSono tutt1 Archaea.

gli er l dei lipidi di membrana degli A rchaea c gruppo p lare (zucchero, fo. fa to, . !fa to omp st rgani P lar ). l gruppi p lari sono importanti nei lipidi p r formare l 'ar hitettura tipi a d Il a m mbrana: un a reg i n int rn a idr fobi ca c n sup rfì ci idr fì liche (et.:> igura 2. 17). Verifica - Spiegate perché gli acidi grassi vengono sinteti zzati mediante aggiunta di due atomi di carbonio alla volta anche se il diretto donatore di questi atomi di carbonio ne contiene tre. Quali differenze esistono nei lipidi dei tre domini della vita?

3.17 Fissazione dell'azoto oncludi am la trattaLione d Ila bi os intesi esa mi nando la form aLi on d ll 'a mmoni a a ( H 3) dall 'awto gass so ( 2), un pro e . noto c m fì azi on · dcii azoto. 'a mmoni aca prod tta iene ass imil ata nell form e organi h , come ami noac idi e nucleotidi . L a ca pac ità di fì . sare l 'az to rende un organi. mo libero dall a dipendenza d Ila di . ponibilità di aL t fi. . ato nel . uo ambi ent e nfe ri ce un notevole antaggio eco logico qu ando l 'azot fì ato limitai . Il proce .. o di fi ssaLi n dell 'az to ri e le an he un 'enorm e importanLa dal punto di i ta d Ila pr du zi ne gri la, in qu anto s sti enc l ri chi t di aL t di Ili a.doni eco nomi ca mente ril evanti ,

not Prote1n

alcun

rgani m

S

Nitrogenasi

Figura 3.31 Struttura del FeMo-co, il cofattore ferro -molibdeno della nitrogenasi. Nella parte sinistra è riportato il cubo Fe7S8 che si lega a Mo insieme agli atomi di O dell'omocitrato (a destra , tutti gli atomi di O sono in porpora) e gli atomi di N e S della dinitrogenasi.

ar ni del gli cer lo . i lega a una molecol a di fo fato, di et n !ammina, di un carb idrato di un ' altra tan za p lare (et.:> igura 2. 14a). bb ne neg li A rchaea i lipidi di membrana ian c truiti a partire dall ' isopr ne per f nnare aten lat rali di fì tanil e ( 15) o di bifìtanil e ( 30 ), lo cheletr di

l gi a dell 'azot ca tali zzata da un grande mpl es. enzim ati c chi amato nitro[?enasi. L a nitrogenasi c . tituita da clu di erse protein e: la dinitro[?enasi e la dinitrof?enasi redurwsi. ntra mbe co nt ngono f rr e la di nitrogcna. i contiene anch m libdeno. Ila dinitr g na. i i l f rro e il mol ibd no fann o pan e di un c fatt re enzim ati co chi amato cofattore fe rro-molibdeno (FeMo -co) e la era pr pri a ridu zi n di izi ne del

mbran limitati a poche n mctan (m tanogeni ); almeno una di rese re e fì .. ar 2 a temp rature molt

CAP l T OL O 3 •

M ETA BOL l S M O DEl Ml CRORGA Nl S Ml

105

Electron i per la nitrogenasì

16 ATP~

(a)

(b)

16 ADP + 16 P1

Attività della nitrogenasi

Gli elettroni son~ trasferiti alla dm1trogenas1 uno alla volta. Per ogni elettrone sono consumati 2 ATP.

~

Dlmtrogenasl Dinltrog n l (Ossidata) ~ (R idotta)

~

2 NH 3

N2

(a)

r

Somma: H2 N= N..!.!;!.. HN NH (16

.l.!:!..

.!!i. 2 NHa

H2N NH 2 ATP--+ 16 ADP + 16 PJ

(c)

(b)

Figura 3.32 Protezione delle nitrogenasi in Azotobacter vinelandii e nel cianobatterio Anabaena. (a) Micrografia elettronica a trasmissione di cellule dell'azoto-fissatore A. vinelandii cresciute in presenza di 0 2 al 2,5%; è visibile uno strato mucose molto limitato. {b) Cellule cresciute all'aria (21% 0 2) . Si noti l'esteso strato mucose scuro (fr ccia). Lo strato ostacola la diffusione di 0 2 nell cellula, imp dando così l'inattivazione da 0 2 della nltrogenasi. (c) Fotomicrografia a fluorescenza di una cellula del cianobatterio filamentoso Anabaena che mostra una singola eterocisti (in verde). L'eterocisti è una cellula differenziata che è specializzata nella fissazione dell'azoto e protegge la nitrogenasi dall 'inattivazione da parte deii'02 .

Figura 3.33 Fissazione biologica dell'azoto attraver o la nitrogenasi. Il complesso nitrogenasi è composto da dinitrog nasi e dinitrog n si r dutt si.

Flusso di elettroni nella fissazione dell'azoto

106

JNITA 1 •

l FONl1AMENTI OELLA MICROBIOl OGIA

Atmosfera, 10% C2 H2 in aria (aerobi) oppure 10% C2 H2 in N2

Y

o("go (ooa:o:~ HC :: CH Acetilene

Registrazione del cromatogramma

H,c~cH,) Etilene

Nitrogenasi

(Incubazione J Contenitore sigillato contenente la sospensione cellulare

Periodicamente sono presi campioni dello spazio di testa e iniettati nel gascromatografo.

l

Jl ... Tempo O

... 1h

2h

Figura 3.34 Il saggio di riduzione dell'acetilene per misurare l'attività della nitrogenasi nei batteri azoto-fissatori. l risultati mostrano che l'etilene (C 2 HJ non è presente al tempo O, tuttavia la produzione di C2 H4 aumenta con il procedere del saggio. Si noti come man mano C2 H4 è prodotto , una corrispondente quantità di C2 H2 è consumata.

Saggio della nitrogenasi: riduzione dell'acetilene

certa d ll ' a

L e nitrogcna. i non sono sp cifich e. clu i am nL per 2 perché p s. no anche ridurre altri compo ti con tripl i l gami, H). a riduzione del l 'a etil ne da c m l'acetilene ( l part della nitr gena. i un proce o che coi n olge . ol due el tlr n i con l'etilene ( H 2 = H 2) m pr d ll finale. utta ia, la riduzione dell'aceti lene a et ilene f rni . ce un m Lod mp lice (Figura 3.34 .

iene . uccessi am nte analizzata per pre. enza di per mezz della gascromat grafia ( igura . 4).

==

Verifica Scrivete l'equazione bilanciata della reazione catalizzata dalla nitrogenasi. Che cos'è FeMo-co e cosa fa? In che modo l'acetilene è utile per gli studi sulla fissazione dell'azoto?

CONCETTI FONDAMENTALI TP)

CA Pl T OL O 3 • M ET A BOLI S MO DEl M l CRORGA Nl S Ml llul a, l D DII om

107

uti li11an

li aminoa ·idi ~ no form ati a pani re d a~ ·h ' l tri di carb ni a ui i ·n aggiunta l 'a mm nia a pro' ni nt · dal •lu tammat dalla glutamm ina da qual h ' altr aminoa ·id . l nu ·l t idi bi o, int ' ti11:lli u\a ndo di v r\ • font i di ·arboni o.

o~ tilllit

da ondo va l ri

3.16 • li ac idi gra,s i sono -,intctill ati a partir · dal pr · ur~ o r • a tr• :nomi di ·arbonio malonil P c gli a idi gra ss i compl •ta mc nt · formati 5 no lega ti al glie ·rolo per f rmar • i lipidi . o lo i lipidi di Bacterio c Eu/..a r ·a c nt n •ono a ·idi •rass i. tipi cam ·nt • di lungh ' / / a t - 18. 3.17 • La ridu1ion • di 2 a 11 , chiamatafì w 11ion d •ll 'a' t cd • ·atali11at a dall 'cn,ima nitrogc nasi . La nitro •c n a~ i \ ·o mp o ~ta da du protcin ·, dinitrogcnasi dinit m •cnasi rcdutt asi. L 'atti it ~t l Ila nitrogcnasi pu ·"cr · anali11ata utili11ando. in sostitution • di 2, il composto a etil ene contente un tripl o l ·gam -, h la nit rn' nas i ridu a til •n ·

DOMANDE DI RIPASSO l.

2.

3. 4.

S.

Perché il carboni e l'az to n macronu tri enti mentre il cobalto un mi cronutrient ? ( Parag ra ~ . l ) Perché il seguente terren non d vrebbe essere con iderat un terreno himicamente definito: gluco io, 5 gramm i (g); H4 l, l g; KH 2 P 4 , l g; g 4 , O, g; e tratt di li evi t , 5 g; acqua distil lata, l litro? (Paragrafo 3.2) hc co a . n le te niche a ettiche e perch s no ncce arie? ( Paragraf .2) qu ale clas e energeti a appart iene Escherichia coli? - Thiobacillus thioparus . ome pu aiutarvi ari p ndere il contenuto d Il a ab Il a .2? ( Parag ra ~ Descri vete c me cal olere te 6 per la reazi ne:

K.

IO. Il. 12. 13.

0

glu

6. 7.

9.

io

+6

2

6

2

+ 6H 2

dice. sero che que ta reazione altamente esoergonica, quale arebbe il segno aritmeti co (negati o o po it i vo) del 6. 0 che i a pettate per que ta reazi ne . (Paragrafo 3.4) Di tin gu te tra 6.G Ce (Paragrafo .4) Perch gl i enzim i no nece ari al la cell ula? (Parag ra ~ .5). Quella che ·egue una eri e di coppie di donatori e a cettori di and i dati rip relettroni ( critte com d natorc/a ctt re). tati nella igura 3.9, ordinare que ta cric dall e fonti di maggiore energia a quelle di mi nore energia : Hf·e3+, H2 /0 2, meta-

0,

p.

14.

15. 16. 17.

1 (con prod uzione di 2 ), Hf 0 2 , c2+ l 2 , 2 l H2 0 3 . ( l aragrafo .6) il p tenziale di riduzione dell a coppia o+ AD H? ( Parag ra ~ 3.6) Per hé l 'a etil fo fato on. idcrato un compost ad alta energia e il glucos io 6-fos fato no? (Paragrafo 3.7) ome viene prodotto l ' T P nell a ferm cnta1ione e nella respi razione? (Paragrafo 3. ) Dove vien prodotto e dove viene con. umato il DH nella glicoli si ? (Paragrafo 3.8) l tre al l 'acido !atti o c all 'etanolo, elencate 'llcun i altri prodotti del la fermentazione che possono es. ere generati quand i l glucosio fermentato attrave rso la glicoli si. (Paragrafo 3.9) Elencate alcuni dei tra pol1atori di elettroni impan anti che si trovano nell a catena di trasporto deg l i elettroni (Paragrafo 3. 10). o a . 'i ntende con fom1 proton-motri ce e c me iene generata? ( Paragrafo 3. 11 ) ome viene u ata l 'energia di rotazione nell ' T Pa i per produrre TP (Paragraf .Il )? Quant TP i n pi Lt produce la respira;.ione ri p tto al la fermentazione? rivete una fra. che pi eghi que ta differenza. ( Paragrafo 3. 12)

nolo/ Fe3+ e ual

108

UNl TA 1 • l FONDAMENTl DELLA Ml CROBl OLOGl A

18. Perché si pu an rmare che il ciclo dell'acido citrico sv lge due ruoli principali n Ila cellula (Paragrafo 3.12)? 19. Qual è la principale differenza tra respirazi ne c re. pirazion anaerobica? uale opzi ne metabolica produrrebbe più energia c perché . (Paragrafo 3. 13) 20. Quali sono le due vie cataboliche che forni cono gli scheletri di carbonio per la bio. intesi degli zuccheri e d gli aminoacidi? (Paragrafi 3.14 e 3. 15)

2 1. De crivete il proce so ellulare mediante il quale viene sintetizzato un acid gra o c me il palmitat (un acido grasso 16 ·aturo a catena l ineare). (Paragrafo 3.16) 22. ual è la re. zi ne e gui ta dall 'enzima nitrogenasi? ome potrebbe la capacità di fi are l 'azoto aiutar un batt rio a e ere pill competitivo nel uo ambien te? (Paragra~ 3.17)

PROBLEMI t.

2.

Pr gettate un terreno di coltura definito per un organi mo che pu ere cere aerobicarnente utilizzando acetat come fonte di carb nio e eli energia. ccertatevi eh tutti i nutrienti nece ari all'organismo siano presenti e nelle corrette proporzi ni relative. Desulfovibrio pu ere. cere anaerobicamente con H2 come d come accettore di elettroni (che viene ridotto natore e a H 2 ). In ba e a questa in~ rmazi ne e ai dati riportati nella Tabella 1.2 ( ppendice l), indicate quali dei cguenti o mponenti non p trebbero e i t re n Ila catena di trasport degli , ubichinoelettroni di que t organi mo e perché: citocrom ne, ci t cromo c3, cit cr mo aa 3, ferrodo ina.

1-

3.

ando empre i dati della Tab Il a

1.2, ipotizzare la sequen-

za dei tra portatori di elettr ni nella membrana di un organi. mo

4.

eh ere ce aerobicament e produ e i eguenti tra portatori di lettroni: ubichin n , citocrom aa 3, ci t ramo b, H, citocr mo c, F piegate la eguent o ervazione alla luce della t rTe reelox : le cellule di Escherichia oli che fermentano il glucosi ere cono pill vel cemente quando alla coltura viene fornito 0 3 (con pr duzione di 2 ) e anc ra pill vel cemente (con ces azione eli pr duzi ne di 2- ) quando la co ltura viene vigorosamente aerata.

L'essenza della vita: microbiologia molecolare Come vele senza dubbio sco erto, 1microrg nismi possie dono una g mm sorprendente di capacit metabolich . La matrice genetic delle singole cellule è responsa ile degli at tribu ti distintivi osseNati in tutte le forme di vita. Mentre ue sto depos1to di inform 7ioni deve essere protetto e tr sm sso di gen razione in generazione, le informazioni devono anch "prendere vita" per consentire alle cellule di eseguire una serie ingegnosa di attività Interessanti. Questo flusso di in formazioni biologich essenziali al DNA piuttosto inerte ali sintesi di proteine e enzimi fon m ntali p r la sopr Wl venza cellulare è noto come dogm centr le d Ila v1t . La microbiologia molecol re è stat l pi tra angol re che h consentito di comprendere le singole fas1 del dogm centrale: replicazione del DNA, trascrizione d l DNA in RNA, e traduzio e deii'RNA in proteine. Con l'awento di t cn1ctìe i av nguardi , ancor oggi aw ngono nuov scop rte cor rei te a questi processi biologici es enz1ali. Per esempio, i microbiologi possono oggi in iv1duare la posizione di speci fiche molecole n Ile cellule vitali utilizzando marcatori fluore se nti e la microscopia a fluorescenza a super risolu ione. Le fo tografie qui accanto illustrano l'utili7Zo della m1croscopia a fluorescenza e dell marcatura proteica in cellule di Escheri chia coli in ttiva crescita per v1su lizzare realmente le RNA polirn rasi e i ribosomi, due macchinari cellulari essenziali al dogma centrale, in az1one. L'Immagine risultante mostra che la m ggior parte dei ribosomi, "le fabbriche di proteine," si trova alle estremità della cellula e nella regione in cui si forma il setto durante la divisione cellulare (fotografia in alto, in verde), mentre le RNA polimerasi sono associate al DNA cromosomico nella regione del nucleoide, che è localizzato al centro della cellula (fotografia centrale, in rosso). La sovrapposizione delle due immagini (fotografia in b sso) ci permette di vedere che nelle cellule batteriche l'organizzazione spaziale del flusso di inform zioni biologiche esiste realmente, nonostante tali cellu le siano prive di organelli.

8 ksh1, S .. A. S1rya rn . M. ouli and J.C. Wci Il olut1on 1ma 1n or ri osom s an RNA polym r s cells. Mol ular Mtcrobtology 85. 21 38.

r. 2012 Su

rres

Matrice della vita: struttura del genoma batterico 11 O Il Trasmissione dell'informazione genetica: replicazione del DNA 118 111 Sintesi deii'RNA: trascrizione 123 IV Sintesi delle proteine 130

110

UNITÀ 1 • l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

l • Matrice della vita: struttura del genoma batterico Basi pirimidiniche

4.1 Macromolecole e geni

Basi puriniche

o H3C

o

N H

N H

NH 2

H

Citosina (C)

Timina (T)

Uracile (U)

Adenina (A)

Guanina (G)

DNA RNA

solo

solo

DNA

RNA

DNA RNA

DNA RNA

(a)

oFosfato -----._

0

b0 l

Posizion e

5'--....__?s• Base - - Base azotata legata alla posizione 1' 1'

H2 C

'l·-::--H

:'H Legame - - fosfodiestere

o

O

Deossiribosio

'--'-......... oH neii'RNA

l - o - P= O

H

l

o (b)

Figura 4.1 Componenti degli acidi nucleici. (a) Le basi azotate del DNA e deii 'RNA. Considerando il sistema di numerazione degli anelli, si noti che il legame al carbonio 1' del lo zucchero fosfato si instaura con l'azoto N-1 per le pirimidine e con l'azoto N-9 delle purine. {b) Parte di una catena di DNA. l numeri sullo zucchero del nucleotide sono seguiti da un "pri mo" (') perché gli anelli delle basi azotate sono numerati. Nel DNA un atomo di idrogeno è presente sul carbonio 2' dello zucchero pentoso, mentre neii'RNA, nella medesima posizione, è presente un gruppo OH . l nucleotidi sono uniti mediante legami fosfod iestere.

CAPITOLO 4 • MICROBIOLOGIA MOLECOLARE

111

H N- H··· ... O

Citosina

r,---/

f( f

Scheletro ..-

~N········H-

O·T··

'\

>=N

~

'\.

Scheletro

Legame H idrogeno H Ti mina

Acidi nucleici: DNA e RNA \

Scheletro /

Scheletro

Figura 4.2 Appaiamento specifico tra guanina (G) e cito sina (C) e tra adenina (A) e timina (T) mediato da legami idrogeno. In questa figura sono Indicati gli pp lam nti di base tipici del DNA a doppio filam nto. Gli atomi eh sono localizzati nel solco maggiore della doppia lic e eh intera lscono con le proteine sono evid nzlatl in rosa. È inoltre vid nziata anche la posizione dello scheletro di deossiribosio fosf to del DNA. Per i due fi lamenti di DNA si è utilizzata un diff r nt sfumatura di verde, convenzione che sarà adottata in tutto il libro.

d !l ' in 1m Figura 4.3 . l.

2.

zi n .

Geni e fasi di trasferimento delle informazioni

p

di

in lr

a i

112

UNITÀ 1 •

l FO NDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Replicazione Trascrizione Il filamento verde scuro è lo stampo

~''''""'' d•II'RNA.

DNA polimerasi

A

S'

GAG G

3' 3' 5'

RNA polimerasi

A.

h u,;ono L'RNA messaggero

è lo stampo per la sintesi delle proteine. mA NA

S'

3'

Figura 4.3 Sintesi dei tre tipi di macromol ecole informazionali. Si noti che, di solito, per ogni particolare regione di DNA solo uno dei due filamenti è trascritto.

più avanti v dr mo eh alcun i vi ru Paragrafo 1.2) i l no que to pr inter santi (si vedano i a1 itoli e 9).

~i)

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Che cos'è un genoma? Quali sono i componenti di un nucleotide? In cosa differisce un nucleoside da un nucleotide? Quali sono le tre macromolecole informazionali implicate nel trasferimento delle informazioni genetiche? In tutte le cellule ci sono tre processi responsabili del trasferimento delle informazioni genetiche, quali sono?

4.2 La doppia elica

CAPITOLO 4 •

MICROBIOLOGIA MOLECOLARE

Filameneti di DNA

A

113

Un giro d'elica (10 coppie di basi)

.l

•••

\

Legami

H

H

idro~eno H

nm

Scheletro zuccherofosfato

::>

G

H

H

T

H

Legame fosfodiestere

__ 0

l

~

=o

3,4

...

V

H

H

{

C ... D

H2

~

H 3'-idrossile

Figura 4.4 Struttura del DNA. Complementarietà e antiparallelismo dei due filamenti in una doppia elica di DNA. Si noti che a ogni estremità della doppia elica un filamento termina con un gruppo 5'-fosfato, l'altro con un 3' -idrossile. Le basi in viola rappresentano le pirimidine ci tosina (C) e timina (T), quelle in giallo le purine adenina (A) e guanina (G).

Figura 4.5 Modello al computer di un breve segmento di DNA che mostra la struttura generale della doppia elica. Una delle impalcature zucchero-fosfato è in blu , l'altra in verde. Le basi pirimidiniche sono in rosso, le puriniche sono in giallo. Si noti la collocazione dei solchi maggiore e minore (si confronti con la Figura 4.2). Un giro d'elica contiene 10 coppi di basi.

ulta

. re

ntin aia di

IL più lun

Superavvolgimento del DNA al

minore). regi n i principali della mol cola di D interag isc n con l proteine ono mostrate nella igura 4.2.

Dimensioni e forma delle molecole di DNA La dim ension di una rn ol ola di e pr a co me numero di basi nu cl ot idi che o paia di ba i (bp, base pair ). e conscgu che un a moleco la di D di l 000 ba i orri . ponde a l ki/ohase (kb) di D . e il in que. ti one una doppaia di kilobasi (kbp, kilo li ca di 50 O bp pu

da olgi-

114

UNITÀ 1 • l FO NDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

---

--- - - - ---

(a) DNA circo lare rilassato

', Nucleoide l

\ l ., -T, _ _ _ ___..s

(b) DNA circolare rilassato,

contenente una rottura

l

Rotazione di un'estremit à del filamento rotto attorno all'elica e saldatura.

(c) DNA circolare superavvolto

Figura 4.6 Superavvolgimento del DNA. (a-c) Conversione tra DNA circolare superavvolto e DNA circolare rilassato a seguito della una rottura di un legame fosfodiestere su un filamento della doppia elica di DNA. (d) La doppia

(d) DNA cromosomico con domini superavvolti

elica di DNA del cromosoma batterico non è formata da una singola molecola superawolta, ma è organizzata, come riportato nella figura, in svariati domini superawoltl. (e) Immagine di E. coli contemporaneamente a con trasto di fase

e a fluorescenza che illustra la posizione del nucleoide all 'interno delle cellule in crescita . Le cellule sono state trattate con un colorante fluorescente specifico per il DNA e il colore è stato invertito per mostrare i nucleoidi in nero.

lgim nti n gati vi nel D inteJTuzioni up ra del doppi fì lament (Figura 4.7). ed rem in guito eh gli mo lto le at

lcuni antibioti i ini bi gira i , tra qu t i i hin Ioni ( m Au r hin l ni (come la cipr Ilo ac i-

La DNA girasi interrompe

- ( ;?"'

il DNA su entrambi

Una parte del ce rchio è posta sopra l'altra.

La doppia elica si tocca in due punti.

AJ

,. . J--v"Vv "'

;> è

\.

~:t ;:;n,;;.~,:~:.~~mto

?..., rla-d-:-o-p-p-ia-""

,.;J

La rottura dei due

elica integra viene fatta passare attraverso la rottura .

~-

S t"'/v$ "V

7.'\n--.J~

DNA circolare rilo to

Figura 4.7 DNA girasi. Introduzione di un superavvolgimento negativo in una molecola di DNA circolar grazi rotture del doppio filamento operate dalla DNA girasi (una topoisomerasi di classe Il).

A seguito dell'attività della DNA girasi si sono formati due superawolgimenti negativi. DNA

superavvolto

CAPITOLO 4 • MICROBIOLOGIA MOLECOLARE

115

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Che cosa s'intende con il termine "antiparallelo" in relazione alla struttura del DNA a doppio filamento? Definite il termine complementarietà quando utilizzato in riferimento ai filamenti di DNA. Che cosa rende le coppie GC più forti di quelle AT? Perché il superavvolgimento del DNA è importante? Quale enzima favorisce il superavvolgimento?

4.3 Elementi genetici: cromosomi e plasmidi

Organizzazione dei geni nel cromosoma di Escherichia coli

L

mo

mi .

Tabella 4.1 Tipi di elementi genetici Organismo

Elemento

Tipo di acido nucleico

Procarioti

Cromosoma

Dop io filam nto d1 DNA

strem m nt lun o,

ne lmente c1rcolar

Eucarioti

Cromosoma

Doppio fil m nto di DNA

strem mento lungo,

ncr lm nte lln re

Tutti gli organismi

Pl smid

Doppio filam nto di DNA

P r lo piu i p1ccole dmens10n1, c1rcol re o hn re, xtracromosomal

Tutti gli organismi

El ment1 tr spon1blli

Doppio fi lam nto di DNA

S m re 1ns nto 1n un' ltra molecola di DNA

Mitocondri o cloroplasti

Genoma degli organ Ili

Doppio fil mento di DNA

Di media lu

Virus

Gcnom d91 wus

Singolo o doppio fil mento di DNA o RNA

Rei tiV m nte breve, Circolare o lineare

'l plasmidi non sono comuni negli eucanott.

Descrizione

heua, g neralm nt circol re

116

UNITA 1 •

ma/T

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

[fuherichia coli

L

K-9

4 639 675 bp

J trpEDCBA 14

Figura 4.8 Il cromosoma di un ceppo di Escherichia coli K-12. Le distanze sulla mappa sono in 100 kilobasi di DNA. Il cromosoma contiene 4 639 675 paia di basi e 4288 fasi di lettura aperte (equivalenti ai geni). A seconda del filamento di DNA, sono indicate le posizioni di pochi geni e operoni. La replicazione (Figura 4.3) procede in entrambe le direzioni a partire dall'origine di replicazione del DNA, oriC, evidenziata in rosso.

Figura 4.9 Il cromosoma e i plas midi batterici vi sti al microscopio elettronico. l plasmidi (indicati dalle frecce) hanno struttura circolare e sono molto più piccoli del DNA cromosomale. La cellula (la struttura bianca di grandi dimensioni) è stata lisata delicatamente per mantenere intatto il DNA.

Principi generali dei plasmidi

non hanno un a forma e tra llular la, ono moleco le di D lib r . n n t mi gliaia di di cri plasmidi. Infatti, . !tanto da ceppi di n tati i. o lati più di 00 pia m idi naturali. ua i tutti i plasmidi con iuti no co tituiti da una molec la di D a d ppia eli a la gran parte di . i presenta una truttura di forma ci r lare, non tante iano noti an he pia midi lineari. aturalm ente, e iston pia midi di dif~ rente grandeaa, da cir a l paio di kil ba. i a ltr l pai di megabasi. li pia. mide tip una m lec la cir -

Tipi di plasmidi ni

CAPITOLO 4 • MICROBIOLOGIA MOLECOLARE

117

Tabella 4.2 Esempi di caratteristiche associate alla presenza di plasmidi nei procarioti Organismo

Tratto

Produzione di antibiotici ca t

Coniugazione Funzioni metaboliche ~

Torbidità / (densità ottica)

0,50

o

Q. ~ E o -~

'(ii

c

8

Q)

o

-'>

0,25

7

6

Tempo Figura 5.11 Tipica cu rv a di crescita di una popolazione batterica. La conta vitale permette di d terminare il numero di cellule di una coltura microbica capaci di riprodursi. La densità ottica (torbidit ), una misura quantitativa della luce assorbita da una coltura liquida, aumenta all'aumentare del num ro di cellule.

CAPITOLO 5 •

CRESCITA MICROBICA E SUO CONTROLLO

157

Fase di latenza

Fase di crescita esponenziale misurar Verifica - - In quale fase della curva di crescita le cellule si dividono in un periodo di tem po costante? In quali cond izioni non si ha una fase di latenza? Perché una popolazione cellulare entra in fase stazionaria?

5. 7 Colture continue

Fasi stazionaria e di morte In una coltura in bat h la ere cita e p re mantenu ta all ' infinito. i c n ideri h una in g la ce llul a di un batteri eh p a un trili on im (10- 12) di grammo e che ere e p nenzialm nte n un t mp di generazi ne di

158

UNITÀ 1 •

FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

li rreno fresco dal serbatoio

Aria o altri gas sterili

/ /

Regolalore diflusso

_. Spazio

di lesta

gassoso Recipiente di ooltura

Coltura

1 / ./

Efflusso ~i ooltura

1n eocesso

Effluente contenent le cellule microbiohe

miLan

Figura 5.12 Schema di un dispositivo per la crescita continua (chemostato). La densità di popolazione è cooiTollata dalla concentrazione d l nutriente limitante nel terreno di coltura fresco, mentre la velocità di crescita è controllala dalla velocità di flusso. Entrambi i parametri possono essere controllati dallo sperim ntatore.

.

Parametri che .. nftuenzano a cresérta

1n chemostato

Chemostato

l

~

~ ootL------------------'~

o

Diluizione a estinzione

o

0,1

0,2 Cooc:enttaDone dj

0.3

Figura 5.13 Effetto dei nutrienti sulla crescita Rapporto

tra concentrazione di nutrien ·

·m e resa

cellu e curva rossa) · una COltura in batch (si's1eR11a La eloci a1 • e la resa MJJIUiare dalla concentrnzione dei n •

CA Pl T OL O 5 • CRESCl TA M l CROB l CA E SUO CONT ROL L O

159

e er mp izion conopra vi ere all a lifatt m nit rando d Il di di arri -

Usi sperimentali del chemostato

Verifica - In cosa differiscono i microrganismi pr senti in una coltura in chemostato da quelli in una coltura in batch? Cosa succede in un eh mostato se la velocità di diluizion eccede la velocità massima di crescita dell 'organismo? Si può utilizzare il eh mostato p r le colture pure?

111 • Misura della crescita microbica

5.8 Conte microscopiche

Avvertenze per la conta microscopica LI

fa il

160

UNl TA 1 • l FO NDAMENTl DEL LA Ml C ROBl OLOGl A

Vetrino

~~ ~

Supporti per il vetrino copri oggetto \ \

,

••

1. .

\

'' "'

~.Q

"'É 10 a: 1ij O o "'o

=o-; :gtii o o

·~..!!!.

!.t 0,1 10

20

40

30

50

li mpo (min)

(a)

c :§.

100

Q)

(ij

E

g -o

B

10

Q)

o .N :l

-o

·c

=o

~

0,1

~

100

105

11 o 115 120 li mp r tur

125 130

C)

(b)

Figur 5.32 Effetto della t emperatura sul calore letale per un m icrorganismo. (a) Il t mpo di riduzlon decimale (O) il t mpo tr coro il u l rim n vital solo il 10% d Il popolazion ori in l di un d to mlcrorg nismo (in qu sto c o, un m onlo) a una dat temp r tura. A 70 •c, D - 3 mln; a 60 •c, o = 12 min ; a 50 •c, o = 42 min . (b) 1 valori di D p r gli organismi modello appartenenti a diverse classi di tem peratura: A, mesofilo; B, termofilo; C, ipertermonlo.

180

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

Misuratore della pressione nella camera Valvola ....----:::

Camera di isolamento

Porta

----

Valvola di alimentazione del vapore Il vapore entra qui (a)

(c)

Tempo dell'autoclave 130

u L. ~

Il vapore cessa di affluire

~ 120

::J

Cii Cii

a.

E 110

~

Vapore che 100

o

10

20

30

40

50

60

Durata del ciclo (min) {b)

Figura 5.33 L'autoclave e la sterilizzazione con calore umido. (a) Flusso di vapore all'interno di una autoclave. (b) Un tipico ciclo di sterilizzazione in autoclave di un oggetto piuttosto grande. La temperatura dell 'oggetto sterilizzato aumenta

e diminuisce più lentamente della temperatura dell'autoclave. La temperatura dell 'oggetto deve raggiungere quella desiderata e deve essere mantenuta 10-15 minuti per garantire la sterilità, indipendentemente dalla temperatura

e dal tempo regist rati nell'autoclave. (c) Una moderna autoclave presente nei laboratori di ricerca. È visibile la porta con bloccaggio a pressione e i controlli automatici del ciclo su l pannello di destra. l dispositivi di immissione e scarico del vapore sono sul lato destro dell'autoclave.

n rvazi n d i li-

ne i tanranea. a pa torizzazi richiede il trattamen to con ca l li quant ità di latt p grand i nt nit ri p r pa rorizzazi ne di ma a

CRES Cl TA M l CROB l CA E SUO CONT ROLL O

CA PIT OL O 5 •

i calda e i raffredda lenlam nt pr dott fìna l , oiLr

181

t altera i l ap r d l ffì i nte.

Verifica Perché il calore è un efficacie agente steri lizzante? Quali passaggi sono necessari per garantire la steril ità di materiale contaminato da endospora batteriche? Distinguete tra sterilizzazione di un terreno di coltura e pastorizzazione dei prodotti lattiero-caseari .

5.18 Altri metodi fisici di controllo: radiazione e filtrazione Figura 5.34 Una cappa a flu sso laminare. Una fonte di luce ultravioletta previene la contaminazione della cappa quando non è in uso. Quando in uso, l'aria è guidata n Ila cabina attraverso un filtro HEPA L'aria filtrata all'in! mo d Ila cabln è scaricata all'est mo p r prevenire la contaminazion all'int mo della cappa. La cabina fomisce un spazio di lavoro privo di contaminanti p r le manipolazioni di coltur microbiche e di tessuto.

Radiazioni ultraviolette e ionizzanti Tabella 5.6 Sensibilità alle radiazioni di alcuni microrganismi rappresentativi 17po di microrga.nlsmo

Caratteristich

DHY' (Gy)

Batteri Cl

tricJn1m botulmum

AnaerobiO gram po 1ttvo; porulante

fi.ldi(XJurans r

ram nogat1vo. cocco 1 t nte alle rad1a110n1

L ctoooclilu

ram po 11tvo. ba tonc llar

BDctllu

A rob10 gram rxHt1vo ; porulanto

ubltlt

schcrichm coli

Gr m n . at1vo. tonc Ilor

Salmon Ila typhJmwtum

r m n alNO. bastone llar

200

Muff c mun

500

L1 v1t0 d l pan d Il b1rra

500

Funghi 1\

~

11/u nig r

S cch romyc

c rovt i

Virus Afta pizoottca

Patog n1 d1 antmah ungul 11

Coxsack1

Patog no um no

13000

4500

è la quantità di radiaz1011e necessaria per ndurre la popolazione o il livello d1 attMtà metabolica d1 t o volte nspetto a quella Iniziale (1 logaritmo). Gy, gray. 1 Gy è equivalente a 100 rad. La dose letale per l'uomo è dl10 Gy.

8 01 O

dovuta alle radiazi ni i ni zza nli pr duce un grafico imile (Figura 5.35; i nfr nli n la igura 5. 2). m accade p r i tranam nti tcrmi i, anch n le radi azi ni i ni zzanti più

UNITA 1

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA

l s (s)

(b)

l s (C)

'

Flltr• p r mloroblologla. Mlorofotografla al m lero çor::~lo elettroni«> a soan ione tn lr l lru ttur di ( ) un filtro p ssore, (b) una membrana filtrante convenzionale ( ) u flltr Nuol o re.

Figura 5.36

CA Pl T OL O 5 • CRESCl TA M l CROB l CA E SUO CONTROL L O

Figura 5.37 Membrane filtranti. Unità monouso con membrane filtranti presterilizzate assemblate. Sinistra: sistema filtrante per piccoli volumi. Destra: sistema filtrante per grandi volumi.

con ntrati ul fì ltr , d ser ati n il mi r se pi

183

(a)

m nte

Verifica Definite 01 O e spiegate perché la dose letale delle radiazioni (fabella 5.6) non è la stessa per tutti i batteri . Perché le radiazioni ionizzanti sono più efficaci delle radiazioni ultraviolette per sterilizzare i prodotti alimentari? • Distinguete fra i principali tipi di filtri di sterilizzazione usati nei laboratori di microbiologia.

----------------------~

5.19 Controllo chimico della crescita microbica

(b)

Figura 5.38 Fotografia al microscopio elettronico a sca nsione di batteri intrappolati su un filtro Nucleopore. (a) Batteri acquatici e alghe. Il di metro dei pori è 5 IJ..m. (b) Leptospirans interrogans . Il b tterio ha un diametro di circa 0,1 IJ..m e una lunghezza che arriva fino a 20 IJ..m. 11 diametro dei pori è 0,2 IJ..m.

Saggio dell'attività antimicrobica Effetti degli agenti antimicrobici sulla crescita

h ini bisc

184

UNITA 1 •

l FONDAMENTI DELLA MICRDBIOLOGIA

a>

a>

:;

~

Batteriostatico

:2 /

Conta totale

a>

~

t

~

Rlmoz1one dell'agente

E :l c Qi

Qi u ..91 Qi

Battericida

e Q)

E c

:l

Conta / vita l

"O

g> _J

Tempo (s)

Figura 5.39 Agenti antimicrobici batteriostatici, battericidi e batteriolitici . (a) L'agente batteriostatico inibisce, ma non uccide. {b) L'agente battericida

Batteriolitico

Conta totale

"O

Qi

"O

1

~

Tem po

Tempo

(b)

(c)

uccide. (c) L'agente batteriolitico provoca la lisi della cellula. Al tempo indicato dalla freccia, a una coltura in fase di crescita esponenziale, è stata aggiunta

una concentrazione inibente la crescita di ciascun agente antimicrobico. La torbidità e le conte vitali mostrate sono caratteristiche di ciascun tipo di agente.

Piastra contenente terreno nutnltvo agarìzzato

l dischi contenenti gli agenti antimicrobici sono posti sulla superficie.

Figura 5.40 Metodo per determinare la suscettibilità a un antibiotico mediante il metodo delle diluizioni scalari. Questo saggio permette di stabilire la minima concentrazione inibente (MIC). A una serie di provette contenenti il terreno di coltura vengono aggiunte concentrazioni crescenti dell'antibiotico da saggiare. A ogni provetta è aggiunta una quantità precisa dell'organismo test; segue poi un periodo di incubazione definito. Le provette vengono, quindi , inoculate e incubate. La crescita, valutata come torbidità, può avvenire solo nelle provette in cui la concentrazione dell 'antibiotico è inferiore alla MIC.

L'organismo test mostra sensibilità ad alcuni agenti, indicata dall'inibizione della crescita batterica intorno ai dischi (alone di inibizione).

Figura 5.41 Saggio per determinare la suscettibi lità a un antibiotico mediante il saggio di diffusione in t erreno aga rizza to (test di Kirby- Bauer). L'agente antimicrobico diffonde dai dischi di carta nell 'agar c ircostante inibendo la crescita dei microrganismi suscettibili .

Agenti chimici antimicrobici olti agenti chimi i antimi cr bi ci sono utiliaati per prevenire la cr . ita di patog ni umani . ulle up rfì ci inanimate e ull e up rfì i tern d l orp . u . ti in ludono . t rilizza nan tisetti i (Tabella 5.7).

en ibi l ità agli

Agente

Modalità d'azione

Impiego

Solv nte hprd,co e d n tur nt pro t 1co

Antis trco per uso toprco

Antisettici (germicidi)

Alcol ( tanolo o rsopropa olo al 60-85% rn cqu)

P ross1 o 'idrog no (sol ~==~~====~~==~~

lodo fon (Be t

rne®) Antr

tt1CO

Sterilizzanti, disinfettanti e sanitizzanti

Alcol ( tanolo o rso rop· r olo al O 85% rn equa)

Solv nt ' hp1 reo

cJ n tur\0 ·o m · g t/11 . 5.6 • l mi Torgani\mi . quando~ n i no ·ulati in un t 'rT ·n di ·o ltura frc-,co. 1110\lrano un ·arancri.,tico \Ch •ma di ·re' ·ita. Di \Oiito c prc\cntc una fa'> • di latcn;a c poi la crc-,cita a\\um• un andamento ''P ncrviale. uando i nuuicmi C\\crviali vive co~tantcmcntc in ambienti freddi. Gli psicrofili hanno evoluto macrumolecolc che rimangono flcs~ibili c funJ'ionali a hassc temperature, ma che pos ~ono CS\Crc insolitamente scnsihili alle temperature elevate. prc~cntanti

5.13 • l microrganismi con un optimum di tcmperatur.J di crescita compreso tra 45 c 80 oç sono chiamati tcrmofili c quelli con opti"111"' superiore a 80 ° sono chiamati ipencnnofili. Questi ultimi microrganismi abitano ambienti in cui le temperature possono superare i 100 ° . Termoli li c ipencnnofili producono rnacromolccolc stabili al calore. rx>~sono influcn1arc molto la L .., ·ita microhica. Alcuni microrganismi crescono mc•lio a valori di pii hassi o alti {acidofìli c basoli li, rispettivamente). ma la ma • •ior parte dci microrganismi cresce meglio tra pii S,S c 8. Il pii intmccllularc deve rimanere ahhastan/a vicino alla ncutr.JIità per prevenire la distru1ionc del DNA o deli'RNA.

5.14 • l 'ac idità o l'alcalinit;ì di un amhicntc

5.18 • Le radia~ioni pc"sono inihirc la crescita microbica o ucci dere i microrganismi in modo efficace. Le radia1ioni ultraviolette sono utili per la decontamina/ione di ~uperfici c aria. Le mdiaJ'ioni ioni11.anti sono utili nella stcrilill NuclcoJ:X>re sono molto usati per l'allestimento di prcpar.Jti per la microscopia elettronica. 5.19 • Gli a •enti chimici sono comunemente usati per controllare la crescita microbica . Gli agenti chimici che uccidono i microrganismi sono designati con il suffisso -cida, mentre per quelli che arrestano la crescita, ma non uccidono. si usa il suffi~so -swtil'o. L'efficacia di un agente chimico antimicrobico viene valutata detcnninando la loro capacità di inibire la crescita in l'itm. Gli stcrilill.anti, i disinfettanti c i sanitiu.anti ...ono composti utili11.ati per decontaminare materiale non vivente, mentre gli antisettici c i germicidi ~ono utili11ati per ridurre la crescita microhica in tessuti viventi.

5.15 • In un ambiente acquoso, l'attività dcll"acqua è controllata dalla concentruione dci

~oluti

disciolti . Per sopmvvivcrc in

DOMANDE DI RIPASSO l.

2.

De c ri vet i p do una e llula D

i mol

S.

6.

7.

la

8. 4.

9. IO.

ere u

ta per

il num ro

188

Il .

12.

l .

14.

UNITA 1 •

tennin i biochimici, del perché in un orga ni mo la temperatura ui male di lit più vi ina a quella ma ima che a quell a mi ni ma. ( Paragra ~ 5. 1l ) De cri vete un habitat nel quale p tre te tr are un p icr filo e quell in ui potre te tr are un ipcnerm ofil . ome fa nno que Li rgani mi a pra vi ere in tali c ndizioni e treme? (Paragrafi 5. 12 e 5. 1 ) Ri guard al pl-1 d ll 'ambieme e quell dell a cellul a, in che n dai ba ili ? in he c a ono m d gli a id fi li differi in ecc imi li ? ( Parag ra ~ 5. 14) cri vete un a piegazi ne in L nnini mol olari u c me un alofi lo apace di diri gere un ftu d' acqua er o l ' intero dell a cellula mentre ere e in una luzi ne ad alta ncentrazi ne di a l. (Paragrafo 5. 15) Paragonate un aerotollerante a un anaerobio bbligat in termi ni di en ibilit all' 2 e di capaci tà di re cita in pre enza di 2 . In c a un anaerobi aerot l lerante di fferi e da un mi r aer fi lo. ( Para g ra~ 5. 16)

PROBLEMI l.

2.

l FONDAMENTI DELLA MICROBIOLOGIA 15.

16.

17.

dalla

l .

e letal di

19. 20.

2 1.

n

nità

Genomica e nuovi Archaea Fino a poco tempo fa, si conoscevano tre phyla di Archaea: Euryarchaeota, Crenarchaeota e Nanoarchaeota. Curiosamente, ogni spec1e coltivata in l boratorio era stata isolata da un ambiente estremo: habitat che erano o strettamente anossici o estremamente caldi, salat1 o acidi. Cio ha indotto molti microb1ologi a concludere che gli Archaea erano prin cipalmente estremofili e che il loro numero in oceani, laghi e suoli non era significativo. Ma gli studiosi di ecolog1a microbica hanno cominciato a mettere 1n discussione quest'ipotesi quando, ricorrendo alla microscop1a a fluorescenza, alcuni Archaea solo marginalmente correlati ai Crenarchaeota furono rilevati 1n camp1oni marini e di acqua dolce. Chi erano questi organismi e come v1vevano? Un gruppo di microbiolog1 deii'University of Washington a Seattle ebbe un'intuizione sul metabolismo di questi Archaea e si propose di isolare questi organismi da camp1o ni di acqua marina (fotografia). Con perseveranza, pazienza e buona intuizione sc1entifica, il gruppo ha isolato con sue cesso Nitrosopumilus , 11 pnmo Archaea ammon1o ossidante (nitrif1cante) a essere scoperto (nquadro della foto). Sebbene molte spec1e di Bacteria possano essere n1tnficanti, Nitroso pumtlus può oss1dare le minime tracce di ammon1aca che si trovano nelle acque degli oceani, mentre i Bacteria nitrif1canti non possono farlo. Una volta in possesso delle colture pure di questi organismi, la loro filogenesi è stata esplorata più in profondità utilizzando i potenti strumenti della genomica. Gli Archae nitrificanti sono in realtà soltanto "Crenarchaeota altamente divergenti"? La genomica è in grado d1 rispondere a domande di questo tipo, e attente analisi dei genomi di due Archaea nitrificanti 1 hanno chiaramente dimostrato che essi formano un propno phylum, ora chiamato Thaumarchaeota. Le analisi genomiche hanno permesso di confrontare l'intero corredo genico di questi Archaea con quello degli altri Archaea. Oltre definire un quarto phylum di Archaea, la genomica ha rive lato le peculiarità metaboliche di Thaumarchaeota e ciò, a sua volta, ha spalancato una finestra sul ruolo ecologico che essi possono svolgere nel loro habitat in cui i nutrienti sono scarsi.

1Spang, A , et al., 20 10. D1St1nc t g ne set 1n two 1ffer nt lin es of am monia oxicl111ng Archa a su ports th phylum Thaumarc!Jaeota. Tn nds 1n

l Il 111 IV

Indagare i genomi 1 Genomi microbici 197 Genomica funzionale 206 Evoluzione dei genomi 215

190

UNITA 2 •

GENOMICA, GENETICA E VIROLOGIA

l • Indagare i genomi par la genomica fa riferim nto aHa d. iplina b imp li u n.ziam nto, l'anali i, la mappatura e la tate

di

6.1 Introduzione alla genomica

Verifica ----------------------------------~

ma: circolare e lineare. iano rari, i gen mi li.oeari 011 pre nti in m lti batteri com per e empi , Borrelia burgd.orferi, l agente zi l gi d Ila nlaJlattia di L m , e allcun i apparten nti al gen re treptom ' e , imp rtanti ,p er la pr llZioo di anlibiotici. Le dim i ai dei g n m.i batteri i ariano da cifca 0,5 a l 3 pai di m gab i ( bp e codificao da circa 5 a 10000 geni codificanti P~' tein , rispetti. am nte.

• Quanti geni sono presenti nel genoma umano? • Nomi ate alcuni organismi che possiedo o un genoma di dimensioni maggiori dì q uello umano.

6.2 Sequenziamento dei genomi

Hodgk1nia CICadiCO/a

E

143 795

169

Induce degener'a7.10f16 nelle Ctcadtdt , e un endostrnbionte

Carsonel/a ruddil

E

159662

182

Induce degeneraztone negli a1tdi . e un endostrnbtOrl\e

Buchnera aptudiCQ/a 8Cc

E

422434

362

Endosimbion\e pnr 1art0

Mycop/asma gemtallum

p

580070

470

11 piu

Borrella fJ()(gdorteri

p

910725

853

$ptrOCt)ete, oromosorna lineare. causa la malattta {Jjt L,yme

RIOi Paragra-

Verifica - - - - - • Perché il termine "proteoma" è ambiguo mentre il termine "genoma" non lo è? Quali sono i metodi sperimentali più comuni usati per esaminare il proteoma? Cos'è l'interattoma?

6.9 Metabolomica e biologia dei sistemi

212

UNITA 2 •

GENOMICA, GENETICA E VIROLOGIA

Tubo di volo

Rilevatore TOF

Campione

Massa (m/z)

Figura 6.23 Spettrometria di massa tipo MALDI -TOF. Nella spettroscopia per desorbimento/ionizzazione laser assistito da matrice (MALDI , MatrixAssisted Laser Desorption lonization)

il campione viene ionizzato mediante un laser e gli ioni viaggiano giù per il tubo sino al rilevatore. Il tempo di volo (TOF, Time Of Flight) dipende dal rapporto massa/carica (m/z) dello ione. Il computer

identifica gli ioni in base al loro tempo di volo, ovvero al tempo che impiegano per raggiungere il rilevatore. La MALO l-TOF ha una sensibilità e una risoluzione estremamente elevate.

Nuove tecniche di spettrometria di massa: MALDI-TOF

Biologia dei sistemi

CAPITOLO 6

•

GENOMICA MICROBICA

213

100

Sottos1stem1 funz1onall

t

>
ull'aui itfl dcii· prilllc~i. L'adattamento attra,cr-. la m ·tilationc pcrm 11 ·al ~ i'>lcma di ri :J//Crar~i. c 'ì da c nlinuar' a per· ·pir' la prc\cnta di ~egna li . 7.9 • Il quorum\ ·n-.ing pcrmcu' ali· · •llul' di m nil rare l'ambiente per 'aiutare la prc\crva di cllul· della \ tc ,~a 'P' ic. Il

quorum ~cn,ing di penti· dalla d i ffu~i o n • di pi ·o le mol•col • 'l c ifìch · chiamate autoinduuori. Quando la concc ntrallon · tll un au toi ndullor · rll!!"i un• ' Llll d ' l' rminaw li Ilo '' ' ne innc\cala l'· . prc"ion · di • •n i '>pc ·ili ·i .

7.10 • L· ce llule po.,.,ono controllare la tra-. ·ntHlllc dr gnrppr dr ge ni grat i a fanon -.igma allcmall\ i ·h · ricono-.cono ,olo alcuni pron10101i, pc1 mcii endo ·o-.r la Ira-. ' JIIl 'li Un ' •• appropnata in detcrnunalc cond1110111 ambi •ntalr. Le c ·llulc ri-.pondono -.i a al ri-.caldamcniO 'la al ral fr •dtlamcniO ·-.pnmcndu urupp1 tll j!C nl 1 cur prodolli le aiutano a ~u p ·rare lo 'Ire-.~.

''P'

7.11 • In /Jacil/u.1, la ~porula11unc a\\Jcnc 1n parucolan comli· t ioni a'' er\C per la ce llula cd o.! innc,cala da 1111 complc"o '"le ma che rilc,·a le contlltiom ambrcntall lranllll' il lra,fcrimcnlo d1 gruppi fn,lalo. In 'C);!IIIIO. il fallm~ tll -.porula11nne SpoOA melle in 111010 una c.:a-.cala dr C\Cnll rcgola11 da mol11 lallnn " !! llla alter n ali\ i.

7.12 • In Caulohucll'l ti dillcrenllalll ·n w prc' ctll' l' al!clllall/a Ira una forma cellulare motilc..: una '>L'\"Ic . l.c Ile prolcrnc p11m:rpali c.:oimoll· nella rcgo latH>nan n1 del ·rminali momenti del ci ·lo cellulare . ' l 'l'(lci-.li 11 ·hicdc J'c-.pr~'"onc nella p1 IOetcro · i~l i d · Il n prin i pale proteina r.:: gola111 cc. lieti · R. Tuua \ia, nelle ccllul· \e gcl ali,·c la proteina puo c"crc malll\ala dalla diffu~r o n ' del p'plrdc Pa1S lun •o il ttlam ~ nto .

7.13 • La fonmv ionc tl cll'

7.14 • L· ccllul po~-.ono 1''' lar ' l'c'P' '''lione gc nr ca ullil11an do, in \an mod i. mol' ·ulc di R A con lun11oni di r~ go la11onc . no di qu ~ li m di \ frulla la po.,~rhillla di appaiamento delle ba" c u1ili11a I '~ R 1 r promuO\ ·r ·o pr•, •niro.! la tradutionc dc •Il mR A . ubi ·ati ali· c~ 1rcmi1~ Y

ntro llar • l' ' i · bio~in1c1i ·hc ·hi alli i meta oliti.

1 altern ati'

ri . L'allcnuah· \Cn •ono a

254

UNl TA 2 •

GENOMl CA, GENETl CA E Vl ROLOGl A

7.17. un

di

L n p

lata d p la trad u; i ne. ni n altr pr t ·i-

DOMANDE DI RIPASSO l.

2.

3.

4. 5.

6. 7.

Quali sono i due punti in cui pu e sere reg lata la quantità di proteina che viene intetizzata. ( Paragrafo 7. 1) Descrivete perché una proteina che si lega a una specifica sequenza sul D a doppio filamento m lto probabilmente non è in grado di legar i alla le a equenza e il è a ingoio filamento. (Paragrafo 7.2) La regolazi ne negati va sembra e er . ufficiente per ottenere una regolazione efficace della maggior parte degli p r ni biointetici, mentre la maggior parte degli op roni cataboli ci s mbra richiedere ia un controll o po ili o sia un contr Il negativo. Perché? (Paragrafi 7.3 e 7.4) Qual è la differenza tra un operone e un regulone? (Paragrafo 8.4) Descrivete il meccani m attravet o il quale agi. ce la proteina ree ttrice dell' P ciclico ( RP), ovv ro la proteina regolatrice della repres i ne da catab lita. sare l' perone latt io com esempio. ( Parag ra~ 7.5) Quali no i due meccani smi u ati dalle protein repre re archeali per reprimere la tra ri zione? (Paragrafo 7.6) Quali ono i due componenti che danno il loro nome a un i tema di tra duzione del egna! n i procari ti ? ual la funzion di eia cuno dei due componenti ? (Paragrafo 7.7) L 'adattamento permette al meccanism che contr Il a la rotazione d l fl age llo di es ere riazzerat me funziona? (Paragrao 7.8)

9.

l O.

l l. 12. 13.

14. 15. 16. 17.

l er quale motivo il quorum cnsing pu essere co nsiderato un meccani smo di regolazione per la conservazione delle risor cellu lari ? (Paragrafo 7.9) D seri vete le pr tei ne prodotte da Escherichia coli quando quet microrgani mo perim nta un innalzamento della temper tura. uale alor hanno qu te pr tein per le ce llul ? (Paragra fo 7.1 O) piegat in che modo i fatt ri sigma alternativi controll ano la sp rulazione in Bacillus. (Paragrafo 7. 1 l ) Qu ale ruolo svolge la proteina Dna n l differenziamento di aulobact r? (Paragraf 7.12) Qual mol co la prad tta dall e eteroc i ti previene la differenziazione nelle cellule veg tative e come rie ce l ' inibii re ara giungere le ce llule vegetati ve. (Paragrafo 7. 13) In che c a diffe ri sce la regolazione med iata daii ' R anti eno da quella mediata dai riboswit h? (Paragrafi 7.14 7.15) De crivete come funziona l'alt nuazi ne tra cri zionale. o' eh in realtà v iene "attenuato"? ( Para gra ~ 7. 16) onfr lllate le reg !azioni di D HP inteta i e glutammina intela i. ( Paragrafo 7. 17) Qual la più diffu a modificazione cova lente he agisce su ll 'attività proteica? (Paragrafo 7.1 )

PROBLEMI l.

2.

3.

o a accadrebbe alla rego lazio ne di un prorn tor c ntr llato negativamente e la regi ne dove i lega la proteina rcgolatri e fo e eliminata? o a accadr bbe e invece lo te o prom tore fos e posto so tt un co ntr Il o po iti v ? l promot ri che in Escherichia coli no regolati in m d p si ti vo non hanno una seq uenza m lt imile alla canonica equenza c n ensu dei promotori di quest organi mo (~;::> Para­ grafo 4.7). Perch ? In Escherichia coli, la regolazione m diante attenuazione di alcuni dei geni appart nenti all a via bi o inteti ca del tript fano richied l'accoppi amento tra tra crizi ne e traduzione. P tete de cri vere p rché quest meccani mo di regolazione potrebb n n ri ultar appropri ato per la reg !azio ne dei geni coi nvolti nell'utili zzo dellatlosio?

4.

5.

6.

L a maggior part dei si temi regolativi de ntll 111 qu to capito! coinvolge prot ine regolatri i, ma nella regolazione no importanti anche erti R . De crivet come i p trebbe ottenere il controllo negati vo dell' p rane tac utili zzando due differenti tipi di R reg lati vi. M !ti oper ni per la bio inte i degli aminoacidi ottopo ti a regolazi ne negat iva sono ntroll ati anche medi ante attenuazi ne. on iderando eh l' ambiente di un batteri pu e ere m lto dinamico, quale vantaggi p tr bbe conf ri r l'u o dell 'attenu zione ome econdo !iv Il di c ntr Ilo? me pianifichereste un i tema di reg !azione per rendere, in Escherichia coli, l'u. di acid uccini c preferenziale ri petto a quello del gluco io. E c me l potr t m dificare in maniera tale che E. coli preferì ca l'u o dell' acido uccinico in pre enza di luc e il gluco io quand è al buio?

Qual è l'origine dei virus? Nonostante si s ppia molto delle caratteristiche molecolari dei virus, di com essi utilizzino le attività cellulari a proprio vantaggio e delle malattie che essi provoc no, conosciamo poco circa le loro origini. M su esto importante aspetto del mon o dei virus si st cominci n o a fare luce1 . Attualm nte sembr rob bile che i primi virus siano anteriori alla comp rsa ell'ultimo nten to comune univ rsale (LUCA, Last Universal Common Ancestor) della vita cellular . Questa ipotesi è supportat da alm no due evidenze. Prima i tutto, studi strutturali hanno evi enzi to che alcune proteine del rivestimento virai (capside) che circonda il materiale genetico l virus ossi dono una signific tiva omologia, trasversale a una grande v ri t di virus RNA (n Ila fotogr fia , coronavirus) e DNA. Questo su erisce che nonostante la loro diversi genomica, ì virus bb1 no diverse lin e volutive antece enti l'origine di LUCA. In secondo luo o, è noto che la fre uenza elle mutazio ni e le dimensioni del genom sono invers m nte correlate, e che i piccoli virus a RNA ossiedono, tra tutti ì virus conosciuti, l fre uenza i mutazion piu elevat . Inoltre, i virus a singolo fil m nto dì DNA sono o etti a un num ro inferiore di mutazioni risp tto i virus a s1n olo filam nto d1 RNA, cos1 come quelli do pio filamento di DNA rispetto a uelli a singolo filamento di DNA. Infine, il tasso di mutazione più basso lo si osserva nell cellu le, in cui la frequenza di mutazione div rsi ordini i randezza 1nfenore a quello dei virus. Forse l prim entità in gr o di replicarsi comparsa sulla Terra assomi liava un virus a RNA a singolo f1lamento eh mut va spesso e ra idamente, mi lioran o gr u lm nt le sue prestazioni. D que ti virus si sono selez1onati dei mu t nti, che in seguito si sono evoluti in genomi a base i DNA, piu stabili, e a questi nell prima cellula. Se ne sia ncor un'ipotesi, l'incremento dell st bìlità genomica potrebbe essere stato uno tr i cat lizz tori più importanti dell'evoluzione c llulare. Se questo fosse vero, gli studi sulle proteine del capside virale e sulla frequenza di mutazione genomica possono avere inawert1tamente fornito indizi import nti per gli scienziati impegnati a studiare le origini ella vita.

1Holmes, .C. 2011. Wh t does wal evolutlon t Il us about virus ori 1ns? 'J. VI(O/. 85: 5247 5251.

l Natura dei virus 256 Il Cicli vitali dei batteriofagi 261 111 Diversità virale ed ecologia 268

256

UN l TÀ 2 •

GEN OM l CA, GENE TI CA E V l ROLO Gl A

l • Natura dei virus 8.1 Cos'è un virus?

Genomi virali Struttura e funzioni vira li

ere ia lineari

lul a o. pite. pes o pre enti uno o più enzimi irali p ifìci che, co m vedremo più avanti, hann un ru lo imp rtante durat il pro e o d' in fezion di repli cazione. na vo lta all ' intern o dell a ce llul a o. pite, il genoma virale pu provo are du venti m lto di v r i tra l r . li viru pu repli car i e di truggere l' o pit in un ' infezion irulenta (inf zione li tica). ell ' infez i ne litica, il viru riprogramma il Involucro pericapsidico Nucleocapside o envelope

Acido nucleico

Capside (formato da capsomeri)

Virus nudo

Virus rivestito

Figura 8.1 Raffronto tra particelle virali nude e rivestite. L'envelope si origina dalla membrana citoplasmatica dell'ospite.

ia cir

lari .

CAPITOLO 8 •

VIRUS E VIROLOGIA

257

Virus

DNA

Genoma: Ti pi:

/ ssDNA

A

\. d sDNA

/ ssRNA

DNA

/ ssRNA

dsRNA

\. d sDNA

(R etroviru s)

(Hepadn aviru s)

Figura 8.2 Genomi vira li. l genomi virali possono essere composti da DNA o da RNA e alcuni virus, in stadi diversi del loro ciclo di replicazione, usano entrambi i tipi di acido nucleico. Tuttavia, nel virione di ciascun particolare tipo di virus si ritrova soltanto un tipo di acido nucleico genomico, che può essere a singolo filamento (ss), a doppio filamento (ds), circolare o lineare.

Subunità strutturali (capsomeri) up -

ri ri. anim li veg tali, gr i

iru iru

RNA virare

\

l l ' a-

Verifica In che cosa i virus differiscono dalle cellule? Perché i virus hanno bisogno di una cellula ospite? • Rispetto alle cellule, che cosa è inusuale nel genoma vi rare?

8.2 Struttura del virione

(a)

Struttura del virione

(b)

Figura 8.3 Disposizione deii 'RNA e dell 'involucro proteico in un virus semplice, il virus del mosaico del tabacco . (a) Micrografia elettronica ad alta risoluzione di una porzione della particella virale. (b) Sezione che mostra la struttura del virione. L'RNA forma un 'elica circondata dalle subunltà proteiche. La regione centrale della particella è cava.

Simmetria dei virus I

iru

iru

258

UNITÀ 2 •

GENOMICA. GENETICA E VIROLOGIA

195

3

segmenti

segmenti

2 segmenti

eh

Simm etria (a)

(b)

Gruppo di 5 unità

(c)

(d)

Figura 8.4 Simm etria icosaedrica. (a) Modello di un icosaedro. (b) Tre vedute di un icosaedro che mostrano le simmetrie a 5, 3 e 2 segmenti. (c) Micrografia elettronica del papillomavirus umano, un virus con simmetria icosaedrica. Il diametro del virione è di circa 55 nm. (d) Ricostruzione tridimensionale del papillomavirus umano, il virione contiene 360 unità organizzate in 72 gruppi, ognuno di 5 unità.

i miviru. e i l po saranno trattati in d

Virus rivestiti

quelli fer con simmetri a licoida l (T ) (Figura 8.3). a lungh zza d i viru terminata dall a lungh zza dell 'a id nu cleico; la larghezza, in ve , dipende da lle dim n ioni dei cap. om ri da l m d in ui que ti n impaccati. I viru con . imm tria ico a dri ca hanno 20 facce triangol ari e 12 vertici e hanno una forma appros imativam nt rica (Figura 8.4a). L'as e di imm tria divid l'ic a dr in 5,

(a)

Figura 8.5 Viru s rivestiti. (a) Micrografia elettronica del virus dell'influenza. l virioni, del diametro di circa 80 nm, possono

(b)

avere diverse forme. (b) Micrografia elettronica del virus vaccino, un pox virus rivestito a simmetria icosaedrica

con dimensioni di circa 350 nm. Le frecce nelle due micrografie indicano gli envelope che circondano i nucleocapsidi.

CA Pl T OL O 8 •

Vl RUS E Vl ROL OGl A

259

i iri ni , altri li dertar a t rmin on uc-

c Verifica - - Distinguete fra capside e capsomeri. Qual è la simmetria comune tra i virus di forma sferica Qual è la differenza tra un virus nudo e un virus rivestito? Quali enzimi si possono trovare all'intemo dei virioni dei virus a RNA? Perché vi si trovano?

8.3 Panoramica sul ciclo vitale dei virus Enzimi all'interno del virione li i, quindi al di fuori

l. 2.

4.

5.

Il rivestimento proteico rimane all'esterno

1. Attacco (adsorbi mento del vi rione fagico)

Figura 8.6

2. Penetrazione dell'acido nucleico vira le

3. Sintesi dell'acido nucleico vira le e delle proteine

4 . Assemblaggio

e Impacchettamento di nuvi virus

Il ciclo replicativo di un virus batterico . l vi rioni e le cellule non sono rappresentati in scala. La quantità di virioni al momento dello scoppio della cellula ospite può superare il centinaio.

S. Usi cellulare e rilascio di nuovi vi rioni

260

UN l T A 2 • GENOM l CA , GENETl CA E Vl ROL OGl A

8.4 Coltivare, individuare e contare i virus

Eclissi

Acido nuclei co

Enzimi precoci

\

L

l

!tura prima h ltu re pur di in terren liqui -

Periodo latente

Tempo

Figura 8.7 Curva di crescita a gradino singolo della replìcazìone vìrale. Dopo l'adsorbimento, i vlrioni non possono più essere rilevati nel terreno di coltura , un fenomeno chiamato eclissi. Durante il periodo di latenza, che include l'eclissi e le fasi precoci di maturazione, l'acido nucleico del virus viene duplicato e awiene la sintesi protelca. Durante il periodo di maturazione l'acido nuclelco e le proteine virall sono assemblate in un vlrione maturo e qu indi rilasciate.

mpi iru ed

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . • Cosa è impacchettato nel capside durante la maturazione? Spiegate il termine dimensione dello scoppio. • Perché il periodo di latenza si chiama cosl?

Individuare e contare i virus: saggio delle placche

CAPITOLO 8 •

VIRUS E VIROLOGIA

261

1. la miscela di di cellule e fagi

viene posta su una piastra di agar nutritivo solid ificato.

Miscela contenente lo strato superiore di agar sciolto, le cellule batteriche e la sospensione fag ica diluita

l

Piastra di agar nutritivo

2 . la miscela viene lasciata solidificare.

"Sandwich" formato dallo strato superiore di agar e dall'agar nutritivo 3. l'incubazione permette

Placche fagiche

la cr scita b tterica e la rephcazione de1 fag1. Strato di cellule ospiti (b)

(a)

Figura 8.8 Analisi quantitativa di un virus batterico mediante il saggio delle placche. (a) Lo strato superiore di agar contenente una diluizione di virioni

miscelati con batteri ospiti premissivi viene versata sulla superficie di una piastra di agar con tenente un terreno appropriato . Le cellule infettate vengono lisate

formando placche nello strato. (b) Fotografia di una piastra cont n nte placche (con diametro di circa 1-2 mm) formate da un batteriofago T4.

Verifica Cosa significa titolo virale? Cos'è un 'unità fo rmante placca? Cosa s'intende con efficienza di piastramento?

Figura 8.9 Colture di cellule animali e placche virali. Le cell ule animali supportano la replicazlone del virus; le cellu le lisate producono le placche.

Placche virali _ _ ___,.

Il • Cicli vitali dei batteriofagi llul

l 'i ni zi n d l mal ri ai

Attacco

8.5 Attacco e penetrazione del batteriofago T4 l primi c nti n l iclo ita l di gni batteri fag no l'a ttacco all a uperfì ci dell a ua ell ul a pit , la penetrazion

minciai l ree ll re altera t , p r c empio a ca u a di una mutazi ne, l' pile pu di entare re i tente all ' infez i i ru. , quindi , ne irale. L a ga mma deg l i o. p ili p r un dal

262

UN l TA 2 •

GENOM l CA, GENET l CA E V l ROLO Gl A

Penetrazione

Tabella 8.1 Alcuni batteriofagi di Escherichia coli Dimensione del genomab

Batteriofago

Struttura del virione

Composizione delgenoma 8

Struttura de/genoma

MS2

ICO' e 111 ·!! l io caral l

c o

Intermedio a dsDNA

Intermedio a dsDNA (forma replicaliva)

:~

o VI

~

Virus a DNA Classe l Classe Il

'

classica, semiconservativa classica, semiconservat1va, 11 filamento (-) è eliminato Cl asse VII lrascriz1one seguita da retrotrascrizione

(8)

Virus a RNA C lasse Ili producono ssRNA (+)e da questo trascrivono il filamento a ssRNA (-)complementare Classe IV sintetizzano ssRNA (-)che viene trascritto nei nuovi genomi a ssRNA (+) Classe v sintetizzano ssRNA (+)che viene trascntto nei nuovi genomi a ssR NA (-) Classe VI sintetizzano il genoma a ssRNA (+)attraverso la trascrizione del f1lamento (-)a ssR NA (b)

Figura 9.2 La classificazione di Baltimora dei genomi virali. Sono note sette classi di genomi vi rali. l genomi possono essere (a) a DNA o (b) a RNA, e a singolo filamento (ss) o a doppio filam ento (ds). Vengono mostrati sia il percorso segu ito da ogni genoma virale per formare il suo mRNA sia la strategia utilizzata da ciascuno per la replicazione.

f rm az i ne da R

a

d

atali zza t Infine, all a

Tabella 9.1 Alcuni tipi di genomi virali Genoma vira/e Virus

Ospite

P rvowus H· 1

DNA oRNA

Singolo o doppio filamento

Struttura

Numero di molecole

Dimensione (basi o pala di basi)B

DNA DNA

X174

DNA Poliovirus

Animali

RNA DNA RNA

=-===

An1mal1

RNA

Ba1te11

DNA

A imall

D A

Batteri

DNA

An1mali

DNA

Doppio fil m nto

o 1n coppie d1 baSI, a seconda che Il genoma del virus sia costitUito da un filamento s1ngolo oppure doppio. l genomi Vlrali nportat1 nella tabella hanno una d•menSione ben precisa perché sono stati sequenzléltl. Tale precisione può tuttavia essere fuorvlélnte, 1n quanto 11 sequenz1amento è stato effettuato solo su un partiColare ceppo o su un unico VIruS isolato. Pertanto, la sequenza e Il numero esatto d1 basi 1n altri VIruS isolat1 potrebbe variare leggermente. Nella tabella non sono stat1 inclusi né l virus più grandi né quelli più piccoli, perché l'intento era quello di nportare un campione piuttosto rappresentativo della dimensione e della struttura dei genomi d1 virus sia a RNA sla a DNA, sla a filamento s1ngolo sia a filamento doppiO.

•La dimensione è espressa 1n basi

278

UN l T A 2 •

GEN OM l CA GEN E Tl CA E Vl ROL OGl A

Sintesi delle proteine vira li na vo lta inteti zzato l ' mR ( igura 9.2), i pu pas. are alla int i d Il pr t ine irali , che p .. no es r . uddi i e in du grandi al g rie: ( l ) prot in int ti ZLate ubito d po l ' in~ zi ne, chiamat proteine preco i, e (2) protein in t ti zzate in un econd m ment chi amat proteine tardive. pr . i ne d Il pr tein irali finem nte regolata dal punt di vi . ta ia temp ral e sia quanti lati o. e pr teine pr caci n tipicam nt enzimi he, agendo co me catali zzatori , ono sinteti zzati in quantità rclati amente pi cc l . Tra questi ri ntrana non olo polimera. i deg li acidi nuclei i ma anche proteine che arrestano la trascriz ione e la traduzione nell 'ospite. Di contro, le proteine tardi e on in gcn re c mponenti strutturali del viri one, oppure pr teine che ervono oltan to quand il viri one ini zia ad a emblarsi, c engono prodotte in qu antit dec isamente uperi ori (c.+p Paragrafo 8.7). L ' infezion da part di un viru inte r~ ri ce con i meccani. mi di reg !azione dell 'ospite, poiché nell a cellul a infettata . i verifi ca una n te olc . o rapprodu zionc di acidi nucleici e proteine vi rai i. Ila fin e, con l usa la . inte i del le copi e di genoma irale e di co mponenti ·tn.llturali nell a giu ta qu antità, vengono a embl ati i nu i viri oni , che p i abba nd onano la cellul a o pite prov candone la li i, e quindi la morte, ppure fruttando un pr di gemmazione che non ucc ide la ce llul a o pile. Verifica-Distinguete tra un virus a RNA a polarità positiva e uno a polarità negativa. Confrontate il processo di sintesi dell 'mRNA nelle due classi di virus a RNA a singolo filamento. Qual è la particolarità del flusso dell'informazione genetica nei retrovirus?

tegg gli a idi nu lei i al u intem , arri chi an la vari t genetica (e quindi aumentavan la fitnes ) dell e cellul e, facilitand il tra ferimento di geni tra l r . Que ta fun zi n s mbra particol arm ente ril ant nell e ellul pr ariote: i . tal op rto infatti eh il tra feriment g nic ori zz ntal un fattore cru ciale per la loro rapida evo lu zione (c.+p Paragrafi 6.12 e 12.7). differenza di molti altri , i iru lat nti non ucc idon o le c ll ul e piti , ed po ibile he i primi imi vi ru s i ano tat i preva l n tem nte latenti abbi an s i luppat capa ità litiche . !tanto in seg uito, p r pen trare più rapidamente nei nu pi ti .

l virus e la transizione dal mondo a RNA al mondo a DNA ltr ad a r probabilm nt ntri buit all a diver ità gen ti ca, è po si bile che i vi ru sian late le prime entit co ntenenti ·osticn che I' R fo D . L ' ip te. i del mondo a R il materi al geneti c delle primi. si me c llul e e che il D in quanto caratteri zzat succe i va mcnte ub ntrato all ' R va e intere ant ipotcattribui c un

a D

9.2 Evoluzione virate uand . no c mpar i . ull a erra i primi irus e qu al la l r r lazi ne on le llu le? P iché tutti i irus c n . ci uti hanno l gico bi ogno di una ce llu la o pite per p ter i r plica r , de. um r che la loro c mpar a ia successiva a quell a d Ile prime ellule, a enuta qua i 4 miliardi di anni fa. m lto probabile qu indi che i viru. siano omponenti ce llul ari e ti giali che hanno viluppato la capac ità di replicar i con l'a iuto Late per elaborate altre ip t si sull 'ori delle cellule. on gine iral , tra ui qu Ila e ndo cui i viru. ri alirebbero al " m nd a R ", una fa d ll ' e oluzione in cui i pen a che I' R ~ e l' uni d p itari o dell'informazion geneti ca (c.+p Paragraf 12. 1 e Fi gura 9.3). ec ndo un 'a ltra ipote i , i virus p tr bber e ere tati ce llule h p r qual h ragi n per e empi • p r ttimizzare i gen mi - hann eliminat un numero tale di geni da di cntare dipendenti da un o pite per gran parte dell e loro funzi nidi replicazione. on olo non appiamo come iano ca mpar i i viru , ma ncmm no perché. probabil e eh l'e oluLi ne dei irus ia tata indotta dall a n c ità dell e ce llule di "far circolare" i geni in natura. po . i bi le che la sei Li ne abbia favori t i virus p i hé, p ssedend un a form a e tra llul are eh pro-

domini, i m cca ni . mi incentrati ul D non i erano ancoera infatti il ri ultat di ra af~ rm ati. L a bi himi a del D infez i ni virali. a d tazi ne di nzimi legati al metaboli m

CA Pl TOL O 9 •

Figura 9.3 Ipotesi dell 'origine virale del DNA. (a) L'evoluzione di enzimi DNA-specifici avrebbe consentito ai virus a RNA di diventare virus a DNA; DNA-U, DNA con uracile; DNA-T, DNA con timina; DNA-hmC, DNA con 5-idrossicitosina. Nei virus sono state rinvenute tutte queste varianti di DNA. (b) L'infezione di una cellula con genoma a RNA da parte di un virus a DNA potrebbe aver esposto le cellule alla molecola del DNA, più stabile di quella deii'RNA. L'infezione degli antenati di Bacteria da parte di un virus a DNA considerevolmente diverso da quelli che infettarono Archaea ed Eukarya potrebbe spiegare perché il macchinario del DNA degli Archaea e degli Eukarya differisce da quello dei Bacteria.

eh

ca ratl rina le

Evoluzione del genoma virate

RNA

l

- - • DNA-T - - - DNA-h mC T1m~'na

A1bonucleohde riduttast

smtetaSi

HMC

transfomsl

Genoma a DNA

Mondo a RNA

l lul

Cellula infettata da un virus

Mondo a DNA

(a)

Antenati di Archaea ed Eukarya infettati da virus a DNA simili

Tran lzlon da RNA a DNA Archaea

---' , Virus a DNA l

rtato all a c que. ta

................... Virus a DNA Il

Antenati di Bacteria infettati da virus a DNA diversi

Filogenesi virale P ich

la

ari tà delle

279

Vl RUS GENOM l E Dl VERS l TA Vl RA L E

n rme (b)

di uno t . iuti,

m

iru tratifìcat e ic l , ha un diametr di

di

impa-

. Il i-

Poxvirus dei cordati Poxvirus degli insetti

Grande virus nucleoci topla smatico a DNA (NCLDV)

NCLDV

lridovirus dei pesci lridovirus degli anfibi

Mimivirus Phycodnavirus (a)

(b)

Figura 9.4 Filogenesi del grande virus nucleocitoplasmatico a DNA (NCLDV) . (a) Microfotografia al microscopio elettronico a trasmissione di mimivirus, un membro del gruppo NCLDV. Un virione ha un diametro di circa 0,75 ~m. (b) Filogenesi dei principali gruppi di NCLDV basata su sequenze comparative di diverse proteine del metabolismo del DNA.

280

UNl T A 2 •

GEN OM l CA , GE N ET l CA E V l ROL OGl A

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . In che modo i virus potrebbero aver accelerato l'evoluzione delle cellu le? Spiegate in che modo i virus potrebbero aver "inventato" il materiale genetico presente in tutte le cellule. Trovate due motivi per cui potrebbe essere difficile ricostruire un albero filogenetico universale per i virus .

Il • Virus con genomi a DNA 9.3 Batteriofagi a DNA a singolo filamento: $X174 e M13

g noma.

a

fì lament

CAPITOLO 9 •

VIRUS: GENOMI E DIVERSITÀ VIRALE

281

Origine di repticazione del genoma

Figura 9.5 X174: batteriofago a DNA a singolo filamento. {a) Mappa genetica. Si noti la sovrapposizione dei geni. La proteina A• viene sintetizzata usando solo una parte della sequenza codificante del gene A, grazie al re-inizio della traduzione. Nella legenda sono indicate le funzioni delle proteine codificate da ciascun gene. (b) Flusso dell'informazione genetica in X174 Grazie al la replicazione a cerchio rotante, partendo dalla forma replicativa si ottiene DNA a singolo filamento (Figura 9.6).

t A

H

Geni sovrapposti

)J

G J F A

Sintesi della forma replicativa del DNA A' Inibizione della sin te si del DNA dell'ospite 8 Forma~ione dei precursori del capside Maturazione del DNA D Asse mblaggio del capside

Batteriofago M13

E

F G

H

J

c

l

K

Lisi della cellula ospite Proteina capsidlca principale Proteina principale delle spicole Proteina secondaria delle splcole Proteina di impacchettamento del DNA Fun~ione sconosciu ta

(a) Mappa genetica di (j!X174 La trascrizione del filamento negativo produce l'mRNA vira le.

attraver a la in un in olucro l tremità d l pre i l ti (Figu-

ssDNA

i ntr el-

Forma replicativa (dsDNA)

Le copie del genoma sono prodotte dalla replicazione a cerchio rotante ssDNA -.;(_FI..:.g_ur_e_9_ .6,;..)._ _--J (genoma virate)

(b) Flus o degli eventi durante la repl lca zion e di (jl 174

Sito di taglio all 'origine

Estremità 3 ' Punto del filamento di crescita

Punto di crescita

4. Si completa una

3. Continua l'allungamento

1. La forma replicativa del DNA è intaccata dal gene della proteina A.

. •••••

rota~ione e viene prodotto un genoma virate della progenie.

del filamento positivo originale e la sintesi del nuovo filamento positivo.

••• ••••••••••••••

Figura 9.6 Replicazione a cerchio rotante nel fago X174. La replicazione inizia all 'origine della forma replicativa a doppio filamento con il taglio del filamento

6 . Forma replicativa di X174 pronta per la sintesi di un nuovo genoma.

positivo da parte della proteina A (entrambi i filamenti di DNA sono rappresentati qui in verde chiaro per semplificare lo schema) . Dopo che è stato sintetizzato

\

o

S. Taglio e unione da parte del gene della proteina A .

'--------------' 7. Un genoma di X174 del filamento positivo ssDNA.

un nuovo filamento (una rotazione completa del cerchio), la proteina A taglia il filamento neosintetizzato e lega le due estremità tra loro.

282

UN l T A 2 •

GE NOM l CA . GENET l CA E Vl RO L OGl A

P3e P6

P3 e P6

Membrana esterna

9.4 Batteriofagi con genoma a doppio filamento di DNA: T7 e Mu a doppio fì lam nto no tra n bbiam già d i viru m glio tudi ati e nel ap it l critti du imp 1tanti e mpi , T4 lambda. Data l'imp rtanza eh rive tono in biol gia molecolare, nel l ' pre ione geni a n id raz i n due altri e n Ila genomica, prender m ra in e empi di qu ti iru : i fagi T7

P8

Batteriofago T7

Membrana citoplasmatica

membrana

Genoma virale (ssDNA) (a)

P7

e P9

(b)

Figura 9.7 Rilascio del fago M 13. l virioni del lago M13 escono dalla cellula infettata senza provocare lisi. (a) Gemmazione. Il DNA virale attraversa il rivestimento della cellula mediante un canale formato dalle proteine codificate dal virus. Nel momento in cui questo avviene, il DNA viene rivestito dalle proteine capsidiche inserite nella membrana citoplasmatica. (b) Virione completo. Le due estremità del virione sono ricoperte da poche molecole delle proteine capsidiche secondarie P3 e P6 (estremità anteriore) o P? e P9 (estremità posteriore).

un viru a D r lativam nte piccol eh alcuni altri batteri enterici corr lati. m on caratt ri zzato da una te ta ic a dri a e da una coda molto co1ta. li genoma un a mol ola di D lin eare a d ppi fì lam nt c mposta eia circa 40 paia di kil obas i. uando un viri on eli si attacca a un a c l lula osp it e vi inietta il D , i geni eh codifica no le prot ine preco i ve ng n tra. critt i rapidamente cla ii ' R p li m ra i cl ll ' opite e quindi trad tti . na di queste pr te in e in ibì ce il i t ma di re trizione dell'o pit , i il m ca ni mo che permell llul di protegger i dal D e traneo (et+' ParagraaJJ r .6). l c m nt ' in quan-

Diverse caratteristic he rendono il fago lo per i l cl n ggi il quenziamen lo del luogo, molti a petti della rep licazione del D similiaquellidi 174ei l genoma m Il pi l , eque t faci lita le operazioni di equenziam nt . I n . econdo luogo , la f rma a d ppi fi lamento d l genomi co, indi. p nsabi le 13 quando per il clonaggio, vi ne prodotta natura lmente da pa a all a forma rep licativa. In ltr , p i h rimangono ive e pr li~ ranti , l c llul e in~ ttate po. on essere mantenut a ere impi gare come fonte co ntinu a di tempo incl finit ed D clonat . I nfìn , e i te un a r gion n n od i ficant n l 13, come nel fago lambda (et+' Paragrafo 8.8), g noma di che pu ess re o tituita da D e g n . P r tutti qu ti motivi , l occ upa un pazio importa nt n Il a " ca tta d gli attrezz i" d i biot eno logi .

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Perché la forma replicativa di X174 è indispensabile per la sintesi dell'mRNA del fago? • Nel genoma di X174, qual è la differenza tra il processo di sintesi delle proteine codificate dal gene B e dal gene A*? Come possono essere rilasciati i virioni di M13 senza uccidere la cell ula ospite?

che g nera p rmutazion i ci reo lari

Batteriofago Mu u un fag t mp rato , com lambda (et+' Para raf 8.8), ma ha la ingoiar propri tà di repl icar per traspo izione. li le-

CAPl T OL O 9 • Origine di replicazione

Ripetizione terminale

3' 5'

Forma a "bolla"

Vl RUS : GEN OM l E D l VERS l T A V l RAL E

283

Figura 9.8 Replicazione d e l genoma del batteriofago T7. (a) La replicazione bidirezionale del DNA lineare a doppio filamento dà origine a intermedi a forma di "bolla" e di "Y" (per semplicità entrambi i filamenti stampo sono colorati in verde chiaro, mentre i filamenti neosintetizzati in verde scuro). (b) Formazione di concatameri come risultato dell'unione di molecole di DNA tramite le estremità non replicate. (c) Produzione di molecole di DNA virale mature a partire dai concatameri grazie all 'azione di un'endonucleasi.

~ 3' 5'

Forma a "Y"

~ G

5'

3' 3' 5'

(a)

D' E'

F' G'

lz

.

1 GA8CDEFG

(a)

Punto di inserzione

G' A' B' C' D' E' F' G' Unione delle due molecole a formare un concatamero (b)

8 C

Concatamero

D E F --+G A

B

c

D

-

E

F

G

A

8

c

D

E

G' A'

B' C'

D' E' F' G'

G A

5'

A'

B

8'

-t;- Taglio C A enzimatico D E F

C' D'

DNA polimerasi

Il taglio enzimatico produce porzioni a singolo filamento. (c)

DNA polimerasi

E' F' G' 5'

G A

5' 3' G' A'

B

B' C'

D E F G

D'

c

E' F' G' 3' 5'

l

La ONA polimerasi completa i singoli filamenti.

Mol cola di T7 matura con ripetizioni terminali

Duplicazione di 5 paia di basi (b)

La riparazione del DNA porta ali formazione di una duplicazione di 5 paia di basi.

Figura 9.9 Batteriofago Mu. (a) Micrografia elettronica di virioni del fago Mu , con genoma a DNA a doppio filamento. (b) Integrazione di Mu nel genoma dell'ospite; è mostrata la duplicazione di 5 paia di basi del DNA dell'ospite.

284

UNl TA 2 • GENOMl CA. GENETl CA E Vl ROLOGl A

Verifica

Quali sono le differenze importanti nella trascrizione del DNA fagico nei batteriofagi T4 e T7? Che cosa c'è di inusuale nel meccanismo di replicazione del genoma di Mu?

9.5 Virus degli Archaea

CAPITOLO 9 •

(a)

(b)

VIRUS · GENOMI E DIVERSITÀ VIRALE

285

Figura 9.11 Viru s del vaiolo. Mlcrografia elettronica a trasmissione di una sottile sezione di vlrioni del virus del vaiolo con colorazione negativa. l virioni sono lunghi circa 350 nm (0,35 J..Lm). La struttura a manubrio visibile all'interno del virione è il nucleocapside, che contiene il g noma a DNA doppio filamento. Tutte le fasi della replicazione del virus awengono nel citoplasma dell'ospite .

9.6 Virus animali con cicli particolari di replicazione del DNA (c)

(d)

Figura 9.10 Viru s degli Archaea. Micrografia elettronica di virus di Crenarchaeota (pannelli a, b, d) e di un virus di un euryarchaeota (pannello c) . (a) SSV1, un virus a forma affusolata che infetta Sulfolobus solfataricus (l virioni misurano 40 x 80 nm). (b) SIFV, un virus filamentoso che infetta S. solfataricus (i virioni misurano 50 x 900·1500 nm). (c) PAV1 , virus di forma affusolata alle estremità che infetta Pyrococcus abyssi (i virioni misurano 80 x 120 nm) . (d) ATV, il virus che infetta l'ipertermofilo Acidianus convivator. Nel momento in cui vengono rilasciati dalla cellula i virioni sono a forma di limone (virione a sinistra), ma una volta fuori continuano ad allungare le appendici a entrambe le estremità (a destra). l vi rioni hanno un diametro di circa 100 nm.

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . . , . • Quale tipo di genoma è presente nella maggior parte dei virus che infettano gli Archaea? Rispetto ad altri virus che infettano gli Archaea , quali sono le due caratteristiche atipiche che contraddistinguono il virus che infetta Acidianus?

Poxvirus

286

UNl TA 2 • GENOMl CA, GENETl CA E Vl AO LOGl A Figura 9.12 Adenovirus. (a) Micrografia elettronica a trasmissione di virioni adenovirali. Si noti la struttura icosaedrica. (b) Replicazione genomica adenovirale. Grazie alla formazione di un'ansa (circolarizzazione), non si formano frammenti discontinui sul filamento copia: la sintesi del DNA è continua su entrambi i filamenti. Una citosina (C) è legata alla proteina terminale.

(a)

Proteina terminale

DNA di adenovirus

5' ~;;;;;;::;;:;:::::::;::---!"--=~--:.!

i iru . impl

3' -, ,;(

Adenovirus Filamento guida neosintetiz-

'

zato

',' ~~~ ,. ~~ 5'5' 3' ·~ l ..

3'

5' 3'

______

Direzione della circolarizzazione ::::;:')

a:==:=====~~~..:.-.;. ~-

' +

5' Il filamento negativo circolarizza per mezzo delle ripetizioni terminali invertite.

Doppio filamento lineare com pletato

y 5'C~~~~~[=: ·=====~:é;> 3' ~

(b)

iru a cinico geneticam nte in modo che contene e protein ifì che di altri v iru , al fin di viluppar vaccini in grado di ontra tarli (c!;:> Paragra-

CA Pl T OL O 9 •

V l RUS : GEN OMl E D l VERS l TA Vl RA L E

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Qual è la particolarità del processo di replicazione genomica dei poxvirus? Qual è la particolarità del processo di repl icazione genomica degli adenovirus? Perché la proteina terminale adenovirale è essenziale per la replicazione genomica?

9. 7 Virus tumorali a DNA Oltr a cata i izzar

a int grar i n i genomi in po on indurr tum ri a D a d ppi

(a)

iru

Poliomavirus SV40

+ (}

o:::::::::===-

DNA dell 'ospite

DNA virale

l

Integrazione del DNA vira le nel DNA dell 'ospite.

---- ~ Trascrizione dei geni che inducono il tumore

mRNA del virus tu morale

~ Proteine 1' vorall che inducono il tumore

-/

t::~:=:3

,...------..

tt

(b)

i n le inatti l ular incontrollat

Figura 9.13 Poliomavirus e induzione di tumori. (a) Micrografia elettronica a trasmissione del DNA circolare in forma rilassata (non superavvolta) di un virus tumorale. La circonferenza di ogni molecola è circa 1,5 1-1-m. (b) Fasi della trasformazione cellulare causata da un poliomavirus come SV40 . Il DNA vira le viene Integrato nel genoma dell'ospite. Successivamente, i geni virali responsabili della trasformazione cellulare vengono trascritti e trasportati nel citoplasma per essere tradotti.

287

288

UN l T À 2 •

GEN OM l CA, GENE T l CA E Vl ROLO Gl A

Figura 9.14 Herpes virus . Flusso degli eventi durante la replicazione del virus herpes simplex cominciando da una micrografia elettronica del virus herpes simplex (diametro di circa 150 nm). Sebbene all'interno del virione il DNA sia lineare, una volta nell'ospite esso circolarizza.

DNA virate nel nucleo della cellula

[)

Proteine precoci immediate

Proteine precoci ritardate

Proteine tardive

Il

•

il rivestimento virate definitivo viene aggiunto quando la progenie vira le gemma attraverso la membrana nucleare.

()

il processamento dei concatameri produce il DNA genomico virate

m ati ca.

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Come varia l'esito d ell'infezione da virus SV40 negli ospiti permissivi e in quelli non permissivi? • Nominate due patologia comuni causate da herpesvirus. • Qual è la particolarità dell'envelope di un herpesvirus?

111 • Virus con genomi a RNA 9.8 Virus a RNA a polarità positiva

netica

Fago MS2 Il batteri fag id

M 2 ha un diametro di c.i r a 25 nm

ìco a dri o. Il

iru

rapidamente av vio j m

i n ~ tta c l lul

di

un cap-

heri hia

oli

le principa l i atti i-

CA Pl T OL O 9 • Vl RUS · GENOM l E Dl VERS l TA Vl RA LE

28

(a) Micrototografia elettroni ca del t ago MS2

130 1308 1335 1724 1761 (b) Mappa geneti ca di MS2

3395 3569

Genom virale (ssRNA,+)

'J'\./V'\. Viene sintetizzato iv filamento negativo.

.,.,

'

l

'

(ssRNA ,-) r------\

~~e~tizzato il fil m nto

'

'

-------

pOSitiVO.

'J'\./V'\. (ssRNA ,+)

Proteine vira li

Poliovirus

(c) Flu s o degli v nti durant

Figura 9.15 MS2, piccolo batteriofago a RNA. (a) Micro rafia elettronica a trasmission e del pilo di una cellula donatrice di Escherichia coli. Sono visibili i virioni del fa o MS2 adsorbiti al pilo. (b) Mappa genetica di MS2. SI noti la sovrapposlzione tra il gene che codifica l proteina dlllsi e quelli che codlfrc no la proteina capsidica e l replicasi. l numeri si riferiscono alle posizioni nucleotidiche suii'RNA. (c) Concatenazione delle fasi di repllcazione virale.

Coronavirus l fi lem nt a p laril cit pia ma, r l m dalità

290

UNl TA 2 •

GENOM l CA • GENETl CA E Vl ROL OGl A

(a)

VPg

Poli proteina

-·-

~-

....-"-'

;.' 1 ,

---~

Jl, -\ - ','-...,'·'"'

l

--,',,(

l

(b)

Proteine strutturali del capside

(c)

!

Le proteasi , 1 '. tagliano la ,' 1 poliproteina.

,

l

Proteasi

l

l l

RNA replicasi

Figura 9.16 Poliovirus. (a) Virioni di poliovirus al microscopio elettronico a trasmissione. (b) Modello al computer basato sull'analisi a diffrazione elettronica di virioni del poliovirus. Le varie proteine strutturali sono mostrate in colori diversi. (c) Replicazione e traduzione del poliovirus . Si noti l'importanza della RNA replicasi.

di rep li az i n . I r spirat ri e nell'u m normali raffreddori

R m

natura)

h

m Ili al tri pr

e

a.

Verifica Com'è possibile che I' RNA di poliovirus sia sintetizzato nel citoplasma mentre I' RNA dell 'ospite deve essere sintetizzato nel nucleo? Cosa contiene la poliproteina del poliovirus? Quali sono le differenze e le analogie nei meccanismi di si ntesi proteica e di replicazione del genoma tra poliovirus e virus della SARS?

9.9 Virus animali con genoma a filamento negativo di RNA

J corona iru dai p li iru p r la di men ione dei iri ni e d l genoma, per l 'a. enza dell a pr t ina Pg e per la mancata pr duL.ione di p liprot i ne. Tutta ia, poich entra mbe le tipologie di vi ru po ied no genomi a

Rhabdovirus

CAP l T OL O 9 •

Vl RUS: GENOM l E Dl VERS l T A Vl RA L E

291

(a) (a)

*

5'

Infezione; rilascio del genoma a ssRNA 3'

~'--~\~&~~:=~i~:==uL[~T~r~a-d-uz_i_o-ne__d_e_l__~ f

Gene della ' replicasi

Cap

RNA parentale a filamento negativo

l --

gene della replicasi

00

-

-

........................ ...

Replicasl

Jlr~-in-t-e-si_d_e_l-fi-la_m_e_n_t_o_n_e_g-at-iv_o....,J

5'

3'

[Assemblaggio)

Sintesi di copie del genoma

/

5'

3'

~~=:±=:::=::Jl~JS:/SJ;)

5'

"

3' 3'

Traduzione per ottenere proteine virai i

RNA genomico a filamento positivo

l virioni g mmano attrav rso la membran citoplasmatica dell'ospit .

Proteine dell'envelope virale aggiunte ai vi rioni gemmanti attraverso la membrana citoplasmatica dell'ospite Virus della progenie (b)

(b)

Figura 9.17 Co r o navirus. (a) Micrografia elettronica di un coronavirus; un virione ha un diametro di circa 150 nm . {b) Fasi della replicazione dei coronavirus. Gli mRNA codificanti le proteine virali sono trascritti dalla RNA replicasi utilizzando come stampo il filamento negativo che, a sua volta, è sintetizzato, sempre dalla RNA replicasi, su stampo del genoma virale.

Figura 9.18 Viru s a RNA a pol arità negativa: i rh abdo viru s. (a) Micrografia elettronica a trasmissione dei virloni del virus della stomatite vescicolare . Il diametro del vi rione è circa 65 nm. (b ) Fasi della replicazione di un virus a RNA a polarità negativa. Si noti l' importanza deii ' RNA replicasi codificata dal virus.

proiettile" (Figura 9.18a). l rhabd cl

apsid

l i pidic

Virus dell'influenza n altr gruppo di v iru

p

ito

da un imp rtant ag

292

UN l T À 2 •

GENOM l CA , GENET l CA E Vl ROL OGl A

(a)

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . .

RNA endonucleasi

• Perché è necessario che i virus a polarità negativa trasportino un enzima nel virione? Cosa s'intende per genoma segmentato? • Nel virus dell 'i nfluenza, che cos'è il riassortimento genetico e come avviene?

9.1 O Virus a RNA a doppio filamento

(b)

Figura 9.19 Virus dell 'influenza. (a) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione sottile di virioni del virus dell'influenza umana. (b) Disegno che mostra alcuni componenti principali del virus, incluso il genoma segmentato.

iru , un tipi co r ovin1 ,

di diarr a n i bambini tra i 6

pr

i 24 m rie, m nlre altri an

nt

CA Pl T OL O 9 •

V l RUS : GENOM l E Ol VERS l TA Vl RA L E

(a)

293

(b)

Strati est rni dei virioni

Membrana citoplasmatica dell'ospite

.

\

Produzione di RNA genomico positivo e c ptazione dal core virate.

con g nom compi to (c)

Figura 9.20 Virus a RNA a doppio filamento: i reovlru s. (a) Micrografia elettronica a trasmissione del vlrlonl di reovlrus (diametro circa 70 nm). (b) Ricostruzione digitale tridlm nslonale di un virione di reovirus realizzata sul la base di micrografie elettroniche di vlrionl congelati-idratati. (c) Il ciclo di vita di un reovirus . Tutti i passi di replicazione e di trascrizione avvengono all'interno del nucleocapside. NTP, nucleotide trifosfatl.

mmazi n

m dianl

294

UN l T A 2 •

GENOM l CA , GENET l CA E V l ROL OGl A ~ Ripetizioni dirette ~

3' RNA ret.rovirale

5'

La retrotrascrizione deii'RNA in DNA di - 100 nucleotidi all'estremità 5' è catalizzata dalla trascrittasi inversa. R

PB

DNA neosintetizzato

L'RNA vira le terminale ridondante è rimosso a opera dell'attività della ribonucleasi della trascrittasi inversa.

DNA/ neosintetizzato

Trasferimento del DNA e del tRNA, all'estremità 3' .

La sintesi continua di DNA porta all'estensione del filamento negativo di DNA.

DNA / neosintetizzato

Completamento del breve segmento di filamento positivo di DNA e rimozione di entrambi gli inneschi.

La trascrittasi inversa si trasferisce sull'altro filamento e completa la sintesi del filamento complementare (negativo) di DNA. 5' 3'

3' 5'

Formazione di DNA a doppio filamento tramite l'attività della trascrittasi inversa.

Integrazione nel DNA cromosoma le dell'ospite con la formazione del provirus Figura 9.21 Formazione del DNA a doppio filam ento a partire da RNA a singolo filam ento di un retrovirus. Le sequen ze indicate con R suii'RNA sono

ripetizioni dirette presenti a entrambe le estremità. La regione indicata con PB è la sequenza alla quale si lega l'innesco (tRNA) . Si noti come la sintesi del DNA

produca delle ripetizioni dirette più lunghe rispetto a quelle presenti suii' RNA. Queste sono chiamate lunghe ripetizioni terminali (LTA) .

CA P l T OL O 9 •

Vl RUS: GENOM l E Dl VERSl T A Vl RA L E

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . In cosa consiste il genoma dei reovirus? Quali sono le analogie e le differenze tra la replicazione del genoma dei reovirus e quella del virus dell'influenza? Perché la maggior parte degli eventi della replicazione virale avviene all'interno del nucleocapside?

Ca p

gag

*~

295

env

poi

AAAAA ...

Processamento di GAG

9.11 Virus che usano la trascrittasi inversa

capsid iche

Proteasi

Trascnttas1 inversa

lntegras1

(a) Ca p

b- ------------- _ en_v_-==Regione ........................................... ,..

E V

del eta

Retrovirus

•

AAAAA ...

/ E

(b)

Figura 9.22 Traduzione dell'mANA retrovirale e maturazione delle proteine. (a) L'RNA retrovirale codifica i tre geni gag, poi ed env per tutta la lunghezza. L'asterisco indica il sito dove il ribosoma deve ignorare il codone di terminazione o cambiare lo schema di lettura per poter sintetizzare la poli proteina GAG-POL. Le frecce grige spesse indicano traduzione, quelle nere indicano eventi di processamento proteico. Uno dei prodotti del gene gag è la proteasi. Il prodotto POL è processato per dare la trascrittasi inversa (RT) e l'int grasi (IN). (b) Il mRNA è stato processato per rimuovere la maggior parte della regione gag-poi. Questo messaggero più corto è tradotto nella poliproteina ENV, che è poi tagliata nelle proteine dell 'envelope (EP), EP1 ed EP2.

r m na v .l ta integrat , il D r troviral div nta una co mponent p nnanente del cromo orna dell ' o pite: i g ni p

296

UN l T À 2 •

GEN OM l CA , GEN ET l CA E V l ROL OGl A

Figura 9.23 Hepadnaviru s. (a) Micrografia elettronica di virionl del virus dell'epatite B. (b) Genoma del virus dell'epatite B. Il genoma a DNA parzial mente a doppio filamento è mostrato in verde. Sono mostrate anche le dimension i dei trascritti. Tutti i geni nel virus dell'epatite B sono sovrapposti. La trascrittasi inversa produce il genoma a DNA da una singola molecola di mRNA di lunghezza genomica sintetizzata dalla RNA polimerasi dell'ospite. (a)

Trascritti

'.tr-~:r----,-':;:.--

Innesco di RNA del filamento+

~~;::i~~~- (stampo 3,4 kb

:=::

per la trascrittasi inversa) {b)

Hepadnavirus iru pre entan una ari età di Lrutture gepiù nomiche . h mi di r pii azi ne in ane i, ma ne un . trano di quello d gli hepadna iru , tra cui il viru uman degli dell 'epatite B (Figura 9.23a). l minu c li gen mi a D hepadn av iru ono at1p 1 i perch n parzialmente a d ppi fì lament . ono tante l dimen i ni rid tt ( -4 paia di kilo-

Verifica Perché gli inibitori della proteasi virale possono essere efficaci nel trattamento dell'AIDS umano? • Contrapponete il genoma dell ' HIV a quello del virus dell 'epatite B. • Descrivete il diverso ruolo della trascrittasi inversa nel ciclo rep licativo dei retrovirus e deg li hepadnavirus.

CA P l TOL O 9 •

V l A US G[N O M l E D l VERSl T A Vl RA L E

297

IV • Entità subvirali la n tra pan ram ica genomi ca del mond vira i pr nd ndo in on id razione due tra l più importanti entità uhvirali: ir idi prioni . i tratta di agenti infetti vi eh a somi gl iano ai iru ma non p on iderati tali in quanto privi di acidi nucl i i

9.12 Viroidi

Malattia da viroide ' in~ zi n di una pian ta da part d i ir idi pu t mati a, ppur ca u ar una malatt ia più

Struttura e funzione dei viroidi

Figura 9.25 Struttura dei viroidi. l viroidi sono form ti da ssR NA circolare eh forma un 'apparente struttur doppio filamento tramite un appaiamento intramol col re delle basi.

Plasmodesma

Figura 9.24 Viroid i e malattie delle piante. Fotografia di pianta di pomodoro sana (sinistra) e infettata dal viroide del tubero a fuso della patata (PSTV) (destra). Lo spettro d'ospite della maggior parte dei viroidi è piuttosto ristretto. Tuttavia, PSTV infetta tanto le patate quanto i pomodori, provocando arresto della crescita, appiattimento dell'apice e morte prematura del la pianta.

Figura 9.26 Movimento dei viroidi all 'interno dell e piante. Una volta entrati in una cel lula vegetale, i viroid i (arancione) si replicano o nel nucleo (viola) o nel cloroplasto (non mostrato). l viroidi possono passare da una cellula vegetale all'altra attraverso i plasmodesma (sottili canali di ci toplasma che attraversano la parete e collegano le cellule vegetali tra loro). Inoltre, i viroidi possono spostarsi all'interno della pianta attraverso il sistema vascolare.

298

UNIl A 2 •

GENOM l CA GENET l CA E Vl ROL OG A

a

ere leta l , a econda del iroide in cau. a ( igura 9.24). a maggior parte dei intomi ono correlati alla ere cita della pianta, e i pen a h i iroidi imi ti n o in qualch m d int rferi can con i piccoli R r g latori delle piante. In fa tti , iroid i te i potr bb r r d ri ati da R r g latoo luti in mod da p rder il ruol b n fi o p r l c llul e cgetali e acqui ire la capaci tà di indurre la l r di lruLione. not che i iroidi dann o origine a piccoli R interfer nti (. iR ) c me prod tt e ondario duran te la replicazionc. lato proposto un modell in ui qu . ti si R po san p i agire attraver. o la ia di silcnLiamento deii " ' R interferen e" p r reprim re l 'espre. ion di g ni vegetali eh hann una certa mologia con I' R del iroide, e in tal modo indurr i sintomi d Il a ma lattia.

Verifica Dal momento che i viroidi hanno struttura circolare, perché vengono rappresentati con forma "a fo rcina"? Attraverso quale meccanismo i viroid i potrebbero causare malattia nelle piante?

----------------------------/

9.13 Prioni l pri oni rappre

ntano l ' e. tremo oppo. t dei viroidi . l pri ni ui f rma ex tra ellul are interament al a dire, un prione 11011 con tiene né au an m lte malatt ie n urologich ,

malattia di on . on in e e note malattie assoc iat ai prioni nelle piante, sebb n l lor in ieme le ari prioni . ian stati ritro ati n l lie it . malattie causate da prioni n gl i anima li s no cono. ciu te c m

encefalopatie spo11gijonni trasmissibili.

Proteine prioniche e ciclo infettivo

(a)

(b)

Figura 9.27 Prioni . (a) Sezione di tessuto cerebrale umano affetto da vCJD (variante della malattia di Creutzfeldt-Jakob). Si noti l'aspetto spongiforme (presenza di vacuoli, freccia) nei punti in cui si è perso tessuto neurale. (b) Meccanismo di misfolding (mal ripiegamento) del prione. Le cellule neuronali producono la forma nativa della proteina prionica. La forma patogena della proteina prionica catalizza il mal ripiegamento dei prioni nativi nella forma patogena. Quest'ultima è resistente alle proteasi, è insolubile e forma accumuli all'interno delle cellule neurali. Alla fine, questo processo determina la distruzione del tessuto nervoso [si veda la parte (a)) provocando sintomi neurologici.

CAPl T OL O 9 •

vo a, bb n p an an ra f rmar aggregati , n n grado di indun· la malatti a.

Vl RUS : GENOMl E Dl VERS l TÀ Vl RA L E

299

n in

Prioni di animali diversi dai mammiferi rt brati , c mpre i anfibi p i p omol ghi al gene Prnp d i mammiferi , eh eng n pr nel t uto n rvo . Tuttav ia, l pr t in codifi cate da qu geni n er ioni patog ne mal ripi egate e p rtant n n sono prioni . In al uni fun ghi ono tate rit venute pr t ine h ri pecchi ano la defini zi ne di " pri n ", inte o c me agente di modificaz i ne r ditaria auto-propagante del! n~ rm azion pr t ica, ma che tuttavi a non pr ca n patol ogi e, nzi, fa ori con l 'adattam nto dell a cellula fungin a a v ntuali vari azioni n II condizioni nutri zionali . llie it , p r mpi , il pri one [ R un a proteina eh r gola la tra cri zi n

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . .

• Su quali basi si possono differenziare i prioni da tutti gli altri agenti infettivi? Quali sono le differenze tra la forma normale e patogena della proteina prionica? • In cosa differisce un prione da un viroide?

iru , · 40. po~-. i cde un "Cnoma minu ra1 po~ti. l l \Ìru' lll ll intH:-,car' la tra torlllallOilC

300

UNIl A 2 • GENOMl CA. GENETl CA E Vl ROLOGl A ilamcnt usano la tralri;ion' ri · nO'> om>

raglian br.:' i ,cIUCn/C 'flet:ilkhe di l ' . l pr doui d •Ila dic.c,rionc wn enti mi di rc'olri;ionc po'o'oono C'o\cr '. eparati u and l' ' l ur f r·si '>LI gel di agaro.,io.

11.2 • E pO~'>ibil • indi' iduar· •quen; • mpl ·m ·111ari di a ·idi nu le ici mcdi an re ibrida;ionc. Le '>onde t: O'> l i tu ire da D a "ngol o lilamcnro o daR . marcare con colorallli fluorc,t:cnri o con ber,aglio o a una ·lcm•nti radioaui' i. vengono ihridat • a un l 'cquen;a di R 11.3 • La r'a;ion • a carena della p li rncnl'oi P R) c una pr • per fan: ci ccdura p ·r ampli lì ·ar • i11 r•i1ro framrm: n1i di D urili11a D p limcra\i rerm \!abili . Il ·alore el e alo c n· ' 'oario p•r denaturar• il D nell ' du' \·mi lich'. \\ero in due mole ·ole a '>ingoio fìlamcnro, t:ia'o ·una delle quali vicn • ·opiara dalla 1olirncra-.r. l rermin • di ogni i lo. an hc il l) appena '>Ìnlclill~llo andrà in ·onlro a d ·mllunl!ion · • il pr · ''>'> di rcplit:a JUO ricominciar'. ogni ·iclo. la quan1i1ir d ·l D piaro raddoppia. 11.4 • L ' i'>olamcnlo di un gene -.pet:ifiw o di una regione dd ·rorno-.orna mcdianlc donag •io è rcali11a1o urili11ando un pla,rnid · o un \iru'> come \Cllr'. Gli crvirni di lpr·~sionc . ci \CIIOri di ''>pr '\'-ione po,,ono C'>\Cr' pr''> 'rlli an ·hc., gnali in gra l di migliorare l'cffr ·i •n;a della rratlu;ionc. 11.1 O • Per l ' inucgncria • ncti a di frammcnri di l A di grandi dimcn~ioni ~ no \lati appo~i r amcnl ·creati \ellori di clonaggio ~p ·ciali11ati quali hall •riofagi, CO'>Illidi • cronro.,omr arri li iali . l bali ·riofa.,i ricornbina111i po'o'oon C'o\Cr • a-,, •m bimi ;, l' il m ·d C'> scrc trasferir i n ·Ile c ·llul· bcr\a!!lio c n cl., ala cflìcicr11a. m •nrr.: i ·m m idi 'ono 'cii ori pla,rnidici eh· cnnrcn"ono le ~cqucn;c co\ del genoma lambda. l crommorni arufìt:iali pO'>'>Ono ..,,c,· urili; /ali per donare lramrncnli di Dt A della dimcmionc di circa una m ·gaba~c .

11.11 • Per OIICncre alli li\ CI Ii di C'-PI' Parag rafi 6.4 22.9) .

387 llulari

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Qual è la differenza tra il genoma centrale e il pangenoma di una data specie? • Che tipo di ricombinazione può esercitare l'impatto più marcato sul genoma centrale? • Quali effetti hanno le delezioni sull'evoluzione dei genomi microbici?

IV • Sistematica microbica la de cri zion e l ' id ntifì cazione dei mi crorgani mi , ma l 'obi tti o di tabilire eh co a in rea ltà identifi ca un a p ci materia an ora controver a.

Attuale definizione di specie microbica

12.8 Concetto di specie in microbiologia

388

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

•• • .lf • 1r r• r r

Organismi da comparare:

JliOISmO

1

Organismo 2

~

c~

~ ~

g;n U> Paragrafo l 1.1 ), i fram m n ti v ng n p i eparati m diant lettroforc i u g l, tra ~ riti u un a membrana di n l n e marcati c n una onda p r il gen dell' rR (Figura 12.28) . p ie m icrobiche dif~ renti p n a ere un di er o numero di p roni p r gli rR variab i le da l a 15, e il numero di qu ti oper ni pr enti in un genoma microbic cepp i di un a pe i . I n nomi che tra i cepp i p op ri i tagli in punti di er i, dand lu g a framm mi va ri abili nell e loro l un gh zz , vi uali zzab ili u ge l lettr ~ ret ico.

D

rta

ti m ti i, la rib tipi zzazi in diagno ti ca clini ca e n acqu a e b va nde. !tre met diche di fìngerprinting g nomi mun mente u ate s no la rep -P R (reperiti ve ·tragenic palindromic

Lactococcus lactis Lactobacillus acidophilus Lactobacillus brevis Lactobacillus kefir

5,0 kb

2,0 kb

1,0 kb

Figura 12.28 Ribotipizzazione. Analisi ribotipica di quattro differenti batteri lattici. Il DNA di una colonia di ogni specie viene estratto, digerito con enzimi di restrizione per ottenere frammenti poi separati su gel di elettroforesi e quindi ibridato con sonda per il gene dell'rANA 16S. Per ogni specie viene generato un profilo peculiare di bande. Le variazioni nella posizione e nell 'intensità delle bande consentono l'identificazione degli organismi a confronto.

0,5 kb

~!

t~ -.,

~~

Figura 12.29 DNA fingerprinting mediante rep -PCR. l DNA genomici di cinque ceppi diversi (1 -5) appartenenti a una stessa specie batterica sono stati amplificati mediante PCR grazie a primer specifici chiamati rep (repetitive extragenic palindromic); i prodotti di PCR vengono poi separati su gel di agarosio in base alla dimensione, generando così peculiari impronte del DNA. Le frecce indicano alcune delle bande che d ifferiscono per dimensioni. l ceppi 3 4 mostrano profili molto simili. Nelle corsie 6 e 7 sono stati caricati dei marca tori di dimensione nota (D NA di 100 pb e di 1 kpb, rispettivamente) necessari per stimare la dimensione dei frammenti di DNA ottenuti mediante amplificazione.

Analisi multigene e dell'intero genoma

Analisi fenotipica

Tabella 12.2 Alcune caratteristiche fenotipiche di valore tassonomico

Classi di acidi grassi nei Bacteria Classe/Esempio

Struttura dell ' esempio

o

Categoria

Caratteristiche

Morfolog1a

Morfolog'n d1 colonia; coloraz1one d1 Gr m; forma e 'm ns1one d 11 c llule; presenza, num ro e posiz1on 111, lh; presenza d1 spor , corpi 1inclus1on ( r esempio PHB , glico no, r, nuh d1 pol1fosfato, vesc1cole ssos . ma n tosom1): capsule, strato S e strat1 mucosi (ghcocahce): p duncoli o prostheca ltre app ndlci: formazione d1 corp1 frutt1fen

l. Sa turi: acido tetradecanoico Il. ln sa turl: acido omega-7 -cis esadecanoico

Il

HO/

C- (CH2), 2-CH3

~ HO/

~

H

C- (CH 2)6- C=t- (CH 2)6- CH 3

111. Clclopenten lcl: acido cis-7,6-m lilene esadecanoico IV. Ramifica ti: acido 13-metil-tetradecanoico

Mobili t

V. ldrossilati: ac1do 3-ldrossHetradecanoico (a)

M tabolismo

IDENTIFICAZIONE DELL'ORGANISMO

t

Fisiologia

Comparazione del profilo gas cromatografico ottenuto con quelli present11n banca-dali

Coltura battenca

l l

t

Estraz1one degli acidi grassi

Ch1mica dei hpid Chimica Ila p r te

Derivat1zzaz1one per la formazione degli esteri metilici

GM "PHB, poli1drOSSibut1rrato (c'.:> Paragrafo 2 14). bFtgura 12.30.

(b)

l l"og•fo

di diff r ntl St ri metilicl d gli acld1 grassi PICChi

Jr. t:

~

8

•

Figura 12.30 An alisi degli acidi grassi di membrana (FAME, Fatty Acid Methy/ Esters) per l'identificazione batterica. (a) Classi di acidi grassi presenti nei Bacteria. È forn ito un singolo esempio d i ogni classe, ma in realtà sono attualmente conosciuti oltre 200 acidi grassi strutturalmente distinti di provenienza batterica. Un metil estere con tiene un gruppo metilico (CH:J al posto di un protone sul gruppo carbossilico (COOH) dell'acido grasso. (b) Procedura. Ogni picco ottenuto dall'analisi gas cromatografica rappresenta un particolare estere metilico, e l'altezza del picco è proporzionale alla sua quantità.

l ba tteri o in sa m ,

amente per ia gas-cr maue nulo, che ri e ia il ti p

CA Pl T OL O 1 2 • EVOL Ul l ONE E S l S TE M A Tl CA M l CROB l CA

Tassonomia e descrizione delle nuove specie

~ r nti ca ratt ri sti ch fenotipi che pu pi tas nomi i in esa m .

Verifica • Quale classe di geni viene studiata con l'analisi • In che cosa la ribotipizzazion e differisce dalla rep-PCR ? • Cos'è l'analisi FAME?

M~ ST?

12.1 O Classificazione e nomenclatura on ludi am la trattazi n d ll 'evo lu zi n mi robi a e d Ila istcmati a con una bre c de. ri Li n di c m ng no la ifì ati e den minati , i gli rchaea

Tabella 12.3 Gerarchia tassonomica del batterio rosso sulfureo Allochromatium warmingii Taxon

Nome

Proprie tà

Conferma te da

Phylum

Globuli dt zolfo (Sil)

Cl s

Or

111

Caratteristiche

Cl lromatiat s

s ec1e _________________

393

394

UN l TA 3 • D l VERS l TA M l CROB l CA

Due testi fondamentali: il Bergey's Manuale The Prokaryotes i nomi ode of

Dal m m nt dizi

h .la ta

Baci

zi l.

l.

Collezioni di colture microbiche (Tabella 12.4)

of

Tabella 12.4 Alcune collezioni nazionali di colture microbiche Collezione

Nome

Sede

Indirizzo web

ATCC

Americ n Type Culture Collection

M n ssas, Virginia

http://www. tcc.org

BCC

LMG

Belg1um Coord1n

ColleCtiOn or Microorganlsms

hent, Bel 10 Parigi, Fr ncia

http://www. ccm.bels o. htt ://www.p st ur.fr

CIP

Collection d l'lnslitu a Past ur

DSMZ

D utscha Sammlung von Mikroor anism n und Zellkulturen

JCM

Japan Collection of M1croorganisms

Saitama. Giappon

http://www.jcm.riken.go.jp

NCCB

Netherl nds Cultura Coli ction or Bacteria

Utrecht, Paesi Bass1

htt ://www.cbs.knaw.nl/nccb

NCIMB

National Coli ction of Industriai Marine an Food Bactaria

Aberdeen, Scozia

htt ://www.ncimb.com

r unschw i • Germani

h t ://www.dsmz.de

CA P l T OL O 1 2 •

EVOL UZ l ONE E Sl STE M AT l CA M l CROB l CA

c ppi mi r bi ntal

395

ri gin am-

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Quale ruolo svolgono le collezioni nell'ambito della sistematica microbica? Cos'è ii/JSEM e quale funzione tassonomica garantisce? Per quale motivo le colture di cellule vitali risultano più utili per la tassonomia microbica rispetto ai campioni conser__) vati in forma non vitale?

CONCETTI FONDAMENTALI 12.1

o

Il

miliardi di anni. L prim ili di IILII pr miliardi di anni fa.

pr cs~i di muta~ion • ri mbin:11i ne. L' mu1:11ioni si vcrifu.:ano Paragraf 14.7) . l clor somi fun zi nano come un 'antenn a gigant , ma al contrari o delle antenne d i

d i eian batteri l m l c le di clorofì Ila nei

nt nn a ntro di reaz ion membrana citopl a. mati a, per mezt-o di un a pi cco la pr teina chiamata proteina FM . l batl ri v rdi p s n ere cere alle più ba e intensit lum ino e utiliaate dai fototrofì fin ra c no. ciuti c si ritrovano spesso nell e acqu e più profonde d i laghi , dei mari chiusi c di altri habitat a qu atici in cui i li elli di lumino ità . ono troppo bas i per supportare la ere cita di altri fototr fì . l batteri verdi non . ulfurei . on i comp n nti principali dei tappeLi mi crobi ci, gli p i bi ofìlm he . i form ano in pro imità del! sorg nti ca lde e n gli ambienti altament ali ni (et+> Paragrafo 19.5). ci tapp ti mi crobi ci . i form ano gradi nti di

CAP l TOLO 1 3 • Dl VERS l TA METAB OLI CHE NEl Ml CRORGANl S Ml

401

LH II

LHI LH II

LHI

LH J I ~LH

Centro di reazione

LHI

H~ LHJ I

LH II

(a)

(b)

Figura 13.4 Disposizione delle clorofille/batterioclorofille che catturano la luce e dei centri di reazione in una membrana fotosintetica. (a) L'energia luminosa assorbita dalle molecole che catturano la luce (LH, verde chiaro) viene trasferita ai centri di reazione (RC, verde scuro) dove hanno inizio le reazioni fotosintetiche del trasporto di elettroni. Le molecole dei pigmenti sono fissate nella membrana da specifiche proteine di legame. Si confronti questa figura con le Figure 13.11 e 13.12b. (b) Microg rafia a forza atomica dei fotocomplessi del batterio purpureo Phaeospirillum mo/ischianum. Questo organismo ha due tipi di complessi che catturano luce, LHI e LH II. l complessi LH II trasferiscono l'energia ai complessi LHI, e questi la trasferiscono a loro volta al centro di reazione (si veda la Figura 13.12b).

esterna

Strema

Membrana interna (a)

Membrana del tilacolde

Pila di tilacoldi che formano i grana

(b)

Figura 13.5 Il cloroplasto. (a) Micrografia di cellule dell'alga verde Makionoella. Ognuna delle quattro cellule di un raggruppamento possiede diversi cloroplasti. (b) Dettaglio della struttura del cloroplasto che mostra come le circonvoluzioni delle membrane tilacoidi definiscono uno spazio interno chiamato strema e formano pile di membrane chiamate grana.

lu , app na p hi mi llim tri al di . lt d Ila . up rfì i la lu pre o hé a nt . l cl ro om i comunqu on. enton la ere cita ai batteri verdi non ul rur i an he con una minima di. p nibilit di luce. Verifica • Qual è la differenza fondamentale tra un fototrofo ossigenico e uno anossigenico? Qual è la differenza tra il numero di molecole di clorofilla/ batterioclorofilla dei sistemi antenna e dei centri di reazione in un complesso fotosintetico? Perché? Perché i batteri verdi fototrofi crescono a intensità luminose che non possono sostenere la vita dei batteri porpora?

13.2 Carotenoidi e ficobiline Le clorofì Ila/batteri inte i, ma gl i rgani mi !are, i carorenoidi

Carotenoidi

, marr n pettro ( i-

402

J Nl T A 3 •

D l V ER::ì T A M l C RO B l CA

J

i

(a)

""::1 {a)

Interno

l1Hl111 Esterno

.

,.: ::1

l..,

! (b)

Figura 13.6 Membrane nei fototrofi anossigenici. (a) Cromatofori. Sezione di una cellula del batterio purpureo Rhodobacter che mostra le membrane vescicolari fotosintetiche. Le vescicole si formano dall'invaginazione della membrana citoplasmatica e sono in continuità con essa. La cellula ha una larghezza di circa 1 1-1-m. (b) Membrane lamellari nel batterio purpureo Ectothiorhodospira . La cellula ha una larghezza di circa 1,5 1-1-m. Anche queste membrane si formano dall'invaginazione della membrana citoplasmatica e sono in continuità con essa, ma invece di assumere forma di vescicole formano delle pile di membrane.

c l r fì ll e, i

Il a Figura 13.9 sono mostrati i prin ipali ar l trofì an .. ig n i i . tendono a ma. eh rar il c l re del l batteri n re. p n. abi li d Il a brill ant t.za ra, r . a, erde, g iallo o marrone che . i

{b)

Proteine di membrana

Figura 13.7 Il clorosoma dei batteri verdi sulfurei e non su lfurei. (a) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione trasversale di una cellula del batterio verde sulfureo Chlorobaculum tepidum. Si notino i clorosomi (frecce) . (b) Modello della struttura del clorosoma. Il clorosoma (verde) è disteso ben aderente alla superficie interna della membrana citoplasmatica. Le molecole di batterioclorofilla (Bchl) antenna sono organizzate in strutture tu boiari all'interno del clorosoma e l'energia viene trasferita da queste alla Bchl a del centro di reazione (RC) nella membrana citoplasmatica (blu) attraverso una proteina denominata FMO. Le proteine della piastra basale (BP) fanno da connettori tra il clorosoma e la membrana citoplasmatica.

& r an in di er e pecic di f l tr fì an g ura l 4. l 2).

igeni i ( Fi -

CAP l T OL O 1 3 •

Dl VERS IT A M ET A B OL l CHE N El M l CRORGA Nl S M l

403

l. Caroteni Diaponeurosporene

Neurosporene

Figura 13.8 Struttura di un tipico carotenoide: il 13-carotene. Il sistema dei doppi legami coniugati è evidenziato in arancione.

antaggi a. Il. Xantofille

Ficobiliproteine e ficobilisomi (eh di c nd -

OCH3

Eliobatteri

Batteri purpur l

Batteri verdi non sulfurel (Ghloroflexus)

-Batteri purpurel (In pr senza di aria)

Batteri verdi sulfurel

-

Batteri v rdl non sulfur l (specie colorate in marrone)

Figura 13.9 Struttura di alcuni carotenoidi che si ritrovano comunemente nei fototrofi anossigenici. l caroteni sono idrocarburi e le xantofill sono carotenoidi ossigenati. Si confronti la struttura del 13-carotene mostrata nella Figura 13.8 con quella mostrata qui. Per semplicità, nelle strutture mostrate in questa figura i gruppi metile (CH~ sono rappresentati solo dai loro legami.

13.3 Fotosintesi anossigenica Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Quali fototrofi possiedono i carotenoidi? E quali le ficobiliproteine? Com 'è la struttura di una ficobilina in confronto a quella di una clorofilla? • La ficocianina è blu-verde. Quale colore assorbe?

404

UN l T A 3 • Dl VERS l T A M l CROBl CA

Alloficoclanlna (Absmax 650 n m)

(a)

Ficocianina (Absmax 620 nm)

(b)

(c)

Figura 13.1 O Ficobiliproteine e ficobilisomi. (a) Microfotografia in campo chiaro di cellule dei cianobatteri {dall'alto in basso) Dermocarpa , Anabaena e Fischere/la, che mostrano il tipico colore blu dovuto alle ficobiliproteine. (b) Struttura della ficocianina (sopra)

e del ficobilisoma. La ficocianina assorbe a energie superiori (lunghezze d'onda più corte) rispetto all'alloficocianina. La clorofilla a assorbe a lunghezze d'onda più lunghe (energie inferiori) dell 'alloficocianina. Il flusso di energia del PSII è quindi

l entri di reazi n dei batteri p rp ra lipeptidi, chiamati L, e H. mole la di it r m c

onteng no tre po-

ficocianina alloficocianina clorofilla a. (c) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione sottile del cianobatterio Synechocystis. Si notino i ficobi lisomi (frecce) con struttura !ondeggiante di colore scuro attaccati alle membrane lame Ilari.

Flusso di elettroni nei batteri purpurei e r azi no a a H

Membrana fotosintetica

L

(a) Figura 13.11 Struttura del centro di reazione di un batterio fototrofo purpureo. (a) Disposizione delle molecole dei pigmenti nel centro di reazione. La "coppia speciale" delle molecole di batterioclorofilla è riportata in alto

(b)

in arancione; i chinoni sono riportati in basso in giallo scuro. Le batterioclorofille accessorie sono vicine alla coppia speciale in giallo chiaro e le molecole di batteriofitina sono in blu. (b) Modello molecolare della struttura

del centro di reazione. l pigmenti descritti nella parte (a) sono legati alle membrane dalle proteine H (in blu), M (in rosso) e L (in verde). Il complesso pigmenti-proteine del centro di reazione è integrato nel doppio strato lipidico.

CA Pl T OL O 1 3 •

- 1,0

Pa?o·

Ol VERS l TA M ET A B OL l CHE NEl Ml CRORGAN l S Ml

L'energia luminosa converte i donatori deboli in donatori forti.

405

Esterno (periplasma) 2 H•

- 0,75

-o,5 Eo' -O 25

M

'

0,0 +0,25 +0,5

(a)

P870

/

Il flusso ciclico di elettroni genera una forza proton motrice.

Luce rossa o infrarossa Flusso deg li elettroni nella fotosintesi anossigenica

Membrana fotosintetica Interno (citoplasma)

+P,

ATP

(b) Organizzazione dei complessi proteici nel centro di reazione

d l batteri purpur l Figura 13.12 Flusso di elettroni nella fotosintesi anossigenica nei batteri purpurei. (a) Schema delle reazioni lu minose. Si verifica una sola reazione luminosa. Bph , batteriofeofitina; QA, Q 8 , chinoni intermedi; pool Q , pool di chinoni della membrana; Cyt, citocromo. (b) Posizionamento dei complessi proteici nel centro di reazione dei batteri porpora che determ ina la creazione di una forza proton-motrice sfruttata poi daii 'ATPasi (fotofosforilazione). LH , complessi di batterioclorofilla che raccolgono la luce; RC , centro di reazione; Bph , batteriofeofitina; Q, chinone; FeS, proteina ferro-zolfo; be 1 , complesso del ci tocromo be 1 ; e2 , citocromo e2 . Per una descrizione della funzione dell ' ATPasi si veda il Paragrafo 3.11 .

Generazione del potere riducente Perch un batterio purpur o ere ca ragrafo l . l ) n n uffì ciente la s l a ~ rm azi n di ffìnch il po . a es ere ridott a materia! cellul are, 2 n cessario anche del potere ridu cente ( H). i batteri purpur i il potere riducen te pu e ere pr dolt in di er i prattutlo . fruttand i co mpo ti olf rati rid tti ome H 2 . uand l ' H 2 viene util izza to c me donatore di lettroni i batteri porpora imma azzin an g lobuli di 0 all 'i nterno gli letlroni vanno a finire nel d Il a ce llul a ( igura 13. 1)

406

UN l TÀ 3 •

Dl V EASl TÀ M l C A OBl CA Batteri purpureì

Eliobatteri

Batteri verdi sulfurei

P798* ............. - 1,25

Chi a-OH -1,0 P870* -{) ,75 -{),5

Eo' (V)

NAOH

-{),25

l

...

Q•

o

Cyt

Flusso Inverso

+0,25

di elettroni

P840

Cyt c ssJ

~

+0,5

Figura 13.13 Confronto del flusso dì elettroni nei batteri purpurei , nei batteri verdi sulfureì e negli eliobatteri. Si noti che nei batteri purpurei il flusso inverso degli elettroni è necessario per produrre NADH in quanto l'accettore primario (il chinone, Q) ha un potenziale più positivo della coppia NAD +/ NADH.

Luce

Nei batteri verdi e negli eliobatteri la ferredossina (Fd), il cui E~ è più negativo di quel lo del NADH, è prodotta dalle reazioni guidate dalla luce per sopperire alla necessità di potere riducente. Bchl , batterioclorofilla; Bph, batteriofeofitina. P870 e P840 sono i centri di reazione, rispettivamente,

CsSJ

P798

~ Luce dei batteri purpurei e verdi e sono costituiti da Bchl a. Il centro di reazione degli eliobatteri (P798) contiene Bchl g e il centro di reazione di Ch/oroflexus è del tipo dei batteri purpurei. Si noti la presen za di forme di clorofilla a nei centri d i reazione dei batteri verdi e degli eliobatteri.

'grupp dei chin (circa O ) n n

Flusso di elettroni fotosintetico in altri fototrofi anossigenici ulAu

ft

diel

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . • Quale parallelismo esiste tra i processi d i fotofosforilazione e di fosfo rilazione ossidativa? • Cos 'è il trasporto inverso deg li elettroni e perché è necessario? Quali fototrofi hanno bisogno di utilizzare il trasporto inverso degli elettroni? • La clorofilla a non è presente solo nei fototrofi ossigenici. Spiegate.

13.4 Fotosintesi ossigenica l ontrario del flu di l ttr ni n i fototrofi ano ig mct, il flu di l ttr ni n ifoto/rofi o igenici ì svo lg attraver·

CA Pl T OL O 1 3 • Figura 13.14 Flusso degli elettroni nella fotosintesi ossigenica: lo schema "Z". Il flusso di elettroni attraverso due sistemi : PS I e PSII. Ph , feofitina; Q, chinone; Chi , clorofilla; Cyt, citocromo; PC , plastocianina; FeS, proteina ferro-zolfo non-eme; Fd , ferredossina; Fp, flavoproteina ; P680 e P700 sono le clorofille rispettivamente dei centri di reazione PSII e PSI. Si confronti con la Figura 13.12.

- 1,25

-1 ,O

Dl VERS l TÀ M ETAB OL l CHE NEl M l CRORGA Nl S M l

407

P700'

'

P680*

è un ottimo donatore di elettroni. P680'

.

Chla 0 . . Q

-0,75

/

-0,5

PQA .

-0,25

Eo•

M

PQ 8 ~

+0,25

/ /

NAD(P)H

/

/ / /

/ /

PQ

0 ,0

/

Il flusso di elettroni ciclico genera la forza proton-motrice.

/ ,.----po - o""' l\ Il flusso di elettroni non ciclico genera la forza proton-motrice.

l

P700

+0,5

Fotosistema l

+0,75 2 e-

+1 ,O

P680

H20

;;c.:. ~

0 2+ 2 W

~ Luce

Fotosistema Il

Flusso degli elettroni e sintesi di ATP nella fotosintesi ossigenica

~ Luca

P680 è un donatore di elettroni debolissimo ma un eccellente accettore di elettroni.

408

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

ri lata un pa utili zzare H 2

ggio ev luti v hia , p r hé ha p rm o di me d natore di lettr ni p r la f t int 1.

Verifica - - - Descrivete il flusso degli elettroni nella fotosintesi ossigenica ciclica e in quella non ciclica. • Qual è il ruolo chiave dell 'energia luminosa nella fase iniziale delle reazioni fotosintetiche? Cosa ci porta ad afferm are che la fotosintesi ossigenica e quella anossigen ica sono processi correlati ?

________

Figura 13.15 Ossidazione di H2S da parte di Oscillatoria limnetica . Si notino i globuli di so (frecce), il prodotto di ossidazione di H2 S, formati all'esterno delle cellule. O. limnetica esegue la fotosintesi ossigenica, ma in presenza di H2S le cellule ritornano al processo anossigenico.

di ridurre i l DP+, n ri p diti dal P l , h n rm alm nte d rebbe ridurre la fcrredo sina, all a catena di tra p rto d gli elettr ni che c nnette P Il a P l. ln tal m do que ti elettr ni he p rm tte un ' u 1g nerano an hc un a ~ rza pr t n-m tri teri re inte i di P (linea tratt ggiata nell a igura 13. 14).

Fotosintesi anossigenica nei fototrofi ossigenici

m

_/

13.5 Vie metaboliche autotrofe L'a utotrofia il proce c n il quale una form a di carb po era d' energia e altamente a imil ata nel materi le cellulare.

Ciclo di Calvin on n te di er e ie autotro fìch , ma il ciclo di il pi ù ampiamente diffu o in natura. LI iclo di alvi n pr ente nei batt ri p rp ra, n i cian balt ri , nell alghe, nell pi ante erdi , nell a magg i r parte dei Bacteria chem l it tr fì e in al,. ha ea . Il ciel ri chiede 2, un a moleco la accettri ce di D(P)H, P e due enzimi hiave, la ribulo. io di, 2 fosfa to arbos ila i e lafo iforibulo hina i. La prima tappa del i l di al in catalizzata dall ' nzim a ribu lo io di f fa t carbo il a i, abbre iat Rubi Rub i

tra come

ntro di reazione f t inteti c d i batt ri purpur i e verd i n n ul furei a mi glia a quell o del P Il , mentre la truttura del centro di reazi ne dei batteri erdi ulfurei e d gli eliobatt ri a omi glia a quello d l P r. Dat le forti e idenz d l fatto che i batteri purpur i e erdi precedettero i ianobatteri u Il a Terra di f r circa 0,5 mili ard i di anni (et+> Paragrafo 12.2), chi aro che la foto int i ano igenica tata la prima f rm a di foto inte i ull a T rra. La onne ion tra le due form di c ntri di reazione (P l e P Il ) da parte d i cian balt ri i

un gue un a eri e di riarrangiam nti bi ochi mici tra ari zucch ri , tt nend all a fin e 6 m lec le di ribul o io 5-fo fato (totale, O atomi di carb ni o). Il pa sagg io fin a! d l ciclo di alvi n la fo f ril azion di ognun o di qu ti da parte dell ' nzima fo f ribu lochi nas i ( •igure l . 16b e 13. 17) p r ri g n rare 6 mol c le ace ttri ci, la ribul o o di fo fat . l n t tale, il ciclo di al i nri chiede / 2 DPH 18A TPper inteti zzar un a m l cola di gluco io (più prec i amente dal ciclo e frutto io 6-P) a partire da 6 moleco le di 0 2 .

H2Cl C= l H- Cl H- Cl

O

P

O

Carbossilazione di composti C5 per ottenere due composti C3

H2C- O

R1buloslo d•fosfato

carbossllasl (RublsCO)

P

• :ro2

Ribulo sio dlfosfato

T•

(a)

H2C- 0 l

Intermedio Instabile

H2 C - O

+

ATP Passaggi inversi della glicolisi

Acido fosfoglicerico

COOH l H- C - OH l H2 C - 0 P

l H- C- OH l H2C - O

Due molecole di acido fosfoglicerico (PGA)

Ossigenazione: attività alternativa della RubisCO

P

HO - C- H l COOH

P

l HOOC- C- OH

-----1------C= O

OH OH

H2C- O

H2 C- 0 f' l HOOC- C- OH l H

l HQ-C - H l P 0 - C= O

NADPH

f'

+

ADP~

Acido 1,3-difosfoglicerico

Produzione di intermedi chiave della glicolisi

(b)

H2C- O

H2C- OH l C= O l

H-y- OH + ATP H- C- OH l H2C- O P Ribulosio 5-fosfato

Fosfonbulochlnasl

Rigenerazione dell'accettore di co 2

l C= l H- Cl H- Cl H2 C-

P

H2y- 0 HO-C- H l HC = O

P + P + NADP•

Gliceraldeide 3-fosfato

l

Alla biosintesi

O

OH

+

OH O

P.

ADP Il ciclo si rlp te partendo da (a)

Rlbuloslo difosfato

(c)

Figura 13.16 Reazioni chiave del ciclo di Calvin. (a) Reazione catalizzata dall'enzima ribulosio difosfato carbossilasi. (b) Tappe della conversione dell'acido 3-fosfoglicerico (PGA) a gliceraldeide 3-fosfato. Si noti che sono richiesti sia ATP sia NADPH . (c) Conversione del ribulosio 5-fosfato alla molecola accettore di C0 2 ribulosio 1,5-difosfato a opera dell'enzima fosforibulochinasi. Figura 13.17 Ciclo di Calvin . Si mostra la produzione di una molecola di esoso da C0 2 . Dall'incorporazione di sei molecole di co2viene prodotta una molecola di fruttosio 6-fosfato. Nei fototrofi, I'ATP proviene dalla fotofosforilazione e il NAD(P)H proviene dalla luce o dal trasporto inverso di elettroni.

Carbossisomi alvin, in lulcuni aut Lr fi pr ducon , grazi al ciel i ni ellu lari p l iedriche ch iamate ca rbo clu i ni, c n un diametr di irca 100 nm, una ui le membrana pr tei ca e no o tituite da una matrice cri ta ll ina (Figura 13.18) che comprende circa 250m le le di Rubi p r carbo i oma. l arb

Fruttosio 6·fosfato (6 atomi di ca rbonio)

'

Alla biosintesi

Stechiometria complessiva : 6 CO~+ 12 NADPH + 18 A T P + 12 NADP+ + 18 ADP + 17 P1

2 , un ub trar

alternati

ne n-

~H 12 0 6 (P0 3 H 2 )

zima, e que t a icura che la Rubi che o ig nar il ribulo i difo fato ( igura l tuale o igenazione del ribul l ,5-d ifo fat

410

UNITA 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

i prec ur

Figura 13.18 Gli enzimi cri stallini del ciclo di Calvin: i carbossisomi. Micrografia elettronica di carbossisomi purificati dal batterio zolfo-ossidante chemiolitotrofo Halothiobacillus neapolitanus . Le strutture hanno un diametro di circa 100 nm. l carbossisomi sono presenti in un 'ampia varietà di procarioti aerobi autotrofi obbligati.

più energia e p tere ridu cen t p r in orp rarlo nelle meLab li m centrale ri p tt a quanto nece ari in all a uacarb h carbo ilat

ri dall 'enzi-

Autotrofia in Chloroflexus

ie del gu ito

Autotrofia nei batteri verdi

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Quale/i reazione/i catalizza l'enzima RubisCO? Quanto NADPH e ATP sono necessari per fare una molecola di esoso nel ciclo di Calvin? • Cos 'è un carbossisoma e qual è la sua funzione? Descrivete le differenze tra i seguenti fototrofi: cianobatteri; batteri su lfurei porpora e verdi; Chloroflexus.

pre enlata dalla citrato lia i, un ci nde il itrato in acetii e

Il • Chemiolitotrofia Tra ferir m

13.6 Composti inorganici come donatori di elettroni vicino

rc/10 -

CAPITOLO 13 •

411

-NADHt~::

NADH

Gliceraldeide 3-P

Ossalacetato (C 4 )

/

OIVERSITA METABOLICHE NEl MICRORGANISMI

Malato

l

Fosfoenolplruvato

Fumarato FADH~

rP-a-ss_a_g_g,-i-nv_e_r-si"" della glicolisi

Succinato

KAM P

ATP

Plruvato (Ca)

~ Succlnii-CoA

.....,.IIII'!!I(IIII--F.,er"r"o~dosslna,00 +

ATP

........4."\- 'Ferrodossma, CO{

C0 2

Acetii-CoA (C:z)

00

a-chetoglutarato ~(NADPH / co~ ~ lsocltrato

Citrato (Cs) Reazione netta: 3 C02 + 12 H + 5 ATP- C3H60 3 P032- + 3 H20

(a) Ciclo inverso dell'acido citrico

o

Il CH 3-C-SCoA (C 2) (Acetii-CoA)

HO

ATP

\

2 NADPH

O

OH _

O

Maiii-CoA (C,J

HO-H2' - CH2 - g - SCoA (ldrossiproplonii-CoA)

y.

-

Conversione a m t riale

cellulare

~ Gllossllato (C2)

2H

Succlnii-CoA

l

NADPHÀ O Il H O H - CH 2 - C - SCoA C02 l Il (Propionii-CoA) .__._HOC - C- C- SCoA ;H 3

(Metilmalonii-CoA)

Reazione netta: 2 C02 + 4 H + 3 ATP - - C2H20 3 + H20

(b) Via dcll'ldrosslpropionato

Figura 13.19 Vi e autotrofiche uniche dei batteri verdi fototrofi. (a) Il ciclo inverso dell 'acido citrico è il meccanismo per la fissazione del co2nei batteri verd i su lfurei. Ferredossinared indica le reazioni di carbossilazione che richiedono la ferredossina rid otta (due H ciascuna).

A partire dall'ossalacetato, ogni giro del ciclo determina l'incorporazione di tre molecole di co2e la produzione di piruvato. (b) La via dell'idrossipropionato è la via autotrofica del batterio verde non sulfureo Chloroflexus. L'acetii-CoA viene

(2) p t r ridu cent .

Fonti di donatori inorganici di elettroni

li, in panico lare p

mi o-

carbossilato due volte con produzione di metilmalonii-CoA. Questo intermedio subisce dei riarrangiamenti che portano alla produzione di una nuova molecola accettore di acetii-CoA e una molecola di gliossilato, che viene convertito in materiale cellulare.

412

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

Tabella 13.1 Rese energetiche dall'ossidazione di diversi donatori inorganici di elettroni 8 Donatore di elettroni

Reazione chemiolitotrofica

Gruppo di chemiolitotrofi

E'o

della coppia

(V)

òG0 ' (kJ/reazione)

Numero di elettroni/ reazione

91

~

òG0 ' (kJ/2e )

Fosf1tob

Fosf1t0 batteri

ldrogenob

Idrogeno-batteri

- 0,42

237,2

2

237,2

Solfurob

Solfo-ba teri

- 0,27

20 ,4

2

20 ,4

7olrob

Solto ba teri

-0,20

587,1

6

1 5,7

alt n n1 nfic nti

-0,34

-274,7

6

Batten n1tnticant1

-0,43

-74, 1

2

0,77

32,9

Ammon1o~

Nitntob

r erro f

rrosob

Ferro- atten

O, 9

calcolati sulla base dei valori di E0riportati nell'Appendice 1; i valori per Fe2+ sono a pH 2 e gli altri a pH 7. A pH 7 il valore per la coppia Fe3 +/Fe2+ è circa 10,2 V. b'futte le reazioni, a eccezione di quella con il fosfito, sono accoppiate a 0 2 come accettore di elettroni. L'unica ossidazione nota del fosfito vede so~ - come accettore di elettroni. H2 e la maggior parte dei composti dello zolfo possono essere ossidati in condizioni anaerobiche utilizzando uno o più accettori di elettroni, e Fe2+ può essere ossidato a pH neutro in presenza di N03 come accettore di elettroni. cl'ammonio può anche essere ossidato in presenza di N02 usato come accettore di elettroni nel processo anammox (Paragrafo 13.10). 8 Dati

azi ni di tra porto inver d gli lettroni (co me di cus o nel Paragrafo 13.3 per i batteri f totrofi purpurei), il donat r DH. di lettroni più el. ttr p itiv del p r la maggior parte dei eh mioli totrofì n nece arie le reazio ni di tra porto inverso degli lettr ni p rc hé i loro d natori di elettron i ono elettrochimi amente deboli.

Energetica della chemiolitotrofia L 'e me dei p tenzial i di rìdu zi n elencati nella Tabella 13. 1 rivela eh l'o idazione di diver i donatori inorganici di l ttroni pu ~ rnir nergia uffìcien te per la inte i di TP. Ric rdiarn dal apit l 3 che quanto pi ù due emireazi ni ono l ntane in t rmini di E dell l r coppi r dox, tanto più grande arà la quantità di energia rila ciata ( igura 3.9). Per empi o, la differ nza n l potenziai di ridu zion tra la coppia 2H +/H 2 e la c ppi a Oi H2 è - 1,2 V , che equi valente a un a produzi n di energia lib ra di - 237 kJ/ mole (l ' pp ndi ce l m tra come i calcolano i val ri d Jl 'en rgia l ibera). Invece, la diU r nza di p t nziale tra la coppi a 2H +fH 2 e la coppia inferiore, - 0, 4 2 3 lente a un'energia libera di - 163 kJ/m le. uest'energia anra ufficiente per la pr uzi ne di TP (ìl legarn fo fato ad alta energia dell' TP ha un 'energia lib radi - 3 1 kJ/mole). Quindi i vari d natori di elettroni inorgani ci e gli accettori terminali di elettroni p n e re accoppiati nell r azi ni chemiolitotr fiche ( i veda la igura 13. 9). Da cal li ull ' energia di que to tipo po ibil e prevedere il g n re di chem iolitotro fi eh potrebb r e i tere in natura. Poiché gli organi mi devono ri petlar l leggi della term dinamica, lo le reazioni che on o rgonich n p tenzialm nte in grad di produrr n rgia, la Tab lla 13.1 riporta l' elenc di tutt l clas i note di chem i litotrofi. sam in r mog li a p tti ec logici della chemio lìtotrofia nel apit l 20, d ve vedrem eh le reazioni eh miolit tr fìch co titui cono il eu re dell a maggior parte dei ci li d i nutrienti . a Tab Ila 13.1 mo tra in modo hiaro che tra gli rgani mi elencati gli idrogen -b tt ri so no quelli che ott ngono la maggi r quantità di energia p r gni copp ia di lettroni

0

idata m ntre i ferro-batteri ono qu Ili che ne ottengono di meno. I n altre par l p iam dire che gli idrogeno-batteri oss idano un d nat re di elett.r ni molto forte mentre i ferr -batt d idano un donator m lt d bole. ue te diff renze det rmi nano n n l quanto TP pu es r pr d tto p r ogni c ppia di elettroni o sidat , ma anche quale sia il co to energ tico d Ila produzi n di H p r la r ci ta autotrofa. P r gli idr g n -batteri que to co t pu re zer men tr per i ferro-batt ri il co t fatt re importante, com vedremo n l Paragraf 13.9.

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . Quali sono i due scopi per i quali i chemiol itotrofi ossidano composti inorganici? Perché l'ossidazione di H2 produce più energia se viene utilizzato 0 2 come accettore di elettroni invece di So

i-?

13.7 Ossidazione dell'idrogeno (H 2) 'idrogeno (H 2) è un comune prod tt m tabo lico microbic , d ri ant op rattutto dell ferm ntazioni (Parag rafi da 13.12 a 13.15). Di v r i chemi litotrofì a robi n in grado di uti lizzare I-I 2 c me donator di elettr ni p r il metaboli mo en rgetico. i tratta d i cl a i i " idr geno-batt ri". on n ti molti Ba feria e A rchaea anaer bi che o id an I-12 e h diff ri scono n li' ccett re di elettroni utilizzat (per e em pio nitrat , lfato, ferro f rric , 2). Que ti organi mi arann di eu i n ll 'Un ità 4. Qui n iderer mo i batteri aerobi che o idano l 'H 2, rgani mi che accoppian l' idazione di H 2 all a riduzi n di 0 2 formando d ll ' acq ua.

Energetica dell'ossidazione di H2

a int i di TP durante l' idazi n di H 2 da parte di 2 il ri u ltato d Ile r az i ni di tra p rto d gli elettr ni h generan o una f r a pr t n-m mple i va

CAPITOLO 13 •

DIVERSITÀ METABOLICHE NEl MICRORGANISMI

413

Idrogenasi integrata , - - - - - - - " " ' nella membrana

H•

Esterno

H2

C0 2 +ATP

Idrogenasi citoplasmatica

NADH l

ATP

Materiale cellulare

igenici . Figura 13.20 Bioenergetica e funzion e delle due Idrogenasi negli Idrogeno-batteri aerobi. In Ra/stonia eutropha sono presenti due idrogenasi; l'idrogenasi di membrana è coinvolta nelle reazioni energetiche, mentre l'idrogenasi citoplasmatica produce NADH per il ciclo di Calvin. Alcuni Idrogeno-batteri hanno solo l'idrogenasi legata alla membrana e in questi organismi il potere riducente è sintetizzato mediante il flusso inverso di elettroni da Q indietro fino al NAD+ per formare NADH . Cyt, citocromo; Q, chinone.

Verifica - - - Quale enzima è richiesto dagli Idrogeno-batteri per crescere su H2 come chemlolitotrofi ? • Perché le reazioni di flusso Inverso degli elettroni non sono necessarie negli Idrogeno-batteri che possiedono due idrogenasi?

13.8 Ossidazione dei composti ridotti dello zolfo

Autotrofia negli idrogeno-batteri r

ebben la maggior parte degli idr gen -batteri p anche c m chemi rganotrofa, quand que ti rgani mi on da eh miolit tr fi fi an il 2 mediante il ci l al in (Paragraf l .5). Tutta ia, quand n pr enti omp ti rgani i prontamente utilizza ili c me il glui , n gli idr g n -batteri le inte i degli enzimi del ciel alvin e l idr gena i ono olitamente repr . P rtant

414

JNITÀ

j

•

DIVERSITÀ M CROBICA

Tabella 13.2 Confronto tra le energie di ossidazione di alcuni comuni composti solforati ridotti Reazione chemiolitotrofica

D solfuro a solfato

EleNroni

StechiometrisS

202 ' SQ 2 -

8

H2S

2

so~-

8

s..og- + H2o + 202 - • 2so1- ___

~02 -

•

2H

so4

"Tutte le reaz1001 sono bilaOClate, Sia dal punto dt VISta atomtco che della valenza. Per le reaztoni e l'energetica dell'ossidazione dei solfun a zolfo e da zolfo a solfato, si veda la Tabella 13. 1.

HS-

(a) Solfuro Zolfo

oi- nosolfato

S2

Solsol-

Adenosinafosfosolfato (APS) •.

Solfito Solfato

P,,_--.._

Dolf1t0

••

Fosfonlazione a • livello del substrato •_..

ossldasl

ADP

S04 2-

S042{b)

Figura 13.21 Solto-batteri. (a) Granuli di zolfo intracellulari in Beggiatoa (frecce). (b) Adesione di cellule dell'archeo zolfo-ossidante Sulfolobus acidocaldarius a un cristallo di zolfo elementare. Le cellule sono visualizzate mediante microscopia a fluorescenza dopo colorazione con il colorante arancio di acridina. Il cristallo di zolfo non è fluorescente.

rgani lfat .

W H• Esterno

2 W •

Interno

l

- . he mioli-

•

Il trasporto di elettroni genera una forza proton·motrice.

Matenale NADH ---'"---....- cellulare

ADP

ATP

(b)

Figura 13.22 Ossidazione di composti ridotti de llo zolfo nei chemio litotrofi sulfurei. (a) Tappe dell 'ossidazione dei diversi composti dello zolfo. Sono note tre diverse vie. (b) Gli elettroni derivanti dall 'ossidazione dei composti dello zolfo entrano nella catena di trasporto degli elettroni per generare una forza proton-motrice. Gli elettroni provenienti da S2 e S0 entrano a livello del citocromo c. Il NADH è prodotto attraverso il flusso inverso degli elettroni. Cyt, citocromo; FP, flavoproteina; Q, chinone. Per la struttura di APS si veda la Figura 13.42a.

oJ-

Biochimica dell'ossidazione dello zolfo ell a Figura 13.22

a troni .

dell'o-

nir in du m di . Il i tema più di ffu o imo/filo o idasi. u to enzima o ida i olfiti l ttroni direttamente ul cit r mo c; l ' T I

CAPITOLO 13 •

DIVERSITÀ METABOLICHE NEl MICRORGANISMI

415

13.9 Ossidazione del ferro (Fe 2+)

Batteri ferro-ossidanti

Altri aspetti dell'ossidazione chemiolitotrofica dello zolfo

(b)

posso no cr

so (il pr

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . . Quanti elettroni sono disponibili dall 'ossidazione di H 2 S se il prodotto finale è S0 ? E se il p rodotto f inale è • Considerando i composti intermedi: in che cosa il sistema di ossidazione dello zolfo differisce dagli altri sistemi di ossidazione dei solfuri?

Sot-?

Figura 13.23 Batteri fe rro -ossidanti. (a) Drenaggi acidi dì miniera: è mostrata la conflu enza di un fiume normale e di un torrente proveniente da una miniera di carbone. Le acque acide del torrente sono molto ricche in Fe2+. A bassi valori di pH, Fe2+ non si ossida spontaneamente all'aria, ma la sua ossidazione è eseguita da Acidithiobacillus ferrooxidans ; Fe(OH) 3 inso lubile e sali di complessi ferrici precipitano. (b) Colture di A ferrooxidans . Sono mostrate diluizioni seriali con crescita assente nel tubo a sinistra e crescita via via in aumento nei tubi da sinistra verso destra. La crescita è evidenziata dalla produzione di Fe3 +, che sì complessa rapidamente per formare Fe(OH)3 e protoni.

416

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

idazio ne d l f rro l l lul a.

Energia prodotta dall'ossidazione del ferro

Esterno (pH 2)

Il trasporto di elettroni genera una forza l proton-motrice. Penplasma

'

1

Interno (pH 6)

~09 H20 Materiale NADH - - - - - - l - - + cellulare

ADP

ATP

Figura 13.24 Flusso deg li elettroni durante l'ossidazione di Fe2 + nell 'a cidofilo Acidithiobacillus ferrooxidans. La rusticianina, proteina periplasmatica contenente rame, riceve gli elettroni provenienti da Fe2 + ossidato da un citocromo di tipo c localizzato nella membrana esterna. Da qui gli elettroni attraversano una breve catena di trasporto fino alla riduzione di 0 2 a H20 . Il potere riducente proviene dal flusso inverso degli elettroni. Si noti il ripido gradiente di pH attraverso la membrana.

1-2, mentre uesta . ituat.ion pu far p n are h A. ferrooxidan sia in grado di pr durre P . ent.aco. Li n rgeti i,ma n n c ì, perch l'organi smo non in grado di pr dutTe P in as enL.a di un d nat re di lcuroni . Questo p rch gli ioni H + che cnu·an n l cit pia ma per meL.z d Il ' Pasi d vono es. cr co nsumati p r mantenere il pH int rno entro limiti accettabi li . Il consum di protoni a iene durante la ridut.i ne di 2 nella catena di tra. port di el ur ni qu . ta rea7i neri hi ed el ttroni; que. ti pr cng n dall' idazi n di c 2 + a eH (Figura l .24). I n _ f errooxidans l 'aut tr fìa so. tenu ta dal iclo di al in ( Paragraf l .5) e, a cau a dell 'a lt p t nL.ial del donator di el llroni, ·e 2 +, deve c. sere c n. umata m lta n rgia n Il r at. ioni d l flu in er di el ur ni per tt ner il p L re ridu nt ( H) ne e.. ari p r la fì aL.ione di 2. Il OH . i f rma dalla ridut.ione del + da part d cl ttr ni tl nuti da F 2 + eh s n p mpati indietr r~o il ci tocromo bc 1 e il gruppo dci chinoni a . p se della f rza proton- m tric ( igura l .24). a r lati amente s arsa quantità eli energ ia prod ua dall'o .. id azion del f rro ferroso accoppiata al la grand domanda encrgeti ·a del ciclo di alvin ( igura 13.17) implica che . ferrooxindans dc e .. i dare una grande quantità di c2+ per pr durre picc l quan tità di mat riale ce llu lar _ Perc i , in ambient i in cui i n au ri ferr -os~ idanti aeidofili la l r pre enL.a n n rile ata da grandi quanti tà di c l lu1 , ma dai pr cipitati di ferr f rri ·o da es. i g n rati (Figura 13.2 ). raueremo d Il' ec l i a dei f rr -batteri n i Paragrafi 2 .5 , 2 1.1 2 1.2.

Ossidazione del ferro ferroso in condizioni anossiche e2+ pu e.. ere ssidato in ndi zioni anos. ich da alcuni baueri chem iolitotr fì f L trofì anossig ni i (Figura 13.25). In JUe. ti cas i Fe2+ vien usato come d nat re di l ttr n i nel

CAPITOLO 13 •

DIVERSITA METABOLICHE NEl M CRORGANISMI

417

rgetico (chemiolitotrofi a) e/o c me ridu enn di 2 (autotr fi a).

a

Verifica Perché a pH acido si genera solo una quantità di energia molto piccola dall 'ossidazione di Fe2 a Fe3 • ? Qual è la fun zione della ru sticianina e dov'è localizzata nella cellula? Come può essere ossidato Fe2+ in condizioni anossiche?

13.10 Nitrificazione e anammox l comp sti inorgani i ridoui d ll 'aLOto, amm oni aca ( H 3 ) e nitrito ( 2 ), cng no os. idati aer bi ca mente dai balferi chemiolitotroji nitrijicanti n l proce . o di nitrifi cazione (~+=> Paragraf 14. 1 ). In condiLi ni ano sich l 'ammoniaca viene ss id ata da un parti !are gruppo di baueri aura er. un pr esso hi amat anamm o . l batteri nitri fì anti e quell i he . olgon o il pro esso anamm . no uni ersa lm nte di stribuiti nel suoi , n !l 'a qu a d Ice, nell acque di scari o c n gli oceani . ln condit.i oni a r bi h i Bacteria gli rchaea nitrifì canti ssi dano 1-1 3 a dare nitrii , solo un pi cco lo gruppo di Bacteria oss id a 2 a 'o idaLi on co mpleta di 1-1 a h pr vede il . , 3 3 3 tra. fcrim nto di uo elettroni , i ne p rtant effeuu ata grazi all a c perazi one di due gruppi di organi smi fi si l gica m nte di stinti: gli UllllllOiliaca-os idanti c i nitrito-o sidan ti .

Bioenergetica ed enzimologia dell'ossidazione di ammoniaca e nitriti La bio n rg ti ca dell a nitrifi ca t.i one si basa sugli stess i principi eh g rn an altre rea t.ioni eh mi olit trofi che: gli el llr ni pr ni nti dai substrati in organici rid olli (in quest caso, co mpos ti rid otti d !l 'azoto), entrano in una ca t na di trasport di el ttr ni , e l rcazi ni di tra. porto deg l i clettr ni det rmi nan un a f rLa prot n-motri ce eh port a all a . ime i di TP . l donatori di elettr ni per i balleri nitri fica nti non s n parti co larmente forti . L'Et) dell a c ppi a 2 l H 3 , la prima tappa d Il ' . sidaLionc di 1-1 3, +0, 4 . e I'E d Ila c ppi a 02 ancora pi C1 p . iti o, circa + 0,4 ec 3 sari amente, que. ti p L nLi ali di ridu Lion e obbli gan i batt ri nitrifi ca nti a c der clcuroni ad ace u ri di elettr ni c n un pot nLial piuuo. to alto, il che limita la qu antità di en rgia eh pu e. ser prodoua.

0

(a)

(b)

Figura 13.25 Ossidazion e di Fe2 + nei batteri fototrofi anossigenici. (a) Ossidazione in colture anossiche. Da sinistra a destra: terreno di coltura sterile, terreno inoculato, terreno con crescita con presenza di Fe(OH)3 . (b) Micrografia a con trasto di fase di un batterio purpureo Fe 2 +-ossidante. Le zone rifrangenti brillanti all 'interno delle cellule sono vescicole gassose. l granuli all'esterno delle cellule sono precipitati di ferro. Questo organismo è filogeneticamente correi lo al batterio purpureo sulfureo Chromatium.

m

sigenas i sono ne essari due cl un atomo di ossig n a H 2 :

uesti cl ttr ni deri an dali ' Ol-.s id a.d ne d Il' i dr s no f rniti all 'a mm oni aca mono igena. i dall 'idro . il ami na oss idar duttas i tramite il citocrom o c e l'ubi hin n ( igura l .2 ). uindi , dall 'oss id aL ion di H 3 a n 2 :i g n rati quattro lcttroni , ma in rea ltà so lo due arri an al citocr mo aa 3, l'os. i das i termin ale che interag i. ce formar H 2 ( igura l .26). l baueri nitrito- . sidanti utili zzano l ' nLi ma nirriro-o sidoridwtasi per os id are 3 , co n d gli eleuroni che iagg iano su una atena di tra. port o m Ilo corta (a au. a dell 'a lto p o t e n~:i a l e dell a coppi a 3l 2 ) fin o all a .. idal-. i termin ale (Figura 13.27). ell a atena di tra. porto dei nitri to-o idanti so no pr enti i ci tocromi di tip a e c c la forza

418

UNITA 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA Il trasporto degli elettroni genera una forza proton-motrice

o

ATP

Ossidazìone dell'ammoniaca

Figura 13.26 Ossidazione di NH 3 e flusso degli elettroni nei batteri ammonio-ossidanti. Sono evidenziati i reagenti e i prodotti di questa serie di reazioni. Il citocromo c (Cyt c) presente nel periplasma è una forma diversa del Cyt c presente nella membrana. AMO , ammoniaca monossigenasi ; HAO, idrossilamina ossidoreduttasi ; Q , ubichinone.

i nora non i con . co-

Metabolismo del carbonio ed ecologia dei batteri nitrificanti

Il trasporto degli J elettroni genera una forza proton-motrice. , , - - - , .

Figura 13.27 Ossidazione di NO; a NO:) nei batteri nitrificanti. Per mostrare chiaramente la reazione sono evidenziati i reagenti e i prodotti di questa serie di reazioni. NXR , nitrito-ossidoriduttasi.

Anammox

prolon-m tri e ( · igura l .27).

bben i pr

anamm

Archaea ammonio-ossidanti Da un punl di vi La fì log . ono Bacteria, ma an h

Llr ni p r pr

itro omona e itrobacter rchaea ono in grado di

57 kJ

CAPITOLO 13 •

DIVERSITA METABOLICHE NEl MICRORGANISMI

419

no dei principal i

(a) Anammoxosoma

com tutti mi .

f

l . l ).

(b)

Membrana dello ATP si

Interno

N02

2W

(c)

Figura 13.28 Anammox. (a) Micrografia a contrasto di fase di cellule di Brocadia anammoxidans. Una singola cellula ha un diametro di circa 1 IJ.m. (b) Micrografia elettronica a trasmissione di una cellula; si notino i compartimenti racchiusi dalla membrana che comprendono l'anammoxosom di grandi dimensioni con fibrille. (c) Reazioni che si svolgono nell 'anammoxosoma. NiR, nitrito reduttasi ; HH, idrazina idrolasi; HZO, idrazina deidrogenasi.

Ecologia dell'anammox

420

UN l TA 3 •

D l VERS l TA M l CROB l CA

la rimozione di una frazi ne ignifi ati a(> 0 ~) di H3 dai sedimenti marini , un pr o h pr c dent m nte n n ra spiegabile. n he i

Verifica - Quali sono i substrati dell'enzima ammoniaca monossigenasi? Perché le reazioni anammox devono avvenire in strutture specifiche all'interno delle cellule? Quale fonte di carbonio viene necessariamente utilizzata dagli organismi nitrificanti e anammox?

---

111 • Fermentazioni Composti ricchi di energia e fosforilazione a livello di substrato

13.11 Considerazioni energetiche e redox

Tabella 13.3 Composti ricchi di energia coinvolti nella fosforilazione a livello di substratoa

viene prodouo grazie al lafo iforilaz.ione a li vello di sub Irato . ra edr mo n l dellaglio que. te du arall ri tich enLiali dell a fermentazi n (Figura 13.29).

•••• t

Composto organico

[Cicli redox J NAD+ . 8 • • •

Energia libera di idrolisi, .l GO ' (kJ/moljb

Composto

Ac tii-CoA

35,7

Propionil· CoA But1rrii·CoA

- 35,6

C proii-CoA

- 35,6

Succinii -CoA

- 35,1

Acetii -fosfato

- 44,8

But1rnl-fosfato

- 44,8

1,3-difosfoglicerato

- 51 ,9

• • • • • . NADH • • • • • •

Composto

Fosforilazione a livello del substrato

ricco di energia

~

ADP

~~~:""""1

ATP

Figura 13.29 Elementi essenziali della ferm entazion e. Il prodotto della fermentazione è escreto dalla cellula e solo una piccola parte del composto organico originale è utilizzato per la biosintesi.

Ad nos1na fosfosolfato (APS) N 10. formiltetrai rotolato Energia d'idrolisi

>ADP

P)

•oah da: Thauer. R.K.K. Jungermann e K. Decker 1977. Conservazione dell'energ1a ne1 batteri anaerobi chemiolrofia, Bacterio/. Rev 41; 100·180. bi valon d1 ~ Gl' moslrah qui sono calcolati in ·condiZIOni standard", che non sono necessanamente le condizioni presenti nelle cellule. Considerando la perd1ta di calore, 11 costo energetico della produzione d1 ATP è ptù vic1no a 60 kJ che a 32 kJ e d1 conseguenza l'energia d1 1drolisi d61 compost' ncch1 d1 energ1a mostrata qui è probabilmente più alta. Tuttavia, 1valon d1 questa tabella sono cons1derah. per sempliCità e scopi comparativi, come la quantità reale d1 energ1a nlasciata nelle reaziOni.

duca

P grazi

alla fo l" ri lazi n a li

421

Dl VERS l TA M ETA 8 OL l CHE N El M l CRORGA N l S M l

CA Pl TOL O 1 3 • Il

Piruvato {C3)

~~~an~~~ ~CoA

~

2~-1

Acetii-CoA + Formiato

' " ' Acetii-CoA + C0 2

Reazione fosforoclastica; partecipano diversi enzimi. Ferredossina

Formlato

~

Idrogenasi

+

ATP

p

1

Acetii-P L- ADP

drogenasi

Acetato (C:z)

~

.J

2W

Acetato + ATP (C:z)

Figura 13.30 Produzion e di H2 e di acetato da l piruvat o. Sono conosciuti almeno due meccanismi, uno che produce direttamente H2 e l'altro in cui si forma come intermedio di reazione. La sintesi di ATP avviene quando viene prodotto l'acetato {Tabella 13.3).

Verifica Cos'è la fosfori lazione a livello di substrato? • Perché la formazione di acetato durante la fermentazione è un processo energeticamente favorevole per la cellula?

13.12 Fermentazioni lattiche e acido-miste oltc fermentazio ni sono ei a. ifì ate in ba. e . ia al . ubstrat nn ntato sia ai pr d lli formati . Tabella 13.4 el nca alcun d Ile prin i pa l i f rmen tcuioni classificandole . ulla ba e dei pr d lli f rmat i . Da notare, tra alcune de ll e grandi categ rie, l'alcol til ico, l ' a ido lalli o, l 'acid propionico, la fermen l tre tazion a ido- mi ta, l 'acido bu ti rrico e l'a id aceti f rm ntazioni ono eia sifìcate in ba e al . ubstrat fcrm n~

Tabella 13.4 Comuni tipi di fermentazione e loro energetica in organismi di riferimento Resa energetica (~Go', kJ!mol)

Tipo

Reazione

Alcolica

Esoso -. 2 etanolo

Omolatlicca terolattica

2C02

.b

2H

Streptococcus, alcuni Lactobacillus

et nolo+ C02 +H+

-2 16

Leuconostoc, alcuni Lactobac!llus

acet to -

CO.

Esoso , etanolo + 2,3 butandtolo + succ1n to2 lattaio + acetatoformiato H2 + C02

H20

-==-=--==-roato - +

Fruttosio

3 ace a o

3W

- 170

Propionibacterium, Clostndium propionicum Batteri ente ·ci incluso Escherichia , Sa/monella, Shigell , Klebsiella, Ent robacter

+

2H 2 + 2C02 + H

Acetogenica

Uevito, Zymomonas

- 1

Aci o pro tonico Acido·mtst

239

Organismi

- 264 468

Clostridium butyricum Clostridium acetobutylicum

- 183

Clostndium kluyveri

- 276

Clostridium acet/Cum

•Non tutti gh organismi producono tutti i prodotti. In particolare, la produzione di butandtolo è limttata solamente ad alcuni batteri enterici. Reaztone non bilanciata 0 La stechiometria mostra i prodottt pnnctpali. Gh altn prodott1 1ncludono acetato e tracce d1 etanolo (solo nella termentaz1one del butanolo).

422

UN l T À 3 •

D l V E RS l T À M l C R O B l C A

Tabella 13.5 Alcune fermentazioni batteriche inusuali Tipo

Reazione

Acetilene

2C2H.,

Glicerolo

4 glie rolo

R sorcinolo (aromatico)

2C6H4(0H)2

Roroglucinolo (aromatiCo)

C6H60 3 + 3H 20

Putrescina

10C4 H 12N2 + 26H 20 16H2 + 13H

Citrato

C1trato3 -

Acon1tato

Acon1ta

Gliossilato

4 glioss1lato

Benzoato

2 benzoato cicloesano carbossi to HC03 3H

Organismi

+ 2HC03

5H butirrato

6H 20 - • 4 acetato

+ 2H 20

o3

7 acetato

H

3 celato

3H + 7 butirrato-

6 c t IO formi to-

+ 2 celato

+ 2H 20 ) 2C02

+ 3H + 3H 20

HC03

2 acetato

6C02

5H 2

H2 licol to

+ 3 acetato

H

Bacteroides s

.

Acidaminococcus fl rmentans Battano gram-neg livo non cl SSificato

Syntrophus acidrtrophicus

m pio in at l

tto

l'ac id

latti c .

Fermentazione acido lattica l batt ri !atti i

Via di Entner-Doudoroff

ei batteri etero ferm ntanti , i l u·i to in ac id latti co co n la produzion di Tutta ia, per ottener il bil an io r do

ni -

Fermentazioni acido-miste

l b).

ell e fermentazion i a ido -mi re (T abell a l .4), tipi ch dei batteri enteri ci (~+> P arag ra fo l . ), i differenti acid i che ·i

C APl T OL O 1 3 •

ATP

423

ADP -llllliAldoiìiìiiiiìilai.SI_.,~ 2 gliceraldeide

Fruttosio 1,6 -difosfato

,

D VERSl TA M ETAB OL l CHE NEl M l CRORGA Nl S M l

___,. Diidrossiacetone ~ fosfato

3-fosfato (G-3-P)

"'

..---------------------------------------- ' '

2 Iettato

2 G-3-P Glucosio~

(C 6 H120 s)

2 lattaio + 2 W 2(C 3 H50Jl

(a) Omofermentativa

Etanolo : ' • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • NAD+ ~

. ,

•

•

:

•

l

.•

Via di

Acetaldeide

,, •

Entner-Doudoroff

•

! ATP

,----------------------------------·~

- N~A +

..

••••••••••••••••• - •••

(G·3·P l-;~; m m m m .... p.

: Piruvato'

ADP

•

1

Acido 6-fosfogluconico

Ribulosio 5-fosfato +

l

l 1

'

•

•

•

-

-

•

•

-

-

-

-

-

-

-

-

•

•

•

-

•

•

•

-

-

-

-

-

•

•

•

co2 •

•

fosfato

......_ Xilulosio ..,... 5-fosfato

, - • • - - • - - - - - - - • - - - • • - - • - • • - - - - - - • - - - - - - - - - • • - - • • - • • • ,

Acetii

-

•

•

•

•

•

•

•

•

'

liceral-

delde 3-P

P, ~c ~o~d: m m -~:p· ~~~ m•u:D•P• ~~~ m moì N~O•

' "

'

•IIIIÌ'•·-•·-"-~•~1 ,3-difosfoglicerico c:::::::i!::i::::=;~ ~ ===:ìi!l'iis-· Piruvato- ~

Latta t o

Glucosio ~ lattato + etanolo + C0 2 + W (C 6H120s) (C 3 H50Jl (C 2H50H) (b)

Eterofermentativa

Figura 13.31 Fermentazione del glucosio nei batteri lattici (a) omofermentanti e (b) eterofermentanti. Si noti che non c'è produzione di ATP nelle reazioni che portano alla formazione di etanolo negli organismi eteroferm entant i.

fonnan o dalla fermen tal i ne del glu tico, fallico e u inico. P . o n e zuc h ri , pureh prima p .. ano e. s re con l noltr , tipi ca mente, co me prod tti della fermentazione si f rm ano an h etan l , H 2. l baueri h utili zza n le

pr du e il bu tandi lo si produ ono del l quantità rcv l mente maggiori . ia di 2 ia di H 2. perché i fermentatori ac ido- mi ti pr due no 2 cido f rmi , tramite l ' nz im aformiato-idrogenolia i ( igura 13.32): H

H

2

Di co ntro, i produuori di butandi olo, om Enteroha ter oerogenes, producono 2 c H 2 da ll 'a ido fonni , ma anche du e moleco le di addili nali durant la f rmazione di 2 og ni moleco la di butandi l ( igura l . 2). In gn i cas , poich la produ zione di butandiol c n. urn a so l m t, dei DH prodoui nell a gli li si ( igura l . 2), i n prod tto più etanolo da parte dei pr dutt ri di butandi l di quant ri . ano a far i fenn ntatori acid -mi . ti per raggiun gere il bilancio red x.

424

UNITA 3 •

DIVER SITÀ MICRQB , CA

o

Il H3c - c -cooPiruvato

+

Tiamina pirofosfato 2 NAD• 2 NADH

O

(TPP)

Paragradi deniuifìcar e utilizzare que tar rm a mo per opra viver n l uo habitat, i edimenti

Biochimica della riduzione dissimilativa del nitrato ella Tabel-

ie di tra porto d gli elettr ni della r pirazi n aer bica, della re pirazione del nitrato e della denitrifìcazi ne ono illustrate nella Figura 13.41 . L'enzima coin lto nel primo tadio del proce o di riduzione di imilativa del nitrat , la nitrato reduttasi un enzima di membrana c ntenente molibden , la cu 1 1nte i repre a dall ' o igen m le olare. uui gli altri enzimi della ia metab lica n reg lati in maniera c rdinata e quindi i geni c difìcanti ri ultano repre i da 2 . Ma, prima di p ter e. ere e pre mpletam nte que ti gen i ri chi don , !tre all e cond izi ni an iche, anche la pre nza il nitrito

Microrganismi denitrificanti

In

a maggi r part d i Ba teria denitrifì anti son fil geneti camente dei Proteobacteria c n un m tab li moda aerobi facoltativi. a re pirazi ne aer bica avviene quando c' di ponibi l ità di 2, an he in pre enza di 3· In ondizi ni anaerobiche m lti batteri denitrifìcanti . n in grado di utilizzare anche altri a cettori di lettr ni , c me Fe3+ e c rd comp ti organici (Paragraf 13.21 ), e alcuni denitrifìcanti p no ere cere tramite fermentazione. Perci , i baueri denitrifìcanti

) nelle z ne più alt 3 do pio e l' 2 rit rna al uolo (H 2 ) nelle piogge acide. (

Riduzione del nitrato (Escherichia

] co/1)

lNrtritoruduttasl Tabella 13.7 Stati di ossidazione dei principali composti dell'azoto Composto

Ossido nitrico NO

l ~~~

Stato di ossidazione dell'atomo di N

3

-3

Gas

oss;do

Denitrifi cazione (Pseudomonas stutzen)

·r=~-

Azoto molecolare N2

Nitrito (N02 )

+3

Diossido d'azoto (N0 2)

+4

N1trato (N03 )

+5

Figura 13.40 Passaggi della riduzion e di ssimilativa del nitrato. Alcuni organismi possono effettuare solo la prima reazione. Tutti gli enzimi coinvolti sono attivati in condizioni anaerobiche. Sono noti alcuni procarioti in grado di ridurre NO:) a NH4+ nel metabolismo dissimilativo. Si noti che i colori utilizzati qui coincidono con quelli utilizzati nella Figura 13.41 .

CA P l T OL O 1 3 • 4 W

Periplasma

D l VERS l T À M ET A 8 OL l CHE NEl M l C RORGA N l S M l 4W

2W

433

Periplasma

NADH+ W (a) Respirazione aerobica

4W

(b) Riduzione del nitra to

2W

Periplasma

NADH+ W

2W

(c) Denitrific azion e

Figura 13.41 Respirazione e respirazione anae rob ica a base di nitrato. Il meccanismo di trasporto degli elettroni in Escherichia coli quando (a) 0 2 o (b) N03- sono utilizzati come accettori di elettroni e il NADH è il donatore. Fp, flavoproteina; Q, ublchinone. In presenza di un'elevata concentrazione di ossigeno la sequenza

dei trasportatori di elettroni è: cyt b 562 cyt o 0 2 • Tuttavia, in presenza di concentrazioni ridotte di 0 2 (non riportate) la sequenza è: cyt b 568 cyt d --> 0 2 . Si noti che, durante le reazioni di trasporto degli elettroni, quando l'accettore è l'ossigeno, è traslocato un numero maggiore di protoni, poiché l'ossidasi terminale

del metabolismo aerobico (cyt o) può trasferire due protoni. (c) Schema del trasporto di elettroni nella membrana di Psaudomonas stutzari durante la denitrificazione. La nitrato reduttasi e la ossido nitrico reduttasi sono proteine integrali della membrana, mentre la nitrito reduttasi e l'ossido nitroso reduttasi sono enzimi periplasmatici.

La biochimica del pr trato stata stu diata in d s herichia coli, in cui

13.18 Riduzione del solfato e dello zolfo Verifi ca - - - - - - - - - - - - - • Perché in Escherichia coli l'energia rilasciata durante la respi razio ne ae robica è maggiore ris petto a que lla prodotta nella ri duzione di N03 ? • Quali sono le differenze nei pro dotti della riduzione di No3tra E. coli e Pseudomonas? Dove è localizzata nella cellula la nitrato reduttasi utilizzata per il met abo lismo dissimi lativo? Che metallo insolito contiene?

Diver i com posti inorganici dello z n importanti a cett ridi lettr n i n Ila respirazion e anaer bica. ella Tabella 13.8 sono elencali i più imp rtanti ompo ti d Ilo zol fo con il l or t to di o idazione. n lfat ( J- ), la f rma più o idata dell z l f , ' rid tto dai batt ri solfato-ridullori, un gruppo al tamente diver ifìc t di batt ri anaer bi obbligati ampiamente di tribuito in natura. Il prod tl fìnal d Ila riduzione d l 1at H 2 un import nt pr dott naturale che prende parte a n oltì proce i bi ge hi mi i (c!i) Paragrafi 20.4 e 21. 10). p i e del g n re De uifovibrio in partic Jare D. desulfuri-

Tabella 13.8 Stati di ossidazione dei principali composti dello zolfo Composto

Stato di ossidazione dell'atomo di S

Stato di ossldazione dei principali composti dello zolfo

Zolfo element re (SO) Tiosolfato ( S-SOj ) Diossido di zolfo (S02) Solfito (sog-l Solfato (SOJ ) Alcuni donatori di elettroni per la so/fato-riduzione

H2

Ac tato

Lattato

Propionato

Pirw to

But1rr to

Etanolo e Itri alcoli

Acidi grassi a caten lung

Fumarato

B nzoato

Malto

lndolo

Colina

Vari idrocarburi

Biochimica ed energetica della riduzione del solfato om a bella

0'

=

- 152 kJ

i l lattato, l' TP

CA P l T OL O 1 3 •

D l V ERS l TA M ET A B OLI CH E N El M l C RO RGA N l S M l

OH O Il l CH:rO- P- 0 - s - o 11 Il

o

L'ossidazione di H2 genera una forza proton-motrice.

BW

o

435

Utilizzata nel metabolismo dlssimllatlvo

APS

(Adenosina 5 '-fosfosolfato)

OH l CH - o - P- o 2 Il

o

O Il s - oIl

o

UIIIIZZ8ta nel metabolismo assimilativo

Lattaio

Piruvato

,

FerrodosaCH2 Metllene

Figura 13.48 Fluorescenza verde dovuta al coenzima F420 • (a) L'autofluorescenza di cellule del metanogeno Methanosarcina barkeri, dovuta alla presenza di un particolare trasportatore di elettroni, F420 . Il diametro della cellula è circa 1,7 ~m . L'osservazione è stata effettuata con luce blu al microscopio a fluorescenza. (b) La fluorescenza di F420 nel metanogeno Methanobacterium formicicum . Il diametro di una singola cellula è di ci rca 0,6 ~m .

In genere, gli elettroni necessari per la riduzione di 2 a H4 pro engono tipi came nte da H 2 , ma anche altri . ub. trati p s on forn ire elettroni p r questa riduzione in alcuni m tanogeni . La igura 13.49 rn o tra i pa. agg i dell a rid uzi ne d Ila 2 tramit H 2 : l.

2.

La 2 atti va ta dal metanofurano e . ucce. iva rn en te ri dotta a li ve ll o di f rrnil e. Il donatore di elettroni la proteina ferredossi na, un forte riducente con un potenziale di riduLi on (E0) di circa - 0,4 Il grupp ~ rmil tra s ~ rito dal m tanofuran a un enp nell a Figura l .49).

met il

4.

5. ran arende ciclo

_M_e-tr-le_ __ 3

, 1

l ~M~ -C~

HS-Co B ~

Cicli CoM·CoB e ferredossina

F420 ox )

CoM -S H ~

CoM ·S

Metanogenesi da C0 2 + H2

1.....

VF420red

~-----..

genes i, ca tali zzata dal complesso enzimatico metil redulfa. i. ome rn . trat nell a Figu ra l .47f, il c nzirna B truttu ralmente simile all a vi tamina acido pantotenic ( un a co mponent dell'a ti l) (c.+p igura 3. 12).

H2

MP t--- C-H_

l

,

2

1.....

l

H 20 ~------ F420ox}

l

(a)

VF420red

H

s CoB

- Pompa Na• motrlc

l

Meul reduttasl;

complosao F.,.

ATP

Gruppo metilico ridotto a metano CH Metano 4

Figura 13.49 Metanogenesi a partire da C0 2 + H 2 . L'atomo di carbonio ridotto è rappresentato in blu e la fonte di elettroni in marrone. Per le strutture dei coenzim i si veda la Figura 13.47. MF, metanofurano; MP, metanopterina; CoM , coenzima M ; F420,ed, coenzima F420 ridotto; F430 , coenzima F430 ; Fd , ferredossina; CoB , coenzima B.

Metanogenesi a partire dai composti metilici e dall'acetato l rn etan geni po H 4 da com p st i m tilati com metanolo e acetato, pr pri o me da 2 + H 2. Il m tanol i ne ca tabo liaato aura er. o la donazi n di gruppi meti l ici a un enzima ont nente un c nzi ma corrin oid p r f rm are i l co mpi . o H 3-corri n i de (Figura 13.50a) . l corri n idi . ono composti . truttural mente imili all a vi tamina B 12 colll ngon un an Il corn n1 c imil e all a porfìrina, che coordin a un centro coba lto. Il comples o H 3-corr inoide in grado di d nar i l gruppo rn etili co al o per formar H 3, da cui otti ene metano medi ante le st sse r aLioni fi nali di ridu zi n del uand n n disponibil e H 2 2 app na descritte. per guidar i passagg i finali d Ila reaz i ne, un a ert a quan tità di metano! de e e er o id ata a 2 per produrr gli !tenuto lettroni neces. ari a terminar il pro s. o. Que. to in ertendo i pa . agg i dell reaz ioni d Il a m tanogenesi ( 1gure 13.49 e l .50a). uand il sub trato della metanog ne i l'acetato, e o i ne dapprima atti at ad aceti 1- o , che pu c n l'enzim a d idrogena i d Ila i d ll 'acetil - o ragraf l . 19). l n eguit i l gruppo meti le deli 'aceta! viene tra ferito all 'enLi ma corrin ide con f rmazi ne di H 3- rrin id e e da qui arri a all a tappa fìnal d Il a m tan g ne i ntemporanea ment i l gru ppo med iata da co nLim a 0 2 ed cl ttroni ( igura 13.5Gb). iene os. id ato per produrr

CAP I TOLO 13 •

OIVtRS TA METABOLICHE NEl MICRORGA NISMI

441

CH 3coo-

ATPtc:

CoM

..l

\.

Il C-s-GoA - - ,

CH 3 -

MF ~ O •

Generazione di potere riducente per ossidazione del metanolo a co 2

Utilizzo del potere riducente per ridurre il metanolo a metano

t

~drogenasi (CODH)

H tForza protonmotrice

•

Il

CH 3 -C ~COD H

ATP

Il

M F ~C' H

Biosintesi

co

2

CH 4

Metanogenesi

f'-.2H

co2

2H

-:"1. co ~ l

CH3- CoM

deidrogenaSI (CODH)

l

C - CODH

\. O CoA Il \ CH3- C - CODH ~ Formazione di acetiiCoA per la biosintesi

CH 4

Biosintesi

(a) Metanolo a CH 4

ATP

Metanogenesi (b) Acetato a CH 4

Acetato+ W --+ C02 + CH 4 Figura 13.50 Met anogenesi a partire da m etanolo e acetato. Entrambe le reazioni della serie coinvolgono parti della via dell'acetii-CoA. (a) Durante la crescita su metanolo (C H30 H),

~~o~~nmt ice

la maggior parte del carbonio del CH 30H viene convertito a CH4 , mentre una piccola quantità viene convertita a co2 o, attraverso la formazione dell'acetii-CoA, viene assimilata nel materiale cellulare.

Autotrofia

Conservazione dell'energia nella metanogenesi In o nd izioni tandard, l ' nergia li be ra d Il a m tanog n i da H2 + 2 - l l kJ/mo le. ei metanogeni la on er azion d !l 'energia a v ien a p e dell a f orza prol on- o od i - motrice, a . econda del . ubs trato uti l izza to; non avv i ne in ece

G0 ' = -37 kJ

(b) L'acetato è diviso in CH 4 e C0 2 . Le abbreviazioni e le colorazioni sono quelle adottate nelle Figure 13.47 e 13.49. Corr, proteina corrinoide; CODH , monossido di carbonio deid rogenasi.

l i eli

d l sub. trat

442

J Nl TA 3 • Dl VERS l TA M l CROB l CA H

H

Coppia

~

Fumarato/ succinato

H=Qt '' -. ;: : 0-C25H 43 I ''-~P l

H

:::::..,

H

'

'N• ' _,

.

~

MPHo x

Sito di riduzione nella MPHrod

Eo'

Reazione O Il

-o9

H l

O Il

O Il

-C=C-C ~

' o-

2H

O Il

/C-CH2- CH 2- C,

-o

o-

+0,03

Ossido di N trimetilammlna (fMAO)Itrimetilammina (fMA) Arsenato/arsenito Dimetil solfossldo (DMSO)Isolfuro di dimetile (DMS)

H 3 C- S -C H 3 -.-- (C H~ 2 S

t

o

2H

+ H20 +0,16

Ione ferrico/Ione ferroso

Selenato/selenito

(b)

o oli l -o- Se - o--.--se =o + H2o Il 2H l o o-

Ione manganatollone manganlco

Figura 13.51 Conservazione dell 'energi a nell a metanogenesi a partire da metanolo o acetato . (a) Struttura della metanofenazina (MPH nella parte b), un trasportatore di elettroni della catena di trasporto che porta alla sintesi di ATP. L'anello centrale della molecola può essere alternativamente ridotto o ossidato. {b) Le tappe della catena di trasporto degli elettroni. Gli elettroni che derivano da H2 riducono F420 e quindi la metanofenazina che, attraverso un citocromo di tipo b , riduce la eterodisolfuro reduttasi con l'estrusione di H+ all'esterno della membrana. Nella tappa finale, la eterodisolfuro reduttasi riduce CoM-S- S-CoB a HS-CoM e HS-CoB. Le strutture di CoM e CoB sono riportate nella Figura 13.4 7.

2e-

Mn 4• __._. Mn 2•

+0,48

+0,80

Clorato/cloruro

Figura 13.52 Al cun i accettori di elettroni altern ativi per la respirazion e anaerobi ca. Si noti la reazione e il valore E di ciascuna coppia redox calcolata a pH 7 .

0

13.21 Altri accettori di elettroni

Riduzione del metallo du

m

-

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - Quali coenzimi funzionano da trasportatori c1 durante la metanogenesi? E quali da trasportatori di elettroni? Nei metanogeni che crescono su H2 + C0 2, com 'è ottenuto il carbonio per la biosintesi cellulare? Nella metanogenesi com'è sintetizzo I'ATP quando i substrati sono H + CO ? E quando è utilizzato l'acetato?

rgani mi p idar di er i donatori di elettroni organi ci e H 2, mentr eobacrer pu o idare an he l'ac tato e il t lu ne, un idr carb uro aromati co rr lato alla riduzione di e3+.

A ltre tanz in tori p r la re piraz i nio, tell urio comp ti o

Figura 13.53 Biomineralizzazione durante la riduzione dell'arsenato da parte del batterio solfato-riduttore Desulfotomaculum auripigmentum. A sinistra, aspetto del flacone dopo l'inoculo. A destra, dopo la crescita di due settimane e la biomineralizzazione a trisolfuro di arsenico (As 2 S~. Al centro, campione sintetico di As2 S3 •

Accettori organici di elettroni

Riduzione dei protoni (T

olti mp ti clorin at i p on fun zionar om a cetri di elettroni nell a declorazion riduttiva (a nch chi amata

444

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

Tabella 13.10 Caratteristiche di alcuni principali generi di batteri capaci di declorurazione riduttiva Genere

Proprietà

Deha/obacter

Dehalobacterium

Desulfitobacterium

Dona tor d1 elettroni

Hz

Solo d1clorom tano (CH 2CI2)

f 1 . piruvato, formiato, lattato

Ace ttore di lcttroni

Tncloroetll no. t tr cloro t1l ne

Solo d1cloromcta o (CH 2CI2)

Orto ·, met ·o p r • clorofenoli. N03, fumarato,

Non applica 1le

Tncloroe 11 n

Desulfomonile

Dehalococcoides

soj-. spj-. so

Cr sco solo su Cf 12CI 2 e per d1smutazion : CH 2CI 2 -• formiato + cetato HCl. Si formaATP

Filog nesjb

Rrmìcutes

Rrm/Cutes

Rrmìcutes

Deltaprotobactena

1) "Tuttì gh organ1smì sono anaerobi obblìgall. bSì vedano ì Capitolì 14 e 15.

pr durr ATP p r fosforilazione a li ve llo di . ub. trat durante que topa. agg i , ma il pr bi ma viene co mpen. ato dal fatt che l 'ossidazione della gli ccra ldeide 3-fosfato al la produ1.io ne di ferr do ina piuttosto che di ferredo. in a ha un 0 più negati v ( - 0,42 ) della coppi a o+ DH ( - 0, 2 ). ue. to E f rtemente n gativ idazi ne d Il a f rred ip rm tte l'accoppiamen t dell' na alla ridu zi ne di 2 H + a H 2 , un pr e o che p mpa un protone attrave r la membrana (Figura 13.54). Il p mpaggi d l prot ne da parte dell ' id rogena. i analogo a quello d i tra p rtat ri di elettroni t rminali delle altr re pirazioni ( ~+> · igure 3.20 e 13.4 1). ltro ATP vi ne pr dotto da P. fu-

0

riosus grazie all a fo. f ril azion , li eli di sub: trato n Ile c nver ioni di fo. foenolpiruvato a piru ato e di acetii - o ad acetat ( igura 13.54 ). Verifica Con H2 come donatore di elettroni, perché la riduzione di Fe3 + è una reazione più favorevole della riduzione del fu marato? • Che cos'è la declorurazione riduttiva e perché è importante dal punto di vista ambientale? • In che cosa il catabolismo anaerobico del glucosio di Lactobacìllus differisce da quello di Pyrococcus furiosus?

V • Metabolismo degli idroc~arburi li idro arburi ono ampiamen te utilizzati dai mi crorgani. mi come d natori di elettroni , ma prima di essere catabo l izzati devono esser s igenati. Qui vedremo i l catab l ismo aerobi o d gl i idro arburi ali fati i e aromati ci, do e l'o.. igenazione avviene grazie ali 0 2. Poi vedr mo il ca o particolare del catabolismo degli idr arburi 1 e finiremo con id erando il melaboli mo an ss ico degli idr arburi, una ituaz ione in cui l 'os. igenazione d gli idr carburi ancora nece ari a, ma do e l' o. sigeno molecolare non ne pr tagoni ta.

pr ducono energia. a 2 gioca un ruolo imp rtant anche com reagente nel ca tab li m degli idrocarburi , c n l 'enzima os igenas i che vo lge un ruolo chi a e in qu st i pr ce i.

Ossigenasi e ossidazione degli idrocarburi alifatici

13.22 Metabolismo aerobico degli idrocarburi bbiamo trattato in precedenza il ruolo dell 'o igen moleco lare (0 2) come accettore di elettroni nelle reazioni che

un atom di carboni

rp rato un termin ale.

2, in g nere

ue ta reaz i ne

ca talizzata

CA P l TOL O 1 3 •

Membrana citoplasmatica Idrogenasi

l

l

PEP ~ ADP

t'--+ ATP

Piruvato

1

~d;~red - /;

l

,

Acetii-S-CoA + C02 l rADP

l

ADP _.

~ATPATP

ATPasi

Aceta to

D l VERS T A M ET A B OLI CH E N E l M l C RO RGA N l S M l

445

da un a m n . sigena. i, c n la tipi ca sequenLa di reazion e illusll·ata nella Figura 13.55a. Il pr d tt fìnal d Ila r azi n è un ac ido grasso della . te.. a lungh zza d ll ' idr arburo inizi ai . L 'ac id grasso vi n p i os. idato per beta-ossida zione, una ri di r azi ni in cui du e atom i di carbonio dell 'ac id grasvengono . cparati un all a lta (Figura 13.55b). urante H che viene os. idato ull a la beta- sid az ion si f rma catena di tra port dcgl i cl ttroni p r produrre energia. gni i l di beta-oss idazione ril a. ia aceti i- o c un nu vo ac ido gra. più corto eli due atomi di carb nio ri spetto a quello iniLi ale. Il processo vi ne p i ripetu to co n la produzi ne di un nuovo acetii - o . li acetii - o prodotti durante la bcta-os. idazione vengono ossid ati con il cic lo d ll 'ac ido citri co (r:!p igura 3.22) oppure utilizt.ati per formare nuo vo materie l cellul are. n l ' c czi ne dell a moda lità con cui viene oss igenato l ' idrocarburo, molta dell a biochim ica del cataboli smo an ss ico d gl i idrocarburi la stessa di quell a i.ta p r il catabo li smo aerobi co ( igura l . ). In entrambi i as i le reazi ni di beta-oss idaLione . ono di prim aria imp rtanL,.

Idrocarburi aromatici Figura 13.54 Glicolisi modifica ta e riduzion e protonic a ne lla respirazione anaerobica d e ll 'ipertermofilo Pyrococcus

furiosus . La produzione d 'idrogeno (H 2) è connessa al pompaggio di H • da parte dell 'idrogenasi che riceve g li elettron i dalla ferredossina ridotta (Fdrool · Tutti gli intermedi da G-3-P in poi nel processo sono presenti in due copie. Si co nfronti questa figura con la glicolisi c lassica nella Figura 3 .14. G-3-P , gliceraldeide 3-fosfato; 3- PGA, 3-fosfoglicerato; PEP, fosfoenolpiruvato. Stato r e dox Idroca rburo

l

Alco l

l l

Al deide

Acido

l

Acido

(a) O

lti idrocarburi aromatici po son anche cs:crc usati a r bica mente dai mi ror ani smi co me d nat ri di el tlr ni . Il m tabolismo di ques ti co mposti , alcuni dei qu ali c : tituiti da an Ili multipli , co me il nafta! ne il bifeni l , pr d di un passagg io ini;i alc la form at.i on di at nt d Il ss r r

Reazione

(l

C7H 15- CH3 n-ottana

2 CH2-COOH Acldt grassi con (n + 4) atomi di carbonio

+

ATP

t~~ C7H 15CH O n-ottanolo

+

l

f'..

no

HS- CoA

(Attivazione del CoA J

( Ossigenazione J 2-CH2- k oA

NAD•

+

HO

(Deidrogenazione

l

1'-

Formazione del doppio legame

FADH

~

=CHrG-S-CoA

NADH

Aggiunta del gruppo idrossilico

H

C7H15 = n-ottana le H20

i

(Deidrogenazione

l Ossidazione del chetogruppo

"'NADH OH

C7H 1 O= n-acido ottanoico

ATP

Co A

Beta-ossidazzione a 4 acetti-CoA (vedi parte b)

idazione deg li idrocarburi

H3C- (CH 2ln C

CHr~-8-CoA

r-

CoA

Rottura per formare acetii·CoA e un acido grasso con (n - 2)

atomi di carbonio per un nuovo ciclo di beta ossidazione

Acetii - CoA (b) Os idazione degli acidi grassi

Figura 13.55 Attività d e lla monossigenasi e beta - ossidazione. (a) l passag gi dell'ossidazione di un idrocarburo ali fatico , il primo d ei quali è cata lizzato da una monossigenasi. (a) L'ossid azione degli acidi grassi attraverso la beta- ossidazione portano alla successiva formazione di acetii-CoA.

Ossidazione nel ciclo di acido citrico (vedi Figura 3.22)

446

UNl TA 3 • Dl VEAS l TA M l CAOB l CA

,.

NAOH

Benzene monosslgenasl

Benzene

''''~H~ OH

Benzene epossido Benzenediolo Monossigenasl

'li

NAOH

O

OH OH

Catecolo

(a)

OH OH

;~;~~~

OH

]]

C

Catechol dioxetane (hypothetical) Diosslgenasi

Catecolo

é=o q~ o

OH

cis,cis-muconato

(b)

OH

OH OH

0:0

••

NADH

Toluene dlosslgenasl

OH NADH

0:0 Mel li

catecolo 2,3·dlossigenasi

Toluene Dìossigenasì sequenzìalì

Figura 13.56 Ruolo delle ossigenasi nel catabolismo dei composti aromatici . Le monossigenasi introducono un atomo di ossigeno da 0 2 nel substrato, mentre le diossigenasi introducono entrambi gli atomi dell'ossigeno. (a) ldrossilazione del benzene a catecolo da parte di una monossigenasi in cui NADH è il donatore di elettroni. (b) Scissione del catecolo a cis ,cis-muconato da parte di una intradiolo-diossigenasi che taglia l'anello. (c) Attività di una diossigenasi che id rolizza l'anello e di una estradiolo diossigenasi che taglia l'anello nella degradazione del toluene. Gli atomi di ossigeno che ogni enzima introduce sono contraddistinti da diversi colori. Si confronti il catabolismo aerobico del toluene con il catabolismo anossico del toluene mostrato nella Figura 13.59b.

(c)

n entrar nel ciel

d li ' ac id o c i tri

m il

Ossidazione del metano I pas aggi d Il ' . idazi n di ria. unti: H4

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . In cosa differiscono le monossigenasi dalle diossigenasiper ciò che concerne la funzione? Qual è il prodotto finale del catabolismo di un idrocarburo? • Cosa s'intende con il termine "beta-ossidazione"?

13.23 Metanotrofia aerobica Il m t n ( H4 ) e m lti altri comp

ti 1 p no e ere catabo l izzati in mani ra aerobi a dai metilotrofi . l m ti l tr fì

l gami

l 'aceti!- o ta dall '

H4 a

no e

re co ì

CAPITOLO 13 •

a via della erina ri chi ed pot re ridu ol di DH e T

u-

ia ido citrico r gu t

e un enzima, la erina tran proc ( igura l .5 a).

DIVERSITÀ METABOLICHE NEl MICRORGANISMI

4W

Esterno

4W

Il trasporto di elettroni genera una forza proton-motrice.

447

2W

2H

----,--- (C)-1 2 0 ) ;! '··-NAOH

~ "* oo-

~

~ NAOH

Biosintesi

co2

Figura 13.57 Ossidazione d el m et ano da parte di batteri m et anotrofi. CH 4 è ossidato a CH 3 0 H dall'enzima integrato nella membrana metano monossigenasi (MM O). Una forza proton- motrice si stabilisce a seguito del flusso di elettroni nella membrana e questo alimenta I'ATPasi. Si noti come il carbonio per la biosintesi venga da CH 2 0. FP, flavoproteina; cyt, citocromo; Q, chinone; M P, metanopterina.

di

Substrato C1

•

HCHO

lncorporazione della formaldeide

l

Metilene tetraidrofolato

3 ribulosio-5-P (15 C)

l:;

~

Id

-CH-COOH~ l NH2Serina

. . rosstptruva1o

~~M

NH3 '

SMlna

transldrosslmel•lasl

Glicina

t

r- NH • .... .-"

~

'

Glicerato

!

'

H ~N -CH 2 - COOH

NAOH

ATP

1

,

,' Fosfoenolpiruvato

(

- .)-ATP

lncorporazione~di co2]rco2

HC- COOH Gliossllato

2 fruttosio-6-P (12C) + fruttosio1 ,6-difosfato (6C) HOOC- C- CH 2- COOH Gliceraldeide-3-P (3 C) CHO l H C OH l CH,OP0 32

~

CH 3 - C-S- CoA Acetii-CoA -

•

Ver o la biosintesi

In totale: Formaldeide + C02 + 2 NADH + 2 ATP acetii-$-CoA + 2 H20 (a) Via della serina

3 esuloslo-6-P (18 C) CH 20H l H- C- OH l C= O l H- C- OH l H- C- OH l CH 2 0P0 32-

CH 20H l C= O l H- C- OH l H- C- OH l CH 20P032-

Biosintesi

--r--+

CH20H l C= O l HO - y - H H- C- OH l H- C- OH l CH20POl -

CoA

(b)

Figura 13.58 Vie m etaboliche della serina e della ribulosio monofosf ato p er l'assimilazione di unità C 1 nel m ateriale cellulare dei batteri metilotrofi. (a) Via della serina. Il prodotto, l'aceti i-CoA, viene utilizzato come punto d i partenza per la produzione di nuovo materiale cellulare. L'enzima chiave della via è la serina t ransidrossimetilasi. (b) Via della ribulosio monofosfato. Sono richieste tre molecole di CH20 e il prodotto finale è la gliceraldeide 3-fosfato. L'enzima chiave di questa via è l'esulosofosfato sintetasi. l riarrangiamen ti dello zucchero richiedono enzimi della via del pentoso fosfato (c+tJ Figura 3.26).

448

UNITA 3 •

DIVERSilA MICROBICA

ent.im i di questa ia m tab lica sono interm edi del mctaboli sm ampi amente diffu i tra i batteri . P rciò v di am com i metan trofì aerobi c ndi vidono con gli altri batt ri che deg radan gli idr carburi la necess ità di a er l o. ig nas i, ma, . i co me la l ro bi int . i c m in ia da mp sti 1, i metan tr fì si differenzian per h hann o ie m tab li che pec uli ari 1 nel ri ale c llul are. Verifica • Perch é quando Methylococcus capsulatus utilizza CH 4 come donatore di elettroni diventa un aerobio obbligato? Perché l'ossidazione di CH 4 a CH 30H richiede potere riducente? Per quali motivi la via della ribulosio monofosfato è più efficiente di quella della serina?

13.24 Metabolismo anossico degli idrocarburi bbiamo visto nei due prec denti pa ragrafi eh gl i id rocarb uri posso no essere ca tabol iu ati aerobi camente. ra c nsideri amo in vece il ca tabo l i. mo anossico, che pu essere legato nell a re. pira;.ione anaerobi ca alla ri du t.ione di nitrato, so lfato, ferro ferrico.

Idrocarburi alifatici li idroca rburi alifati i s no co m po~ ti organi ci sat uri o insaturi a ca tena li n are e molti agi. cono da substrato per i vist eh gli batteri so lfato-riduttori o denitri fìcanti . idr carburi alifatici saturi , lunghi fi no a 20 , so tengono la cresc ita, . ebb ne gli idrocarburi a ca tena più co rta iano pi ù so lubili c piì:1 fac ilmente ca taboli aati . Il meccani. mo dell a dcgradat.i one ano. sica deg li idroca rburi è stato ben studi ato per l 'e. ano ( 6 H 14 ) nei batteri dcnitri fica nti (con 0 1 come accettore di el ttroni ). Tuttav ia, i l m cca ni . mo . embra essere lo stesso del ca taboli . mo anoss ico degli idrocarburi a lun ga ca tena e d Il 'oss idat.i ne anoss ica degli idroca rbu ri legata ad altri accettori di elettroni , p rtanto vedremo ora il sistema e ano/nitrato. el metaboli . mo anos. ico l 'esa no viene modifi cai mediante l 'attacco sul carboni o 2 di un a moleco la di fu marato, un interm edio a 4 atomi di ca rbonio del ci lo dell 'ac ido citri co(~+' igura 3.22), a formare il compo to 1-meti/penti/succinato (Figura 13.59a). ' agg iunta del fumarato al l'esano p r via nzi matica ha l' ef fe tto di oss igenare l 'esano stesso e p rm tt all a m l cola di e. sere ult ri rmente ca taboli aata anacrobi ca merrt . Dopo l 'aggiunta di coe n;.im a , si veri fica un a seri e di reaz ioni che includono la beta-ossi dat.ionc ( "igura 13.55b) c la ri generazione del fum arato. li elettroni gcn rati durant la beta-os id aL.ione pr du con un a forat proton-motri ce e ve ngon poi con. umati nell a riduzione del nitrato o del so l fa t .

Idrocarburi aromatici li idrocarburi aromati ci posso n essere degradati in mani ra a rob ica da alcuni batteri d nitrifì canti , f rr ico- rid uttori c

so lfa to-riduttori . el ca taboli mo anos. ico d !l ' idrocarbu ro aromatico toluene, affin ché ini zi il proces o, al compost de e e cr aggiunto dell ' . sigeno e ci av i ne c n l' aggiunta di fum arat , come nel cataboli mo degli idr arburi alifati ci ( igura 13.59a). a . eri e di reaz ioni che segu porta a benz i 1- o , che è ulteri orm ente degradato dall a ridu zi ne dell 'anel lo ( "igura l .59b). nche il benzene ( 6 H 6 ) può essere ca tabol izzat anaerobicamente c n un mec ani sm simi le. l i idrocarburi ar mati ci c n anelli multipl i c me il naftalene ( 10 1-1 8 ) pos. ono e ere degradati da alcuni batt ri d ni trifì ca nti e so lfa to-riduu ri . l contrari o deg l i altri idrocarbu ri, l ' oss igcnazion deg li id ro arburi ad anelli mu ltipli avv icn graz ie all' agg iunta di 0 2 ll 'anel l , al post del fum arato, a formare un deri va to d ll' ac id carb ss ili co. a questa reat.i ne di carboss il azione ha lo ste. o sco po dell e rca;. ioni di oss igena;. ione ( igura 13.55a c l .56) dell 'aggiunta di fu marat (Fi gura l .59): un atomo di o.. i en viene i ne rporato n ll ' idrocarbu ro fa i lita il . u ataboli. m . lti batteri poss no atab li zzare alcun i idroca rburi aromatici in mod ana r bi co, tra cui al uni batteri ~ rm entati i e fot tr fì. In gni aso, a ecc t.i on d l toluen , so l i c mpo. ti aromati i che già c ntengono un at mo di oss ig n vengono degradati , in gen r con un me canismo simil e p r tutti . l contrari o d l ca taboli smo aerobi co eh avv i ne per ossidazione dell 'anell o ( igura 13.56), il ca taboli smo anaerobico prevede la riduzione dell 'anell o. Il ataboli smo del benzoato atlravers la via del b nL.oil - o un passaggio comune di questo tip di mctab l i m (Figura 13.60). Il cataboli smo d l benzoato in questa via ini ;.ia con la form at.ione di un deri va to del coenzi ma , seguita dall a sciss ione d ll' ancll o p r produrre aci di grassi o di ca rb ss i l i i che possono essere ulteriorm ente ca taboliuati a i ntermedi del ciclo d ll ' ac ido citrico ( igura 13.60).

Ossidazione anossica del metano Il m tano può ss r d gradato in condi zioni anoss iche da un conso rzio di due rgani. mi , un batteri o so lfato-riduttor piì:1 un a sp ci di rchaea fì logencti ca m nt corr lata ai m lanogeni (Figura 13.61 ). I l c mponente archea le, chi amat (A oxic M Ethanotroph , mct notorofo anossico), di cui es istono diver. e sp cie, o. sid a 1-1 4 eh viene utili zza to com donatore di elettro ni . li l ttroni pro eni nti dall 'oss id az ionc del metano vengono poi trasferiti al ridutt re d l so lfato, che l i utiliua per ridu rre a H2 ( Figura 13.6 1b). Il meccani. mo dell' ss idazion anos. ica del metano ) non ancora chi aro, ma si pen. a che il m tanotrofo oss idi 1-1 4 a 0 2 altra erso pa aggi oppo ti a qu Il i dell a metanogcne. i , con gli l ttroni eh engono tras ~ riti dal riduttore del solfato ad alcune m leco l organi h ( igura l .6 1b). Indi p ndentemente dal mcc ani smo, la reat.i onc pr duce un a p ice la qu antità di energia l ibera ( - 18 kJ ) e P c di i a tra i mecome que. ta energia sia con ertita i n tan trofì e i !fato ridutt ri rim ane un a domanda che ancora non ha ri sp ta. na po ibili tà p trebbe e.. ere la pompa 13. 15 le ionica. ome abbiam o vi to nei P ragrafi l . 14 pompe ioniche po. so no funzionare co n pi e olc quantità di energia, perci p s ibil c he abbi ano un ru olo anche nell 'eO. nergeti ca dell '

J

CA P l T OL O 1 3 •

Dl VERS l TÀ M ETA BO L l CHE NEl Ml CRORGA N l S M l

449

CH 3

/ H 3C ~ Esano (Ce)

''

l

~

H3 C

1-metilpentilsuccinato

co o-

•

(C10)

Rimozione di C02 e trasferimento di CoA per formare il succinato

•.:> Paragrafo 18.4). L'aggregato è di circa 30 IJ-m di diametro.

completamente pri i di Archaea. nota anch una M assoc iata all a ridu zione dell o i ne ferric ( eH ) e dell o i ne mangani co ( n4 + ). siste un batteri o d nitri ficant che sfrutta l' in m do pcc uli re e n n ri chiede l ' intervento di un s c ndo orga ni smo. i tratta di Merhylomirabilis ox)fera, che ossida H4 utili aa nd 3 co me accettor di cl ttroni attra erla magg i r parte d i pas aggi che abbi amo visto nei batteri denitri fì canti c me P eudomona (Paragrafo 13. 17), tra e l ' ulterior ridu zi n a 2 ( igucui la ridu zione di ra 13.4 1c). M a, al contrari di qu anto avv iene i n Pseudomonas, in M. ox)fera 2 viene rid ou a 2 dall ' id nitric enza la produzione dell ' interm edi o. id nitro. o ( 2 ) (Fiviene divi. o in 2 e 2 (2 O gural3.4 1c) . l nfatt i 2 + 2) e l'os. igeno mole lar viene uti lizzato c m a ce ttore di elettroni per l 'o. sidaz ione di H4 . l n altre parole, l ' rgani. mo produce il proprio 2 c me o. sidante p r gli elettr ni

5-

(b) Meccanismo di degradazione cooperativa di CH4 . Un composto organico o qualche altro trasportatore di potere riducente trasferisce gli elettroni dal metanotrofo al solfato-riduttore.

rati durante l' ss idazi ne di 2 (p r sap rn e di i veda la p gina di ap rtura d api tol 14). i son e olute di rse strategi per atabol izzare il metano, probabi l mente l ' idro arburo più di f fu o . ull a erra, eh insi m alle molt pli ci altre trategie di del l' energia che abbi am vi t in que to capi t l ' impres i nante vari età dei metab li mi mi cr pu nto terremo que te in f nnazioni c me ri~ ri mento p r l tud io degli organi mi te. i , che affronter m nei pr . i mi quattro ca pi toli . Verifica • Perché il toluene è un idrocarburo mentre il benzoato nonÌ lo è? • Come viene ossigenato l'esano d urante il catabolismo anossico? Che cos'è il processo di AOM e quali organism i parteci pac..:...::...::___ _ _ _ __ no a questo processo?

CONCETTI FONDAMENTALI 13.1 •

'l P. Il p tere ridu ccnt utile p •r la (ì,.,ala \0\ t:tnt com 11 2 DII ri hi c l • il tra\ p

rcati oni luminO\ ' fo t \i ntcti chc. L cl rofìlla ant •nna raccolg no la luce \OI:u 'c la tra\ fcris · no al c •ntr l di rca 11onc.

13.2 • l p1 gmenti a ·e\\ ri · mc i carotenoidi c le fkobi linc a.\Orbo n la luce c tra\fc ri c n l 'cncruia all a clorofìll a del entro di rca ti on ' . amplianti > osì l l un •h ' I l d' nda l ·Il a lu ·c ut i li11 a i li per la fot \i nt ·-. i. l ·arot n

to\i\ tcma. ~

totr fì c ·hcmiolitotr 2 in t ue ·hcri .

in f rm a ri\ ta llina

.,, olgodi quc\ tO

ntima.

CA Pl T OL O 1 3 • O\~iùano i donawri inorganici di clcumni r produrre energia c potere ridu ·ente. La produtionc li energia è tti\'ala dai procC\\Ì rc'>piratori che generano una forta prolnn-motricc. La maggior pane dci chcmiolitotrofì pui> anche cr.:-.ccrc rn odo autotrofìco.

13.6 • l chcmiolitmroli

13.7 • Gli idrogcno-ballcri chcmioliwtrofì u\an > 11 2 come dona t re di elettroni. riducendo 0 2 a 11 20 . Per O'>\Ìdar' 11 2 è 1ichic~to J' ntÌilla idrogcna\Ì. C in (jUC\lÌ autOtrofi 112 fOfllÌ\Ce anchc potere ri ducente per la fi\\ationc di ('() . 13.8 • l compoqi ridoui dello tolfo com' 11 2•.

2 ~

0

\Ono d natori di l uroni per la produtionc di energia nei -.olf baucri chc miolilOtroli . Gli clcu10ni da quc-.tc 'llO O\,iùar• Fc 2 a Fc' in conditioni anacrohid1 ·. 13.10 • l

/JaC'Il'IÙI c gli tlrl'lwca producono nitrito dall'ammo

niaca. che \ iènl! poi o .. -.idatO a nitrato da pane di /Joctl'lia nitrì -o\\idanti . L' o\\idationc ano-,,ica dell'ammoniaca (an:unrml\) n\uma -,ia ammoniaca \Ìa nitnlO. formando 2. èlla cellula la r·:rtionc anammo\ a\\ iene all'interno di un compartimento ri\Ctito da membrana. denominato anammo>.t>'>oma.

t

13.11 • In ano e-.-,erc catabolittati anacrobicamentc \O lo per :fc rmcntationc . La mag •i or parte d •llè t'èrmcntationi 1ichrcd • la formatiom: di un compo-.to organrco ric ·o di energia, in grado di :fornire ATP gratic alla to-,torilationc a li\cllo di -,ub-,trato. Il bi ]an ·iamcnto rcdo\ viene oucnuto nratic alla produtionc di prodoui di fcrmcntation ·.

Dl VERS l TÀ M ET AB OLI CHE N El M l CROR GA Nl S M l

451

\umato dal partner. Il con\umo di Il ~ inlluènta l' ·ncrg..:trca della r ation' èfkuuata dal prmlulton.: di 11 2 . pcrmt:ltcndogli di produrn.: TP che altri m nti non \arcbbc in !!rado di formare .

13.16 • Scbhenè 0 2 .. ia l'acceuorc di èlcttroni mag •iormènte utr li11ato nei mctaholi'>mi che pmducono energia. altn compo\ti organici..: morganicr po~'ono e\\l!r' u\all come act:'llori di clèl!mni. La 1 '\pirationc ,111a..:mhr ·a produce llll!ntl energia di quella acrobica. ma puo :1\cr..: luogo nègli ambienti del\ C manca l'm\I!!CIH\. 13.1 7 • Il nitrato c un acccuor' di clcttr 111 · munc nella rè hica. La ddution..: di 0 1 a O, è c:nali11ata dall'cntima nitrato rt:dutt:l\i . lolti bal!cri che u ano 0 1 nella rc\pirationc anaerobica producono compo'>ti atotati ga\\mi ( O. ~ O o. 2) comè prodouo hnak di nduti m (dcnillilrcatrone). 13.18 • l batteri -,oliato riduuon 'ono haucn anaerobi ohblil.!atr a Il ,. in un prc1cc\\o in cur SO dc\c pnma che riducono C\\Crc attivato ad adcno'lna lo'>fo,ollatn (i\PS) . La di-,mutanone.: una \tratègia aggiunti\a per pmdun' cnèrgra 111 ak:unc 'pecrc . Al cunr organÌ'>IIIÌ. come 01'1111/immwllt/\ . non pn.,..ono ridunl· SOi' ma pO\\CliiO ntlurrc 112' a S0 .

SOi

i

13.1 9 • Cìli acctogèni \OliO org.anr,mi 'll"l'll:uncntc an;rerohi che 1iducono ('0 1 ad acetato. rn gcncrt: con Il ~ com.: dona ton: dr d et troni. Il mcccanl\1110 di fonnationc dèii':K-etato i: la \Ìa ckll'acetii -CoA. una \ ra ampramcntc pr.:\cntc nq!lr anaaohr ohhligall 'ia per \Copi autotrofi -,ia pèr l'o\\rdatronè dèll'acctato_ 13.20 • La mctanogcnc-,i è la produtronc dr ('11 1 da CO~ l Il , o da acetato o da metano lo. a opera di ti n luwa metanogcni 'trct tamèntè anaèrohi. lolti cocntrmi \ono umcamcntc ndliC\ll per la mctanogcnC\1 ' la con.,cn ation • dell'energia i: l'onnc"a -.i a alla torta proton -nrotncc -,ia ;1 quella -,odio-motrkc. 13.21 • ltr • ai ·ompo\ti rnorganici dt:ll' a10to è dello tollo c ('O,. molt • altr' \O\tante po\\ono tuntionan: come acce tton di clcuronr per la r '\PÌ~ndaria dellauato, in cui\ iene prodotta energia .. ia per fo-.fmila :~i ne a li ello di \uh~trato che p'r rc\piration ·anaerobica. 13.14 • La prodution• di ·ncrgi:1 in l mpiouigenium. Owlo/wcrer c Malmwmolltl\ c a-,.,o iata alle reati ni di dccarh \\Ìiationc hc p mpano a o Il aura\·er'o la membrana. Le ATPa\i um · donatOle dr clèl!roni c la metano 1110 no\\i g na\i l' cntima chia\ · nd cataholi'>1110 del metano. ·cr mct:Jn tr lì l • unit tl 1 \On >:!'>\orbite nel nwtcr ialè ct: llularè come \o la ~ rmaldcid • o r rmnldci l • c 2 aur:l\ cr .. o la \i a de l n buio \ÌO monofu,fato o la \i a tklla., ·r in a. 1i-.pcl!Ì\ amcntc .

13.24 • li idrocarburi plh\om C~\Cr · 0\\idati in condi11oni dr anmsia gratic all'aggiunta dell 'acido di ·arbo.,..ilico fumarato. l mpmti ammatici \ono cataboli11ati anacrobicamentc per mlutro n dell'anello • \UC · '\\Ì\a \t.:Ì\\Ìonc. co~ì da formar..: intcrnrcdi chc p ' no C\\ -r• cataboli11ati nel ci ·lo dell'acido citri ·o_ Il m ·tano pu \\ere os-,idato in c nditi ni di aml.,.,ia da con\ol"li ·ontcncnti 13acteria ~olfat riduuori o dcnitrifìcantr c Arclwea 111 •tanotmli .

452

UNITA 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

DOMANDE DI RIPASSO l.

uali ono le prin ipali differenze tra fototrofi o sigeni i e ano igenici? (Paragrafo 13. 1) 2. Quali sono le funzioni delle cl rofille che ca tturano la luce e dei ntri di reazione? P rché un mutante incapace di far c loro lle che catturano la luce (mutanti di que to tipo pos ono e sere facilmente i olati in laboratorio) pr babilmente non sarebbe un competi t re di ucce so in natura . (Paragrafo 13. 1) 3. Quali pigmenti acce ori ono pr senti nei fototrofì e qual la lor funzione? (Paragrafo 13.2) 4. In che modo la luce porta al la produzion di T P in un fototr fo anossigenico? Quali sono le somig li anze e le differenze nel flu so degli elettroni durante la fot intesi e la respirazione? (Paragrafo 13.3) 5. ome viene prod Ilo potere riducente p r la crescita auto trofica in un balleria purpureo? • in un cianobatterio ? (Paragrafi 13.3 e 13.4) 6. he differenza 'è nel potenziale di riduzione (E d Ila clorofilla a nel P l e n l P H? Perché il potenziai di riduzione dell a clorofilla del P Il deve es ere c sì fortemente elettro p i ti vo. (Paragrafo 13.4) 7. Quali sono i due enzimi unici d l ciclo di al in? Qu li reazioni catalizzan ? Quali arebbero le con eguenze e si vi luppa e un mutante privo di uno di questi enzimi? (Paragrafo l 13.5) 8. uali organi mi usano il ciclo dell'idr sipropionat o il cie l inver o dell'acido citri co come via autotrofìca? (Paragrafo 13.5) 9. Mellere a onfronto l' utilizzazione di H 2 da parte di un batterio purpureo fot tr fo e di un elfo-batterio incol r come Beggiatoa. he ruolo volge Hz n lmetaboli modi que ti due organi mi. ( Paragrafi 13.3, .13.6 13.8) l O. uali donatori inorganici di elettr ni ono usati dagli rgani. mi Ralstonia e Thioba il/us? (Paragrafi 13.7- 13.9) l l. ettere a confronto la nitrificazione eia ica on l' anammox in termini di richie te di ossigen , organi mi c involti e la necesità delle mono si gena i. (l aragra~ 13. l O)

0)

12. Defi nite i l termine fo ~ rilazione a li ell o di sub trato. I n che cosa è di r a dalla f forilazi ne o idativa. uali c m p ti devono sinte ti zzare i batteri p r produrre TP n la fosforilazione a li ell o di ubstrato? (Paragrafo 13. 11) 13. Quali son i prin ipali prodoui di fe rmentazi ne dei seguen ti batteri: Lactobaci/lus, lostridium, Propionibacterium, Escherichia? (Paragrafi 13.12 e 13.13) 14. Fate un es mpio di ferm ntazione che non impieghi la fosforilazione a livello del ubstrato. ome i conserva l'energia in questa fermentazione? (Paragrafo 13. 14) 15. Perché la introfia viene chi amata an he "trasferimento interspe ifì odi Hz"?(Paragrafo 13. 15) 16. P rché 03 è un accett re di elettroni migliore di nella respirazione anaerobica? ( Paragraf 13. 16) 17 . he differenza c' è tra la respirazione del nitrato di Escherichia coli e quella di Pseudomonas? (Paragrafo 13.17) 18. Perché l' enzima idrogenasi è utile a Desulfovibrio anche quand non utilizza H2 come donatore di lettroni? (Paragrafo 13.18) 19. onfron tate gli acetogeni con i metanogeni sulla base di (l) subtrati e prodotti del l ro metabolismo energetico, (2) capacità di u are i c mpo ti organici come donatori di elettroni nel metaboli mo energeti o e (3) filogenesi. (Paragrafi 13 . 19- 13.20) 20. onfrontate la riduzione dello ione ferrico on la declorurazione riduttiva su lla base di ( l ) pr dotti di riduzione e (2) ignificato ambientale. (Paragrafo 13.21) 2 1. In cosa differiscono le monos igena i dalle di igena 1 1n termini di reazioni che catalizzano? Perché le os igena. i ono nece ari per il ca tab li mo aerobico degli idrocarburi? ( Paragrafo 13.22) 22. In eh co a differisce un metanotrofo da un metanogerro? uale via metab lica per l' a similazione di 1 dei metanotrofì pi efficiente e perché? (Paragrafo 13.23) 23. ome fann i batteri denitrificanti e so lfato-ridu tt ri a degradare gl i idrocarburi anaerobicamente e senza s ·igenasi? (Paragrafo 13.24)

f-

PROBLEMI l.

2.

3.

Dove ono loca lizza ti i pigmenti dei baueri fototrolì p rpora ? • nei cian batteri? • nelle alghe v rdi? onsiderando la funzi ne della clorolì l la, perché n n localizzata in un ' altra parte della cellula, per esempio nel cit plasma o nella p rete? La velocità di ere ·cita del batteri purpureo f t trofo Rhodobacter circa due volte superi re quando l 'organi m re cc fototrofìcamenle in un l rreno di col tura cont nente malat come fonte di carbonio rispetto a quando cresce in prc enza di 2 come f nte di arbonio (c n H 2 come donatore di elettroni). piegate perché accade que lo e indicate la eia se nutrizionale in cui eia ilìcare Rhodobacter nelle du di tinte ondizi ni di ere cita. ebbene iano organi mi distinti dal punto di vi. ta fisio logi o, i hemi litotrofi e i chemiorganotrofi ndividono diverse caratP. Diteri tiche comuni per quanto riguarda la produzi ne di

4.

5.

cu tete que te caralt ristiche comuni in ieme ai motivi per cui la re a di ere cita (grammi di ce llul e per mole di ub Irato) di un eh miorganotrofo che utilizz glucosi sia molto più el ala di quel la di un chemi litotrofo che utilizza z l f . n acido gras. c me i l butirrato non pu er ~ rmentato in coltura pura, sebbene i l suo catabolismo anaer bico in altre condizioni avvenga rapidamente. l n c a differiscono quest condizi ni e perché l'u ltima on ente il catab lismo del butirrato? ome pu quindi i l butirra to e ere fermentato in colture mi te? uando il metano è pr dotto da 0 2 (più Hz) dal metano ! (in assenza di H 2), di er i passaggi delle ie metab li hc sono in com une. onfron tate la metanogene i di queste due sostanze, ott lineando le omiglianze e le differenze riscontrabili in tullo il pr ce

n una coltura ancora da venire l m1crob1ologl scoprono 1n cont1nuaz1one nuov1 process1 catalizzati da microrgan1sm1 che - 1n un rno o o n !l'altro fini scono p r aver un lnliJ tto s Ila b1osf ra. Il b tterio Methylo mimbilis oxy~ m, recent mento Identificato, rappr s nt un esempio di queste inaspett te potenz1alita rn tabolich . Un tempo si ns v c11e l'oss1daz1one d l metano (CH 11 ) richie desse n cessariament l l)r senza d1 ossi eno molecolar (0 2). Di recente, tuttavi , e stat ace 1tata l'ossi zione d l metano 1n d1versi ambienti anoSSICI. Il rn t no e un poten te as serra e il consumo di qu sto composto da p rte d 1 microrgan1smi g1oc un ruolo 1mport nte nella rnodul zio ne el ciclo compi ss1vo del Cf~ 1. Il modello di ossida ione an ro ica del met no prec d ntement noto s1 basav sul rapporto sintrofico tra b tten solfato ndutton e metanogen1, in grado di 1nvertwe gli effetti ella metabolic8 rnetanogen1ca. L' i entificazione di M. oxyfera rappresenta una conferm d l cl ssico sunto secondo il quale laddove c'e energia, ci sa ranno i sicuro microrganism1 1n gra o d1 utilizzar! . M. oxyfera è stato i olato eta una coltura di arricct1nnento anaero ic a p rtire da un s d1mento anoss1co prelevato in un c n l n i Pa SI Bass1 (nella fotografia). Il c nate riceve v acque di dilavamento prov nient1 da t rreni a ricoli cw cost nt1 e n1tr to e metano. La coltura di arncchimento ha evidenziato la contestuale presenza di oss1dazione del me t no accoppiata alla dellltnficaz1one, un processo mai osservato in r c cl nz . Sorpr n ent mente, tuttavia, M. oxyfe r. - s bb n 1n condizioni d1 crescita anaerobica a ottava l via met bolica et ss1c di ossidaz1one del metano ba ata sull res nz dell'enzima metano monoss1genasi. Com'era possibile? È stato successiv mente accertato che M. oxyf< m e in gr do di ricorrere a un via di n1tnficazione affatto nuov in cui d e molecole di ossido n1trico (NO) vengono utilizzate per produrre N2 e 0 2 ; l'oss1geno v1ene 01 Immediatamente utilizzato come accettore di elettroni p r l'ossidazione del metano 1. Percio, la produzione di 0 2 rappresenta un passaggio centr l per it metabolismo del metano da parte di M. oxyfera, anche se quest1 b tteri popolano amb1enti anos sici. M. oxyfem poss1 e 1noltre una mortologiél poliedrica del tutto peculiare (inserto della fotografia) e appartiene a un nuovo phylum di Bacteria, precisamente quello ind1cato come NC 1O c i non ra sta t associata fin ui alcuna s e

l Concetto di diversità funzionale 454 Il Diversità nell'ambito dei Bacteria fototrofi 455 111 Diversità batterica nell'ambito del ciclo dello zolfo 468 IV Diversità batterica nell'ambito del ciclo dell'azoto 474 V Diversità nell'ambito di altri peculiari Bacteria chemiotrofi 478 VI Diversità morfologiche nell'ambito dei Bacteria 488

cie conosc1ut . L'1d ntific zione di M. oxyfera dimo stra come le nncipali scoperte dell microbiolog1 siano spesso ad aspettarci impr vedibitmente "in una coltur ancora venir ".

454

UN l T À 3 •

D l V EAS l T À M l CAOB l CA

Il m

nei uc e i i edrem m que ta di i manife ti n i Bacterio , n gli rchaea

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mi

andati

l • Concetto di diversità funzionale p ti

iamo parlar di di er ità microbica in termini fil genefunzi nali . l Paragraf 14. 1 d finiremo mett r mo elli di di ver i là fil g netica e di di er ità a funzi nal .

14.1 Significato di diversità microbica

trani e geni c muni p logi he e interpretan ru li

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Ossidazione dell'idrogeno Omoacetogenesi Metilotrofia Fissazione dell'azoto Denitrificazione Nitrificazione

e e e e e e

Ossidazione dissimilativa del ferro Riduzione dissimilativa del ferro Ossidazione dissimilativa dello zolfo Riduzione dissimilativa del solfato Riduzione dissimilativa dello zol fo Fototrofia ossigenica Fototrofia anossigenica

Figura 14.1 Principali tratti funzionali mappati sui più importanti phyla di Bacteria e Archaea . Il dendrogramma illustra le relazioni fi logenetiche tra i phyla microbici stabilite sulla base delle sequenze dei geni dell 'rANA 16S. l rami blu indicano i phyla di Bacteria, quelli rossi i phyla di Archaea . l pallini colorati indicano i phyla che contengono almeno una specie portatrice di uno dei tratti funzionali indicati in legenda.

CA PIT OL O 1 4 •

Dl VERS l TA FUN Z l ON AL l T RA l 8 A C TER l A

455

l attività d

tratti fu nzi nal i o n neti i ( mpi i tr e 14.20). Le di

gi a n n

pu es r gi a,

d fìnita gi . L a

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - Perché è necessario considerare la diversità microbica in termini di diversità filog enetica e fun zionale? Quali sono le tre ragioni per cu i alcuni tratti funzionali possono non essere coerenti con i gruppi filogenetici identificati dalle sequenze dei geni deii 'RNA ribosomale 16S?

Il • Diversità nell'ambito dei Bacteria fototrofi

14.2 Rassegna dei Bacteria fototrofi

g ni odifìcanti p r fun gen tico dei Ba teria.

456

UN l T A 3 •

D l V ERSIl A M l CRD B l CA

fì , tra ui i i l mi di m mbran i pigmen ti f t . int m ri ultat di un adattament al pa11i di tu e pre nt n i ri p tti i habitat.

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Quale forma di fotosintesi prima sulla Terra?

è più

probabile sia apparsa per

14.3 Cyanobacteria Generi principali: Prochlorococcus, Crocosphaera, Synechococcus, Trichodesmium, Oscillatoria, Anabaena yanobacl.eria comprendono un a to gruppo, morfologi camcnte d ecol gicamcnte et rog ne , di Bacreria f t tr fì o. sig mc1. om detto n l Paragraf 12.2, qu ti rgani mi n lati i primi r totrofì produttori di o. ig no ompari ulla T rra e, nell'arco di miliardi di anni, trasformare l 'atm s~ ra riginariament an n ll'atm s~ ra . sig nata che abbiamo oggi.

Filogenesi e classificazione dei Cyanobacteria di

compar. a

(a)

(c)

(b)

(d)

(e)

Figura 14.2 Cianobatteri: i cinqu e principa li tipi morfologici. (a) Gloethece , unicellulare; le singole cellule hanno un diametro di 5-6 Il-m; (b) P/eurocapsa, aggregati coloniali; queste strutture contengono centinaia di cellule e hanno un diametro superiore a 50 Il-m; (c) Lyngbya , filamentoso; le singole cellule sono larghe circa 10 Il-m; (d) Nodularia, filamentoso con eterocisti; le singole cellule sono larghe circa 1O Il-m ; (e) Fischerella, filamentoso ramificato; le singole cellule sono larghe circa 1O Il-m. Si noti come le differenze morfologiche siano coerenti con la diversa origine filogenetica, in base a quanto illustrato nella Figura 14.3.

CAPITOLO 14 •

olta all ' int rn d

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

457

Tabella 14.1 Generi e raggruppamenti nell'ambito dei cianobatteri Gruppo

Genere

Gruppo l, Chroococca/es Unrccllulan o ac gregati dr cellul

Gtooothcce (Frc urn 11! .2a). Gtooot)DCI r. Syncct?ococcus, CyDnotilec , lo ocap a, Syn cflocysl,s, Cilama SI IJon, M rismopod1a, Crocos Ila ra (rr um 11!.7 ), Proc!Jio,ococcus, Prochloron

Grup po Il , Pleurocapsales Sr rìprodLJCono gr 1re ali Paragraf 22. 1).

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Quali sono le proprietà distintive dei cinque principali gruppi morfologici d ei Cyanobacteria? Cosa sono le eterocisti e qual è la loro funzione?

CAPITOLO 14

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

(b)

(a)

Figura 14.9 Fioritura di batteri rossi sulfurei. (a) Lamprocystis roseopersicina, in una sorgente sulfurea. l batteri crescono vicino al fondo della polla sorgiva e vengono a galla (grazie alle loro vescicole di gas) quando disturbati. Il colore verde

•

(c)

è dovuto invece alla presenza di cellule dell'alga eucariote Spirogyra (c+.:> Figura 12.41 d). (b) Campione di acqua prelevato alla profondità di 7 m nel Lago Mahoney nella Columbia Britannica. Il principale organismo è Amoebobacter

14.4 Batteri purpurei (rossi) sulfurei

o,.

•'bo"

I balleri r . si . ul fur i s n ~ Lotr fi an ssig n i i che uti liu.ano l 'ac id solfidri o ( H 2 ) ome donatore di elettroni per la fotosin t si . i tratta di un gruppo fi l geneticam nte mogenco h fa part dell 'ord ine d Il e hromatia/es nell a las. e dei

purpureus. (c) Microfotografia a contrasto di fase di batteri rossi sulfurei da un piccolo lago stratificato nel Michigan. l batteri rossi sulfurei visibili appartengono a specie di Chromatium (grossi bacilli) e di Thiocystis (piccoli cocchi).

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Generi principali: Chromatium, Ectothiorhodospira

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l batl ri ro si ul fure i i di idono in due fam iglie: le hromatiaceae e le Ectothiorhodospiraceae. L . pec ie appart nen-

461

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(a)

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Figura 14.10 Microfotografie in campo chiaro e a contra to di fase di batteri rossi sulfurei. (a) Chromatium okenii; le cellule sono larghe circa 5 IJ.m. Si notino i granuli di zolfo elementare all 'interno delle cellule. (b) Thiospirillum jenense, uno spiril lo di dimensioni cospicue, dotato di unico flagello polare; le cellule hanno una lunghezza di circa 30 IJ.m. (c) Thiopedia rosea; le cellule sono larghe circa 1,5 IJ.m. (d) Micrografia a contrasto di fase di cellule di Ectothiorhodospira mobilis. Le cellule sono larghe circa 0,8 IJ.m. Si notino i granuli di zolfo esterni (freccia).

462

UNl TA 3 •

Dl VERS l TA M l CROB l CA

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Cosa determina il colore in ragione del quale i batteri rossi sulfurei prendono il nome? Dove vi aspettate di trovare i batteri rossi sulfurei?

14.5 Batteri rossi non sulfurei e fototrofi aerobi anossigenici Batteri rossi non sulfurei Generi principali: Rhodospfrillum, Rhodoferax, Rhodobacter l batteri r

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Figura 14.11 Sistemi di membrane dei batteri rossi fototrofi osservati al microscopio elettronico. (a) Ectothiorhodospira mobilis , con membrane fotosintetiche arrangiate in pacchetti di strati sottili (lamelle). (b) Allochromatium vinosum , con membrane in forma di vescicole sferiche singole.

Figura 14.12 Fotografia di colture liquide di batteri rossi fototrofi che evidenziano colorazioni riferibili a specie contenenti differenti pigmenti carotenoidi. La coltura blu è un mutante senza carotenoidi di Rhodospirillum rubrum, che rivela come la batterioclorifilla a sia di colore blu. La bottiglia all'estrema destra (Rhodobacter sphaeroides , ceppo G) è priva di uno dei carotenoidi del ceppo selvatico (penultima bottiglia a destra) e, perciò, si most ra con toni più verdastri.

CAPITOLO 14

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DIVERSITA FUNZIONALI TRA l BACTFRIA

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L'a rricch imento e l' i. fu rei ri ulta abbas tanza fa

Figura 14.13 Rappresentanti di diversi generi di batteri rossi non sulfurei. (a) Phaeospirillum fu/vum; le cellule sono lunghe circa 3 f.l.m. (b) Rhodoblastus acidophilus ; le cellule sono lunghe circa 4 f.l.m. (c) Rhodobacter sphaeroides; le cellule sono larghe circa 1,5 fJ-111 . (d) Rhodopila g/obiformis; le cellule sono larghe circa 1,6 fJ-111 . (e) Rhodocyclus purpureus; le cellule hanno un diametro di circa 0,7 1J.I11. (f) Rhodomicrobium vannielii; le cellule sono larghe circa 1,2 IJ-111 .

Fototrofi aerobi anossigenici Generi principali: Roseobacter, Erythrobacter

rin i

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Verifica - - - - - - - - Quali sono le somig lianze tra i batteri rossi non sulfurei e i fototrofi aerobi anossigenici? Quali sono invece le differenze? Dove vi aspettate di poter trovare i fototrofi aerobi anossigenici?

464

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

14.6 Batteri verdi solfurei Generi principali: Chlorobium, Chlorobaculum, 1/Chlorochromatium " l batteri

ono un gruppo fil genetica ment igenici che form ano il phy lum dei trano un a ri . treua ver. atilità m tabolica, so no streuam nte anaerobi ano igenici e tipi amente non pre entano motilità. i tratta di bac illi corti o lunghi , ma nel compi ss arau ri uati da ·car a variabili tà morfol ogica compi ss i a (Figura 14.14). om i batt ri rossi . olfur i, i batteri verdi so lfur i o si dano l'idr geno o l~ rato ( H 2 ) come donat r di leuroni per la cr . ita autotrofa, ossidando lo prima a Lo lfo lementare ( 0 ) e poi a o l fato ( l contrari di quanto avvi n nei batteri ro .. i . ol furei, l ' 0 prodotto dai balleri erdi ol fur i è depositato fuori dall a cellul a ( igura 14. 14a). L'autotrofia n n di p nd dali r azi n i del ciclo di al in - Ben. on, ome nei batteri ro i , b n l dall a eri e in cr a d Ile reaLi ni del ciclo dell'acido c itri co(~~ Parag rafo 13.5 e igura 13. 19a), un a moda lità unica di autotrofia nell ' ambito delle . pecie in grado di op rare la f to intes i.

l ).

(a)

(b)

Figura 14.14 Batteri verdi fototrofi solfurei. (a) Chlorobium limicola; le cellule sono larghe circa 0,8 IJ-m. Si notino i granuli sferici di zolfo deposti extracellularmente. (b) Chlorobium cla thra tiforme , un batterio che forma una rete tridimen ionale; le cellu le sono larghe circa 0,8 IJ-m.

Pigmenti ed ecologia ng n batteri cl rofì ll a c, d o e, eh nt nuta in strutture p culiari chiam ate cloro omi (Figura 14.15). na piccola quanti t di batterio ·lorofi ll a a è pre ent n l entro di reaLi n e nell a proteina F eh connette i l r mi all a membrana ci top la. mati ca (~~ igura l .7b . l lor om i sono corpi oblunghi ricchi di atterioclor fì ll a, ir ndati da una sottile m mbran a non unitaria e ade i all a mem rana citopl a. mali a alla p riferia della cllula ( igura 14. 15; ~~ Figura l .7). l loro. omi . cr von a conv gli ar er. o il f to i tema l' n rgia impi gata all a fin e p r sinteti aare l ' TP. l contrario d i fototr f"ì ross i ano.sigeni i, i batteri verdi sulfur i utili/l.ano un foto s i ~ t e m a di tipo l. i conosco n spec ie sia di co l re erd ~ i a di co lore marron e, qu . t ultim contengono batterio lorofilla e c carotenoidi che c nferi scono ali dens s spe nsioni ellul ari il co lor bruno (Figura 14.16). o ì come i batteri ross i sulfurei ( Paragrafo 14.4), quell i verd i vi ono in ambi enti acq uatici ano. sic i c w lfìdri ci . l clorosomi . no tulla ia apparati per la ra ·c lta d Il a lu · molto cffi i nti , che pcrm euono ai batteri verdi sulfurei di crescer a inten i t d Il a luce molto più basse di quelle richi ~ t e dag li altri fototrofì . l batteri erdi . ulfurei tendon an h ad aver un a to ll cra n;a p r I' H 2 più alta deg li altri fototrofì anoss igenl cl. co n eguc eh Ili . ti orga ni smi ricorron n i laghi c negli amma i mi crobici multi stratifi cati all e profondità più ·pin te ri sp tto al r sto dei mi crorgani sm i ~ totrotì, do e l'intensità della luc più bassa e la co nce ntrati n di H 2 più elevata. P r s mpi o, un a sp cic di batt ri verdi sulfurci, i ~o l a t a da una . orge nte idrot rmal nell profondità o ani eh ( ~~ Paragraf 19. 1 ), ha dimos tra! di crescer fot trofìcamente graLie allo ~t r tto spettro di radiazioni infrar s. e eme. o dall e rocce ri ·ca lciate dal fluido geo termico. na ·pe ie, hlorobaculum tepidwn ( igura 14. 15), term ofil a e form a d n. i tappeti microb i i press le sorg nti ca ld ri cche di . ol furo . . tepidu111 cr . rap id amente ed è ge n ticament manipolab il c per c niugat.ion c tras form azione. ca usa di queste caratteri. ti ch , . tepidum di enuto l ' rgani mo m dello per lo studi o della bio l g ia mo leco lare dei batt ri verdi sol furci.

(a)

(b)

Figura 14.15 Il batterio verd e solfureo termofilo Chlorobaculum tepidum. Micrografia elettronica di una sezione sottile. Si notino i clorosomi (freccia) al la periferia della cellula. Una cellula è larga circa 0,7 IJ-111.

Figura 14.16 Clorobi verdi e marroni. Provette contenenti col ture di (a) Chlorobaculum tepidum e (b) Chlorobaculum phaeobacteroides. Le cellule di C. tepidum contengono batterioclorofilla c e carotenoidi verdi ; le cellule di C. phaeobacteroides contengono batterioclorofilla e e isorenieratene, un carotenoide di colore marrone.

CA P l T OL O 1 4 •

D l V ERS l T A F UN Z l ONA L l TRA l 8 A C TER l A

465

Consorzi di batteri verdi solfurei rdi solfur

(a)

(b)

(c)

Il nome " h/orochromatium ;ione pri va di va lore ta.

ti compl ementari ag i i rR (Figura 14. 17c). n altro con. ort.io si m il dal punto di i. ta \ trutturale e chi amato " Pe/ochromatium roseum" si m stra di co lore marrone in qu anto gli epibi onti cos tituti i produc no carotcn idi di qu sto co lore (c.+;> Fi gure 22.3 c 22.4). . ami ncrcmo la natura del cons rt.i o hlorochromatium in maggior dettag lio n l Paragra fo 22.2. Verifica Quali pigmenti sono presenti nel clorosoma? Quale prova è possibile addurre per afferm are c he gli epibionti dei consorzi batterici verdi sono realmente dei batteri verdi solfurei?

14.7 Batteri verdi non sulfurei Generi principali: Ch/oroflexus, Heliothrix, Roseiflexus l b tt ri c rdi non ul furci sono fototro tì ano. sigenici d phy lum hlorojlexi. uest' ultimo comprende di ers linee evoluti e di stint , una dell quali , la la.. h/oroflexi in sc ns stre llo, omprende so lo batt ri v rdi non sulfurei . Il res to d l ph lum anno ra in ve ·c organi mi metabolicameni di v rsi, tra cui chcmiorgan tro lì a robi e anaerobi , i Delw lococcoidetes . un gruppo di ba tteri d aloge nanti eh utiliuano ·omposti orga ni ci aloge nati co me a c ttori di elettro ni n Il a re. pirat.i one anaerobi ·a (c.+;> l aragrafo 13.2 1). L 'anal isi dell e scqucnt.c diR ribo. omalc 16 provcni ent da ca mpi oni ambientali (c.+;> Paragrafo 18.5) ri eia co m l spec ie d l ph ylum hlorojlexi siano di f fu se ov unque, ladd ve, tutta ia, per la magg i r parte dcii sp cie del ph y lum n n es iste ancora un m t do di c l tura i n l ab rat ri o ffì cac h consenta di ca ratteri zzarn e la di versità m taboli ca. utti i rappre. entanti a ggi c l ti ati d i batt ri crd i n n so lfurei orri spond no a form e fil amentose in grado di muoversi per sc i olamento. hlorojlexu , uno dei rapprc enLanti più tudi ati , form a p ssi tappeti micro bi ci nei pre. si di sorg nti di acque t nnali neutre o alca line, insiem a ianobatteri

(d)

Figura 14.17 " Chlorochroma tium aggreg a tum". Consorzio di batteri verdi solfurei e di un chemiorganotrofo. (a) In questa micrografia a contrasto di fase, l'organismo non-fototrofo al centro dell'aggregato si mostra di tonalit più chiara rispetto ai batteri fototrofi pigmentati. (b) l carot noidi verdi conferiscono la colorazione ai batt ri fototrofi , in qu sta micrografia a contrasto di fase interferenzi le. (c) In quest micrografia a fluorescenza, sono evidenziate le cellule marcat con sonda filogenetica FISH specifi ca p r i batteri verdi ulfurei. (d) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione trasversale di un consorzio semplice; si notino i clorosomi (frecce) all'i nterno degli epibionti. L'intero consorzio ha un diametro di circa 3 IJ.m.

sul fur i rappr sentano un " ibrido" tra qu Il e d i batteri erdi sul furei (Paragrafo 14.6) e quell e dei batteri r s i fo t tr fì (Paragr fì 14.4 c 14.5). l batteri crdi non . ulfurei hann o centri di rea t. i n c ntenenti batteri l or lì Il a a e cloro. mi che c ntengon batteri oc l r lì Il a c (Figura 14. 15), ri c rd and in quel>! i batteri erdi sulfur i . l ontrario d i batteri erdi sulfurci, quell i non sul furei utili zzano tuttav ia un fo to. i tema di tipo Il , così co me fanno i batteri ross i . ul furei .

466

UNITÀ 3 •

DIVERSITA MICROBI CA

OH

~CH 3

OH (a)

Esterno

Interno

OH

OH

t-'

OH

::l

::l

(a)

~CH 3 H 3 C~

l

l

>

(b)

j

OH

Membrana (b)

Figura 14.19 Lipidi inusuali di Th ermom icrobium . (a) Lipidi di membrana di Thermomicrobium roseum contenenti dioli a catena lunga come quelli qui rappresentati (13-metil-1 ,2-nonadecanediolo). Si noti che in modo diverso dai lipidi di altri Bacteria o Archaea, non sono presenti catene laterali con legami estere o etere. (b) Per formare una membrana bistratificata, le molecole di questi dialcoli si appaiano le une con le altre a livello dei gruppi metilici , con i gruppi - OH a livello delle superfici idrofile interna ed esterna. Piccole quantità di dioli hanno degli acidi grassi esterificati a livello del gruppo - OH secondario (mostrato in rosso), mentre il gruppo - OH primario (mostrato in verde) può legare una molecola idrofila come il fosfato.

(c)

(d)

Figura 14.18 Batteri verdi non solfurei. (a) Micrografia a contrasto di fase del fototrofo Chloroflexus aurantiacus; le cellule hanno un diametro di circa 1 f.l.m. (b) Micrografia a contrasto di fase del fototrofo di grandi dimensioni Oscillochloris; le cell ule sono larghe circa 5 f.l.m . La porzione in alto più luminosa è una struttura di ancoraggio (ho/dfa st) usata per l'adesione al substrato. (c) Micrografia a contra,sto di fase di filamenti di un specie di Ch/oronema ; le cellu le hanno filamenti ondulati e un diametro di circa 2,5 f.l.m. (d) Tubi di coltu ra di C. aurantiacus (destra) e Roseiflexus (sinistra). Roseiflexus è giallo in quanto privo di batterioclorofilla c e clorosomi.

Altri Chloroflexi Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - In che modo Chloroflexus e Roseiflexus somigliano a Ch/orobium e a Rhodobacter? Cosa c'è di davvero peculiare in Thermomicrobium?

14.8 Altri Bacteria fototrofi Generi principali: Heliobacterium, Ch/oracidobacterium Eliobatteri li eli obatteri ono un grupp li Bacteria fot l r fì gram-pom gen o, appa11en ntc al ph lum iti i , fìl geneti cam nt

CAPITOLO 14 •

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

t ". l~

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(a)

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{b)

467

"'

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(c)

Figura 14.20 Cellul e ed endospore di eliobatteri . (a) Micrografia elettronica di He/iobaci/lus mobilis , una specie flagellata peritrica. (b) Fasci di cellule di He/iophilum fasciatum osservati al microscopio elettron ico . (c) Fotomicrografia a contrasto di fase di endospora di Heliobacterium gestii. La maggior parte delle cellule degli eliobatteri ha un diametro di 1-2 iJ.m.

Clorosoma

d i Firmicute .

li li batt ri ig nici eh pr ducon un 1 igment p uliare, la b tt rioc lor Alla g (c!+J igura l . ), e utilizzano un f to ist ma di tipo I. ll gruppo c mpr nde 5 g neri: Heliobacterium , Heliophilum , Heliore ti , f-Jeliomonas e Helioba illu .

(a)

{b)

Figura 14.21 Clorosomi in Chloracidobacterium thermophilum , un membro fototrofo del phylum Acidobact eria. (a) Microfotografia al microscopio elettronico di C. Thermophilum in cui si identificano i clorosomi. (b) Microfotografia in fluorescenza di C. thermophilum . Il colore rosso è dovuto alla fluorescenza della batterioclorofilla c presente nei clorosomi. Le cellule sono larghe circa 0,8 iJ.m.

Acidobacteria fototrofi i fot tr A aer bi an igenici (Paradi i ta d l m tabo li m d l carboni ,

in

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Quali fototrofi anossigenici utilizzano clorosomi? • Quali batteri fototrofi producono spore?

468

UN l T A 3 •

D l VERS l T A M l CROB l CA

111 • Diversità batteriche nell'ambito del ciclo dello zolfo pr babilm nt qu li che ha st nuto l prim fonn di ita ul n tr pian ta (c!;J Paragralo ma il ciclo del! z lf (c!;J Paragraf 20.4) re il conte to n !l 'ambito d l qual i afferma un ' ampia div r ità microbica. I n que t paragrafo prend r m in con iderazi n l vari differ nz tra gli rgani mi ca1aci di effettuar il metabolismo dis imitativo dell zolfo di quelli eh conservano l' nergia grazi all ' i lazi ne all a riduzione d i composti so l forati (c!;J Paragrafi l .8 e 13. 18). a notevol vari tà di procarioti in grad di attuar i l m taboli mo di . imilativo dell o zolfo d

l-

(r pirazi ne ima robi ). l m m nto i co n n ltr 30 g neri di l ato-riduttori , h appart ng n a cinque ph la tra Ba teria e A rchaea (Figura 14.22). La m gg ior parte d i olfato-ridutto ri appartien ai Deltapr t oba teria , ma ne tr viam an h nei inni ute ( mpi , D ulfoto-

macufum De ulfo poro inu ), n i Thermode ulfob 1 feria (e mpi , Thermodesulfobacterium) e nel le itrospirae (es mpio, Th ermode ulfovibrio). La riduzione del solfato . i ritro a anche in rchaeog/obus, un gen re d l phylum d g li Euryarchaeota nell ' amb ii degli Archaea.

Fisiologia dei batteri solfato-riduttori

14.9 Batteri solfato-riduttori dissimilativi Generi principali: Desulfovibrio, Desulfobacter

l

l batteri solfat - riduttori produc no en rgia ac pp iando l' o sidazione deli ' H 2 o dei c mpo. ti organici all a riduzione

i tono due tipi fì io log ici di rsi di ol fat -riduttori di imi lati vi: gli o . idanti mpleti , eh po co mp letamente l 'a c tal altri a idi gra si a sid nti i ne mpleti , he non . ono in grado di to a 2 . ue ti ultimi compr ndon i l g ner più tudiato, Desulfovibrio, altri gruppi , c 111 D ulfomonas, De ulfotomaculwn e De ulfobulbus ( igura 14.23c). Quell i capaci di

e e Figura 14.22 Solfato-riduttori dissimilativi. Il dendrogramma illustra le relazioni filogenetiche tra alcuni generi di solfato-riduttori come risultanti in base all'analisi delle sequenze dei geni deii 'RNA ribosomale 16S. l settori colorati servono

a differenziare i cinque phyla principali che comprendo generi di solfato-riduttori. l pallini colorati indicano quali specie annoverano ossidanti completi, in grado cioè di ossidare l'acetato a C0 2 , e quali invece ossidanti incompleti,

Ossidanti completi Ossidanti incompleti

che non possono ossidare l'acetato. La fisiologia dei batteri solfato-riduttori è trattata nel Paragrafo 13.18, mentre il ruolo da questi giocato all'interno del ciclo dello zolfo è discusso nel Paragrafo 20.4.

C A P l T OL O 1 4 • Figura 14.23 Batteri solfato e zolfo-riduttori. (a) Desulfovibrio desulfuricans ; il diametro della cell ula è circa 0,7 IJ..m. (b) Desulfonema limicola; il diametro della cellula è 3 IJ..m. (c) Desulfobulbus propionicus; il diametro della cel lula è circa 1 ,2 IJ..m. (d) Desulfobacter postgatei; il diametro della cel lula è circa 1,5 IJ..m . (e) Desulfosarcina variabi/is; il diametro della cellula è circa 1 ,25 IJ..m. (f) Desulfuromonas acetoxidans ; il diametro della cel lula è ci rca 0,6 IJ..m. (g) Coltura di arricchimento di batteri solfato-riduttori. A sinistra il terreno sterile; al centro un arricchimento positivo che evidenzia la colorazione nera del solfuro di ferro (FeS); a destra colonie di batteri solfato-riduttori in un tubo da diluizione. Le foto (a)-(d) e (f) sono microfotografie a contrasto di fase ; la parte (e) è una microg rafia a contrasto per interferenza differenziale.

D l VERS l T A F UN Z l ON A LI T RA l 8 A C TERl A

(a)

(b)

(c)

(d)

469

igura 14.2 d),

l

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y....

,,..:~ 1,. ' l ...,..f L ,. ,

.11

(e)

r l

(f)

Ecologia dei batteri solfato-riduttori l s lfat -ridult ri

(g)

latt ato, solfato c r rro ferroso (Fe 2 + ). :. n cessario a i ungere ino ltr un agent riducent , come i l tiogli a lato o l 'as rbato, al fine di g.:> Paragrafo 13.189. (b) Achromatium . C llule fotog rafate mediante microscopia a con trasto p r lnterf renza differenziale. Le piccole strutture globulari vicino alla p riferia delle cellu le (freccia) sono zolfo elementare e grossi granuli di carbonato di calcio. Una singola cellula di Achromatium ha un diametro di circa 25 1-1-m.

LI

a pH n utr nt n nti H 2 . pre. entano come grandi h i, di l O- l O f.!. m ( igura l .25b). chromatium apparti n ai ammaproteobact ria d speci ti amente orrelato ai batteri la c rri pond nt c ntr part f ross i sulfur i, c sl me l totro fa rappresentata da hromatium (Paragrafo 14.4 igura 14. 10a). me hromalium , l c llul di ·hromatium accumul ano 0 all oro interno ( igura 14.25b) ; i granuli di z l f elem ntare uccc i amente s ompaiono, man man che 0 o idato a J . Le ce llul di chromatium nt ngon inoltr gro i granuli di al ite ( a 3) ( igura 14.25b), f r e ~iJ&li zza ti come fonte di carbo ni o ( otto form a di 2 ) p r la

472

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

cr ci la aut tr fa. dan ti trattata n l

h mi lit trofì .wlfo-os i-

Differenti strategie ecologiche dei batteri zolfo-ossidanti

aerobi di H2

l.

r far front al l' in tabi l it

tro~

. ul fur

himica

d l

empio di quanto

te.

2.

l J (a)

(a)

(b)

Figura 14.26 Thiothrix. (a) Filamenti di Thiothrix adesi a materiale vegetale nelle acque di drenaggio in uscita da una spelonca sulfidrica a Frasassi , Italia. Se misuriamo i filamenti partendo dal punto di inserzione sullo stelo vegetale, quello più lungo risu lta circa 4 mm. (b) Microfotografia a contrasto di fase di una rosetta di cellule di Thiothrix isolata dalla sorgente artesiana mostrata nella Figura 14.24a. Si notino i globuli di zolfo interni prodotti in seguito all'ossidazione del solfuro. Ogni filamento è lungo circa 4 IJ.m.

(b)

Figura 14.27 Batteri zolfo-ossidanti filamento si. (a) Microfotografia a contrasto di fase di specie di Beggiatoa isolate da un impianto per il trattamento delle acque reflue fognarie. Si noti l'abbondante quantità di granuli di zolfo elementare in alcune cellule. (b) Grosse cellule appartenenti a una specie marina di Thioploca. Le cellule contengono granuli di zolfo (in giallo) e hanno una larghezza di circa 40-50 IJ.m.

CAPITOLO 14 •

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

473

Figura 14.28 Thiomargarita , batterio gigante zolfo-ossidante. (a) Thiomargarita namibiensis isolata da una corrente marina ascendente in Namibia (a largo della costa, in Africa sud occidentale). Le cellule un diametro di circa 100 f.l.m. (b) Cellule in divisione contenenti vacuoli che provengono dallo stesso sito. La fotografia in fluorescenza mostra i ribosomi di Thiomargarita colorati con un colorante fluorescente dell'acido nucleico . l ribosomi si trovano nel ci toplasma, rilevabile come strato sottile lungo la parte esterna della cellula. Il citoplasma si trova schiacciato tra la parete cellulare e il grande vacuolo cen trale, caratteristico delle cellule di Thiomargarita, che nell'immagine appare di colore scuro. Le cellu le sono larghe circa 50 f.l.m .

3.

ti , n i ~cdim c nti , nell e sorg nti sulfuree c in qu Ile ca lde. ome strateg ia ecologi ·a ~ frutt a la propria mob ilità per sc i olam nto in modo da posi;.ionarsi laddove si tro va no c ntem poran amen t H2 c 2. Per sem io, BeRRiatoa, al l ' intern o di un ammas. o microbico, pu . po. tarsi rtica lm nt fino a di ersi ce ntimetri al giorno in ri . p sta alla produt.ione di 2 da part dci cianobatteri , in modo da utili1.1.are l 'o. sigcno quand di n tte la fo tos intes i non atti va, e d' altra parte pu spostarsi su ·cessi am nt in ·enso opposto quando, durante le ore di luce, si f rma 2 in sup rfìcie a :eguito d Ila G tos int . i e I'H 2 c rei gato negl i strati pil:1 profondi dell ' am masso microbico. Il genere Th iomar~:arita com prende alcuni dei più grand i bat teri on iuti , con diametri h p ssono arri ar fìn a 0,75 mm (Figura 14.28). Thiomargarita n n mobil e la sua :tratcgia l gica pre edc la epanuion n l tempo d ll ' o idat.i ne di H2 a guit del la ridu 1.ion di 2. P r riusc irei, Thiomargarita utiliua un va u lo gigante, che pu aJTivare a o cupare la quasi t talità d Ila ce llul a ( igura 14.2 b) contiene cle at c ncentrat.i ni di nitrato ( 1 ) . Le cellul e i ono in sedimenti marini ri c hi di so l furi eh occas i nalmcntc si mi sc hi ano co n acque ricche di ossig n , c m qu Il dell palud i sa lmastr ·osticrc c quell dei tratti occanici interes. ati dal fenom n d Ila risa lita di mass' acq uat iche profonde (upwelling). uand si tro va no nei sedi menti , qu sti batteri ·. id ano H 2 a 0 , ana robi ca ment , riduc nd ad ammoni o ( H1 ) il nitrato immagaainato n l vacuolo, con formaL ion di granul i intrac llul ari di 0 ( igura 14.2 a). uand in ece la turbolen1.a d Ile acqu m :co la le cellul mierobiche lungo un a co lonn a d'acqu a d ve man a crso l' sidaH 2 , qu . t de iano il loro m tab lism t.ione aer bica dcii 1. lfo l mcntarc pr ced nt m nte immaga1.1.inat . L 'energia ottenuta vi n usata p r riem-

4.

cern e una sostan;.a e tracellul ar che ti ene unite le in un a struttura si m il' a un ve lo in grado di ragg iun g r il diametro di alcuni ce nti metri ( ~ i gura 14.29a). ue. ti ve li, compost i da un gran num ro di ce llu le di Thiovu ce llul e lum , si formano al di sopra di un a font di 1-1 2 . possi don lun ghi fl ag Ili ' h pos. n aderire tant al ve lo qua nt a sup rfì ci so lide. Poiché l 'estremità terminale dei fl agelli ' anc rata a una up rfì cic e pcrci ri ulta immobi l , la rota1.ione fl ag ll ar penn ll all e c llul di

474

UNITÀ 3 •

(a)

DIVERSITÀ MICROBICA

(b)

Il batterio zolfo-ossidante Thiovulum. (a) Macrofotografia di cellule Thiovu/um (punti gialli) che formano un sottile velo su una sabbia marina ricca in H2 S (le grandi strutture irregolari sono granelli di sabbia) . (b) Micrografia elettronica a trasmissione di una cellula in divisione di Thiovulum . l globuli di zolfo (SO) sono indicati dalle frecce. Le singole cel lule di Thiovu/um misurano tipicamente 10-20 IJ.m in diametro. Figura 14.29

no pecu liari e a lt

6.

Ve rifica - - - - - - - - - Descrivete il metabolismo energetico e quello del carbonio d i Thiobacillus in termini di resa energetica e d i nuovo materiale cellu lare prodotto. Descrivete alcune strategie ecologiche utilizzate dagli zolfo-ossidanti per ovviare all'ossidazione chimica di H2S.

IV • Diversità batteriche nell'ambito del ciclo dell'azoto

14.12 Diversità nell'ambito dei batteri azoto-fissatori Generi principali: Mesorhizobium, Desulfovibrio, Azotobacter l li azotrofì ono microrgan i mi in grado di fì s ar l ' at..oto ga ( 2 ), tra f rmando lo in H 3 (ammoniaca), che pu

CAPITOLO 14 •

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

Fìlogenesi del gene per l'rANA 165

475

Filogenesi di NifH

, - - - - Methanosarcina acetivorans - - - - __ •

bi nti i

...

Anabaena varlabll/s - ...

"

' , , "

'v,., ,

Treponema -prlmitia - ~ '

Diazotrofi simbiontici l diaz tr fì forman una ari et

'

,. ~

Chlorobium limicola - ~ '

"'"'

,,

,,., ,, \

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Clostridium acetobutylicum -

l

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1 ,

' ,Y ~",, 1 \

,,

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;' • ------,

)

Paenibacillus abekawaensis -;"' -'~ 1 Desulfovtbrio gtgas- -

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- ----J

,-

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,, ' .

., .,

1

'

l

Geobacter metallireducens - ' ' Burl Par grafo 13. 10), non sarà po .. ibi le ri l vare t rbidità nelle coltu re l'n a che n n . i . ia erifìcata una nitrifìcazione spinta. n modo molto emplic per monitorar la ere. cita di qu ti b tteri consiste p rei n l mi. urar l pr duzi n di 2 (quando H 3 il d nat r i elettroni ) o di :l (quando 02 il donatore di elettroni).

Bacteria e Archaea nitrificanti: ammonio-ossidanti Generi principali: Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosopumilus

(b)

Bacteria nitrificanti: nitrito-ossidanti Generi principali: Nitrospira, Nitrobacter

tra omonas, itrosospira, Cammaproteobacteria ( ilro o occus), n nch nel ph lum ar h batt ri Thaumarchaeota ( itro opumilu , itrosoca /du , itro oarclzaeum, Nitro osphaera). l i amm nio-o. sidant i . n ampiam nte diffu i n l suo lo e n ll 'a qua. n pr senti in co ncentrazione particolarmente ele ata negli habitat in cui c' abb ndan za di 1-1 3 , m gli ambienti in cui . i ha una ma. si va d omp . izi n a carie di mat ria i prot ic (ammonifìcazione) e gli impianti di trattam nto delle acque di carico (c!;:> aragraf 2 1.6). T batt ri nitrifìcanti i svi luppano in ltr n i laghi n i c rsi d'acqua eh ricevono scarich .i fognari o altri reA ui g ner, l m nt ricc hi di H3 . itro omona i ritr va pe o n i fanghi attivi tipicamente presenti pre.. o l . tazi ni p r i l tratta m nto a robico d Il acqu r flu . I batt ri ammoni id ant i n c muni anche nel . uolo (e empi, itrospira, itro ovibrio) e negli oceani (e empio, itro o occus). l i amm ni -oss id anti appartenenti ag li (c!i) Paragrafo 16.6) em ran essere più comun i n bitat dove H3 pr ent a ba. c n ntrazi ni. uesti

la

io·ospira .

477

478

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

Figura 14.34 Il batterio nitrificante Nitrospira. Un aggregato di cellule di Nitrospira arricchite da un campione di fanghi attivi provenienti da un impianto di trattamento di acque reflue. Le singole cellule si presentano ricurva (frecce) e si raggruppano in aggregati in forma di tetradi. Una cellula di Nitrospira misura circa 0,3 x 1-2 IJ.m.

Bacteria e Archaea denitrificanti Generi principali: Paracoccus, Pseudomonas I d nitrifì anti po r bica di 3 chimiche ga o e tutti i denìtrifìcanti

re grazi alla r pirazion eng n convertiti n Il p cie 2 (c!;:> aragrafo l .17). ua i m iorganotr fi eh uti lizzan il

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . • In quali condizioni ambientali si possono trovare microrganismi denitrificanti? • Quali tratti sono condivisi da ammonio-ossidanti e nitrito-ossidanti?

V • Diversità nell'ambito di altri peculiari Bacteria chemiotrofi c n ervar energia i ferr -riduttori di 111 tall i ace ppiand ci Ila riduzi ne di

dalla riduzi n dei 111 ta lli. ntrari imilati vi f~ ttuan una r pirazi n dei l'o ida i n di H2 di 111po ti organi ferro f ITic ( e3+ ) o 111angan (Mn 6 + )

(Figura 14.35a).

111 tali i .

14.14 Bacteria ferro-riduttori dissimilativi Generi principali: Geobacter, Shewanella

p rdita di g ni in alcune line rizzontale r altr .

Fisiologia I f n·o-riduttori di imil ativi n pecializzati n IJ'uti lizzo di accett ri di l ttroni e t rni inso lubili e ono mo lto ver atili

CA Pl T OL O 1 4 •

D l VERSl T À FUN Z l ONA LI T RA l 8 A C TER l A

479

f ~-=--~--------------~--~ a!

Figura 14.35 Il batterio Geobacter, ferro-riduttore dissimilativo. (a) La provetta non Inoculata (a sinistra) contiene un terreno anossico in cui sono presenti acetato e ferridrite, un ossido di ferro debolmente magnetico. A seguito della crescita di Geobacter (provetta a destra), la ferridrlte viene ridotta a magnetite, minerale decisamente magnetico. (b) Mlcrofotografia al microscopio elettronico a trasmissione di Geobacter sulfurreducens che mostra la presenza di fl gelli e pili. La cellula ha una dimensione di circa 0,7 x 3,5 J.l.m. (c) Microfotografia al microscopio elettronico d! G. sulfurreducens che mostra l'immunocolorazlone con oro del citocromo OmcS presente sui pili (freccia).

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • In quali gruppi fi logenetici si trovano Geobacter e Shewanella? Quali generi di ferro -ridu ttori disslmilativi comprendono specie aerobi e facoltative?

14.15 Bacteria ferro-ossidanti dissimilativi Ecologia

Generi principali: Acldlthlobacfllus, Gal/Ione/la d l f rr

idanti a r bi

In natura, il

480

UN l TA 3 •

D l VERS l T A M l C ROB l CA

ferro ferro. o . i o id a pontancament a formare prec ipitati in lubili , in pre enza di 2 in condizioni di pH neutr o labile in a.. enza di o igeno alca li n (p H > 7); tuttavia anch in prcs nza di que t'ultimo ma a al ri ac idi di pH (p H < 4). I D rr -o . idanti p .. n .. ere di i i in quattr gruppi funzi nali ull a base della lor fi. iologia: feJT -o idanti a r bi ac id fili, ferr - ssi danti aerobi neutrofi li, ferro-oss id nti hemiotrofì anaerobi c ferro- . idanti f L trofì anaer bi .

Bacteria ferro-ossidanti aerobi acidofili a ere ita dei batteri ferr - s. idanti fav rita in ambienti acidi ri ch i di feJTO in forma di feJTo ferro. o solubil . l ferro-o.. idanti sono pes. o abbondan ti nelle acque di drenaggio acide di origine mineraria che prove ngono da miniere di carb ne o di ferro abba ndonate o da cumuli di . fridi di e trazione (~p Paragrafi 21. 1 e 2 1.2). Que ti organi mi i v n anche nell . rgenti acide ricche di feJTo d Ile aree vul caniche. In que. ti ambienti, in. i me al ferro ferr . o pe presente l Lolf ; di c n. egu nLa, m !ti ferr idanti aerobi aci dofi li po idare anche lo z lf el m ntare oltr al ~ rro D r-

(b)

Figura 14.36 Il batterio ferro ferro so-ossidante neutrofilo Gal/ione/la ferruginea, isolato in un baci no idrico presso lthaca, New York. (a) Fotomicrografia di due cellule a forma di fagiolo con le rispettive strutture penduncolari che si uniscono a formare una massa attorcigliata. (b) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione sottile di una cellula peduncolata di Gal/ione/la . Le cellule sono larghe circa 0,6 f.l.m.

Leprospirillum ( irro pirae) e l 'archebatteri o errop/asma ( urya rchaeora ). Itri ferro-o . idanti aerob i ac idofi li son pre enti negli crinobac/eria e n i Firmicures.

Bacteria ferro-ossidanti aerobi neutrofili l feJTo-o idanti aer bi neutr fili . ono organi mi adattati a un a nicchia pe iaJi zzata (~p Paragrafo l .9). i in quanto il ferro fen·oso r lati amentc insolubi le a p l neutro e ~i oss ida chimi cament in m d p ntaneo c rap id in pre. enza di ss igeno. lnoltr , a pH n utro, l 'oss idaz i ne del ferro all a uperfi cie della ellul a cau a la fonnazion di un a ero ta di oss ido di ferro h , di fatt , intom ba le cellul in ere. cita. Pertanto queti organi mi prosperano dove acque ano sich ricch di ferro arriva no a contatto co n l 'aria. uc. ti ambien ti . ono com uni in pro. sim ità di terreni acq uitrino i o in suol i do e i ha ri . alita di acq ue di falda ano si he a formare . argive, ma i fe1To-o sidanti abitano anche la ri zosfera delle pi ante dell e ;.on umide e di alcuni i temi idr termali . ottomarini . ono . tati finora de. critti p chi generi di ferro-o sid anti aerob i neulr fili, tutti com unque apparten nti ai Pro/eoba feria. Le specie eh ab itano gli ambi nti di acqu a dolce rientran in una serie di gen ri trcttamente correlati appartenenti all a classe dei Belaproreobacreria , m ntre le pecie he ri c n· no negl i am bienti marini appartengon ag li Zelapro /eobacreria. Il m taboli smo di que ti organi smi a.. aJ n stretto. i tra tta di sp cie mi roa r file e eh miolitotr ~ obb li gate, anch . e . ono . tati desc ritti cas i di mi atrofia. l gen ri Leprorhrix e phaerorilus rappres ntano un 'eccezione (Paragraf 14.22). u ti batteri si ritrova no n gli ambi nti di acq ua dolce in cui . ono n rmalmente pr . en ti p ie di ferro- sidanti aer bi neutrofì li . ata lizza no l 'os idazio n . ia del ferro . ia del mangane. e, ma non . em bra rie canoa on. ervare l 'energia per i l trami te di queste reazioni, cosa che ottengono in ece dall 'o idaL.ione di o tanL.a organica. spe ie carati ri . tiche dei ferro-o. sidanti aerobi n utrofìli ri ntrano in e e nel genere al/ione/la (tipi co di acq u ueste spec ie d Ici) c n l genere marino Mariprofundu s. formano strutture pcdunc lari a itate lungo l ' as. e che contengono e( H)3 deri ante dall 'ossidaL.i n del ferro feJTO o (Figura 14.36). Il ped unco lo in r . tato di ferro ricco di un a matrice organica in ui i ac umul a il Fe( H)3 non app na viene esc reto da ll a . upcrfìcie dell a cellu la. La formaz ione del pedun olo è probabi lmente il ri sultato di una differ nL.iazion adattati va al fine di itare he le c llu le rimangano . p !te all ' int rn di una cros ta di .. ido di ferro. a/lione/la è co mune n Ile acq ue di drenaggio delle paludi , nel l s rgenti ~ n·o. e e in altri habitat do e pre. nte ferro f rroso. Mariprofundus stato iso lato per la prim a olta dali rocce la iche ri coperte di oss id o di feJTo sui fianchi d l icin all e Hawa ii . Lo' ihi eam unt, un vul cano s tt marin a/lione/la e Mariprofundus s n entramb i chemi ltitotr fì aut tr fì che p ied no gli enzimi del ciclo di alvi n (~P Paragraf l .5).

Bacteria ferro-ossidanti anaerobi L ' os. idazione ana robica d l ~ rro fen·oso può es er medi ata dai batteri sia chemiotrofi ia fototrofì, a sai comuni nei sedimenti ano sici c neg li amb ienti paludo i. co ndi zio-

CAPITOLO 14 •

DIVFRSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA ~

=-

481

237 kJ

La maggior part di questi rgani mi, conosc iuti con il nome di "idrog no-batteri ", in grado di ere cer autotrofìcam nt (m diant l r azioni del cic lo di alvin-Ben on p r organi car il trauata in qu to paragrafo n l novero dci 2) d batt ri hemio litotrofi idr gen -os idanti . Tutti gli idrog no-batteri contengon un a o piì:1 idrogena i, enzimi he legano l ' H2 usand lo sia per pr durre P (~.::> Paragrafo 13.7 ) . ia p r gen rare p t r riducente per la cr sei ta au t trofa . . i. tono tipi di er. i di batteri idrogeno-oss idanti di. tribuiti nell e tt la. si deg li Alpha-, Beta- e ammaproteobacteria. ue. ti rgani . mi engono di stinti dag li al tri pro ari ti anaerobi obbligati che ossidano l ' H2 durante la r pirazi n ana r bi a, quali i batt ri acetogeni ci, i metanog ni e gli .wl f -riduttori (~.::> aragrafì da l . 17 a 13.20). idr g no-batteri di ti p sia gram-p iti o ~ i a gram -n gati v . l più tud iati si ritro ano n i gen ri Ralstonia (Figura 14.37), Pseudomona Paracoccus. Paraco cus d nitrifican pu an he ossidare l' H 2 in cond iL. i n i ana robi che altra er la stato particolann nte tudi at p r la d nitrifì aL.i ne ed bi en rg ti ca d l tra. p rto di elettr ni la g n raLi n d Il a forza prot n-m tri c .

Fisiologia ed ecologia degli idrogeno-batteri

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Quali caratteristiche di habitat determinano le differenze e la distribuzione dei ferro-ossidanti? Come fanno i ferro-ossidanti aerobi neutrofili a evitare che le proprie cellule rimangano intrappolate in una crosta di precipitato ferrico?

14.16 Bacteria che metabolizzano l'idrogeno

i dr geno-o. id anti au totrofi. olti batteri p .. no r . ccr utiliz7and per il l r n rgetico l ' idrogeno ( 12 ) c mc unica font di metab li . m elettroni l ' 2 come accellore final e:

Figura 14.37 Idrogeno-batteri. Micrografia elettronica a trasmissione di cellule del chemiolitotrofo idrogeno-ossidante Ralstonia eutropha in colorazione negativa. Una cellula ha un diametro di circa 0,6 f.l.m.

482

UN1T À 3 •

D l V ERS l T À M l CROB l C A

Ossidazione del CO re cere aer bi amente a m donatore di l t-

13.24).

Metilotrofi aerobi facoltativi Generi principali: Hyphomicrobium, Methylobacterium il m tan , m po ono uti l izzare tratta di p ci

Metanotrofi aerobi ~~~

'

• Quale enzima chiave è necessario per la crescita dei batteri chemiol itotrofi quando H2 funziona da donatore di elettroni? Qual è il prodotto dell ' ossidazione del CO?

14.17 Bacteria metilotrofi e metanotrofi

Generi principali: Methylomonas, Methylosinus

C A P l T OL O 1 4 •

D l VE A SIT À F U NZ l ON A L l T A A l 8 A C TERl A

483

Tabella 14.2 Alcune caratteristiche dei batteri metanotrofi Via di assimilazione del carbonioc

Assazione diN2

G mm

Ribulos10 monofosf to

No

Ba toncino

G mma

R1bulos1o monofosfato

No

Da cocco a ellisso1de

Gamm

R1bulos1o monofosfato

No

Methylococcus

Cocco

G mm

Ri ulosio monofo fato e ciclo di Colv1n

Si

Methylosinus

B stonci o o vi rioide

Alpha

S rina

Sl

Methylocyslis

Bastoncino

Alpha

Senna

Si

Memyloc Jla 0

B stoncino

Alph

Serina

SI

Methylacidiphilumd

Bastoncino

Verrucomicrobi ceaed

Organismo

Moriologia

Gruppo filogeneticoB

Methylomona

8as tonc1no

M thylomtcrobtum Methylobact '

Membrane interneb

Vescicol

mbr narìe

Serina e c1clo dì Calvtn

"Tutti eccetto Methylacidiphilum sono Proteobacteria. bMembrane inteme: tipo l, pacchetti di membrane 1n forma d1 vescicole appiattite distribuiti all'interno del citoplasma; tipo Il, sistemi stratificati di membrane addossati parallelamente al perimetro della cellula. Si veda la Figura 14.38. esi veda la F~gura 13.58. dAcidofiiL Per le proprietà delle Verrucomicrobiaceae, si veda il Paragrafo 15.17.

Methylacidiphilum la ui anali i gen ti ha mo trato l 'a za d li en imi hia d Ila ie d Ila ribul m dell a rina. P r a i milare carb dal batt ri o utili zza in fatti il i lo di

Fisiologia

(a)

Figura 14.38 Metanotrofi. (a) Micrografia elettronica d i una cellula di Methy/osinus che mostra il sistema dì membran e d ì tipo Il , cioè sistemi stratificati di membrane addossati

(b)

parallelamente al perimetro d ella cel lula. Le cellule hanno un d iametro dì circa 0,6 f.l.m. (b) M icrografia elettronica di una cellula di Methylococcus che evidenzia ii sistema di membrane di tipo l, cioè

pacchetti di membrane in forma di vescicole appiattite distribuiti all'interno del citoplasma. Le cellule hanno un diametro di circa 1 f.l.m . Si con fronti con la Figura 14.33.

484

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

intern n ' unic

Ecologia

n un ru l imp rtant H4 c n crtendol in prima h raggiunga l 'atrno ~ ra (il 2 metano infatti un p t nte ga rra). l m tanotrofì form ano an he arie ·imbio ·i con organ i. mi eucarioti . Per e mpio, alcun i bi val marini iv n in Verifica • Che differenza c'è tra un metanotrofo e un metilotrofo? • Qual è la peculiarità del metanotrofo Methylomirabilis?

14.18 Bacteria acetici e acetogeni (a)

(b)

Figura 14.39 Metanotrofi simbionti di bivalvi marini. (a) Micrografia elettronica di una sezione sottile a basso ingrandimento del tessuto branchiale di un bivalve marino attestato vicino a un sito di trasudamento di idrocarburi nel Golfo del Messico. Si notino i simbionti metanotrofi (frecce) all 'interno del tessuto.(b) Immagine ad alto ingrandimento del tessuto branchiale che evidenzia i metanotrofi con i fasci di membrane di tipo l (frecce). Le cellule dei metanotrofi hanno un diametro di circa 1 J..l.m. Si confronti con la Figura 14.3Bb.

Bacteria acetici Generi principali: Acetobacter, Gluconobacter l batt ri acetici compr ndon orga ni mi ba toncc llari m bili, gram -negati i, a r bi obbligati, h eff lluano un 'o idazion incomp leta di alcoli zuccheri , con accumulo di ac idi orga ni m pr d ui fina li . In pr nza di tano l ( 2 H 2 H) om . ub trato, i n pr dotto acido ac ti o ( 2 H 4 2), c n-

CA Pl T OL O 1 4 •

D l VERSl TA FUN Z l ONAL l T RA l 8 A C TERl A

485

pr n-

Figura 14.40 Colonie di Acetobacter aceti su agar con carbonato di calcio (CaCO:J contenente etano lo come donatore di elettroni. Si noti l'alone chiaro attorno alle colonie dovuto alla solubilizzazione del CaC03 da parte dell'acido acetico prodotto.

mpi , nic e il orbi tolo a idazione viene frut-

rbi o

ri

per la

d' ari .

Acetogeni Generi principali: Acetobacterium, Ctostridium

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . • Quali processi industriali sono possibili grazie ai batteri acetici? • Quali sono le principali differenze tra batteri acetici e acetogeni?

14.19 Bacteria predatori Generi principali: Bde/lovibrio, Myxococcus di altri

traendone l dal p

486

UNITÀ 3 •

DI VERSITÀ M I CROBICA

(a)

(a)

(b)

Figura 14.41 Attacco di Bdellovibrio sulla cellula di un batterio gram-negativo. Micrografia elettronica di una sezione sottile di Bdellovibrio in atto di predare una cellula di Delftia acidovorans. (a) Ingresso della cellula del predatore. (b) Bdellovibrio all 'interno della cellula ospite. La cellula di Bdellovibrio è racchiusa nello bdelloplasto e si replica nello spazio periplasmatico. Una cellula di Bdellovibrio misura 0,3 J.l.m in diametro.

bacteria)

no predatori o iali. u ti batt ri utilizzano l a moti lità p r sci olam nto e un c mp rtam nt " bruli ant ' per tro ar la pr da, eh li an della qual i nutr n col lettivamente. Bd llo vibrio Myxo oc u ono i gen 1i di pr datori batt rici più accuratam nte de critti.

Lisi della preda (2, 5-4 ore dopo l'attacco)

t Allungamento di Bdellovibrio dentro lo bdelloplasto

Citoplasma della preda

[Adesione)

40-60mlo \ Bdelloplasto

Bdellovibrio Bdello vibrio

un g n re caratteri zzato da b tt ri piccoli dolati di pie ata m tilit di a p tt ri urv h predan altri batt ri, fruttandon i c ti tuenti intrac llul ari c me nutrienti (bdello un pr fì o che signifìca sangui. uga) . p l ade ione all a pr da, Bdellovibrio p n tra attra r o la parete d Il a !l ula aggr dita i repli ca nell pazi p r'pla mal ico, formando all a fìne una truttura ferica chiamata bdelloplasto. Il mi r grafi l ttr nich di Figura 14.41 e nel di egn n Il a Figura 14.42 no m strate l du fa i d Jl a p netrazion . n'ampia variet di batteri gram-n gativi pr eia dei Bdellovibrio, l ddo e in l llul d

'~ Bdel~•ibrio 1 l fl

(b)

Spazio periplasmatico della preda

Figura 14.42 Ciclo di svi luppo del predatore batterico Bdellovibrio bacteriovorus. (a) Micrografia elettronica di una cellula di Bdellovibrio bacteriovorus. Si noti lo spesso flagello . Una cellula è larga 0,3 J.l..m. (b) Catena di eventi durante la predazione. A seguito del contatto - in prima battuta - con un batterio gram-negativo, la cellula di Bdel/ovibrio , dotata di spiccata motilità, aderisce alla membrana esterna e penetra poi nello spazio periplasmatico. Una volta dentro lo spazio periplasmatico, la cellula di Bdellovibrio va incontro ad allungamento e, dopo 4 ore, viene rilasciata una progenie di nuove cellule. Il numero delle cellule rilasciate va ria con la dimensione del batterio predato: da una cellula di Escherichia coli possono essere rilasciati 5-6 nuovi Bdel/ovibrio mentre, da cellule preda più grandi, come Aquaspirillum, fino a 20-30 nuovi Bdellovibrio .

una patin a opaca co ntinua. que to punto , la piain culata co n una pi c la quantità di

CAPITOLO 14

(a)

(b)

•

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

487

(c)

Figura 14.43 Corpi fruttiferi di tre specie di mixobatteri fruttiferi. {a) Myxococcus fulvus {altezza del corpo fruttifero 125 1-1-m). {b) Myxococcus stipitatus (altezza del corpo fruttifero 170 1-1-m). (c) Chondromyces crocatus (altezza del corpo fruttifero 560 1-1-m).

di Bd 1/ovibrio

di mollipli

l tu -

Mixobatteri

Figura 14.44 Ciclo biologico di Myxococcus xanthus . L'aggregazione raggruppa cellule vegetative che vanno verso la formazione del corpo fruttifero, all'interno del quale alcune di queste cellule subiscono un processo di morfogenesi con formazione di cellule di resistenza chiamate mixospore. Le mixospore successivamente germinano in presenza di condizioni ambientali ed edafiche favorevoli per generare nuove cellule vegetative.

ca o a ai m i n re ri p ll a (~.:> Paragrafo 2. 1 ). l corpi

488

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

Figura 14.45 Myxococcus . (a) Micrografia elettronica di una sezione sottile di una cellula vegetativa di Myxococcus xanthus. Una cellula misura circa 0,75 1-1-m di larghezza. (b) Mixospore di M. xanthus, con in evidenza la parete esterna multistratificata. Le mixospore hanno un diametro di circa 0,2 1-1-m.

(a)

(b)

Strisce dt muco

(b)

(a)

(a)

(b)

Figura 14.46 Movimento per scivol amento in Myxococcus . (a) Fotomicrografia di una colonia sciamante per scivolamento (raggio 5 mm) di Myxococcus xanthus su agar. (b) Cellule singole di Myxococcus fulvus da una col tura in scivolamento attivo, con la caratteristica striscia di muco sull 'agar. Una cellula di M. fulvus ha un diametro di circa 0,8 IJ.m. M. xanthus è stato preso in considerazione come modello di studio degli eventi caratterizzanti lo sviluppo dei mixobatteri.

ce llul e. a magg ior parte di qu . Le cc llul mi gran crso la testa del corpo frutti~ ro, dove si differen.1.ian a ~ rmare le mixosp r ( igura 14.44). Verifica - - Quali condizioni ambientali scatenano la formazione del corpo fruttifero nei mixobatteri? Con quali modalità Myxococcus e Bdellovibrio ucci dono le loro prede?

J Q.

(c)

(d)

Figura 14.47 Micrografie elettroniche relative ai diversi stadi nella formazione di corpi fruttiferi in Chondromyces crocatus. (a) Stadio precoce, con aggregazione e formazione dell'ammasso cellulare. (b) Stadio iniziale della formazione del peduncolo. L'accumulo di muco a livello della testa non è ancora iniziato e, di conseguenza, le cellule che com pongono la testa stessa sono ancora visi bili. (c) Tre stadi di formazione della testa. Si noti come anche il diametro del peduncolo aumenti. (d) Corpi fruttiferi maturi. La struttura dell'intero corpo fruttifero è alta circa 600 1-1-m (si confronti con la Figura 14.43c).

VI • Diversità morfologiche nell'ambito dei Bacteria 14.20 Spirochete e spirilli Generi principali: Spirochaeta, Treponema. Cristispira. Leptospira, Borrelia Le piro ·hete . n bali ri morf logi am nt p culiari eh . t tro ano . l all ' interno d l ph ylum pirochaetes . e spirochete on Bacteria gram-negat i i, mobili , f rt m nte attor-

cigli ati , di forma ti pi amente . n Ila C 0 SS LIOS'I (Figura 14.49). c . pir chete . ono diffu. e nei sedi m nti a quatici e a oiate agli animali . lcunc ca u. an malauie, c m la sifilide, un ' imp rtant mal atti a umana trasmessa . essual mente. sp irochele . ono lass ifìcate in otto generi (Tabella 14.3) sull a ba. e dell ' habitat, dell a patog ni ci tà, dell a filogenes i e dell e cara tteri . ti h m rf logiche c fisiologi h .

CA P l T OL O 1 4 •

D l VERS l T À FU N7 l ON A l l T RA l 8 A C TERl A

(a)

J..l.111) .

Spirochaeta e Cristispira

(b)

Figura 14.48 Stigmate/la aurantiaca. (a) Foto a colori di un singolo corpo fruttifero. Il colore del corpo fruttifero è dovuto alla produzione di pigmenti caro tenoidi glicosilati. La struttura è alta circa 150 J.Lm. (b) Micrografia elettronica a scansione di un corpo fruttifero sviluppa tosi su un frammento di legno. Si notino le cellule singole visibili in ciascun corpo fruttifero.

u sti micr rgani smi poss i d n un a modalità di mo im nto affaLL inusual d rivant dalla pa11ico lar m rf l ia. . pi rochet p s. i don infaui ndon ag Ili che ric rdan i n rmali n,g Ili ball rici , ma . 110 c ntcn uti 11 l peri pla ma ce llu lare ( Figura 14.50). l i end nage li i sono ancorati ai poi i d Ila 1-

(a)

(b)

Figura 14.49 Aspetti morfologici di spirochete. Due spirochete allo stesso ingrandimento che evidenziano l'ampia gamma di dimensioni del gruppo. (a) Spirochaeta stenostrepta in microscopia a contrasto di fase. Una singola cellula ha un dimetro di circa 0,25 J.Lm. (b) Spirochaeta plicatilis . Una singola cel lula ha un diametro di 0,75 J.Lm , ma può essere lunga fino a 250 J.Lm (0,25 mm).

489

490

UNIl A 3 •

D l V ERS l T A M l CROB l CA

Tabella 14.3 Generi di spirochete e relative caratteristiche Numero di endoflagelli

Genere

Dimensioni (fJJTJ)

Cnsttsptra

30 150

Sptroch eta

5·250 · 0.2 ·0,75

Habitat

Malattia

> 100

Tratto d1g rente 1molluschi; non ancara colt1v to

N

2-40

Acquatico, vita libern, 1n ac u dolci e m nne

Nessuna nconosciut

M1crcx: rofilo o n rob1o: licoid te o a spirale compr ssa con ampiezza f1no a 0,5 p.m

2-32

Comm n n! o paras· s1ta d ll\101110 e d1 ltn an1mnli

S1fll1 c. fr mbo s1a, d1ss nt na su1n , p1nta

Microa rofilo; 5-7 sp1ralì d1 cir 1 IJ.m d1 amp1ezza

7·20

0,5·3,0

strettam nt o s 1ralato

suna nconosc1utn

~~~~~~~~~~~

2

Loptonema

6·20

O, 1

2

0,35·0,45

A v1ta hb ra

B 28

2

Endoflagello (rigido, ruota ancorato a una estremità del cilindro protoplasmatico)

Cilindro - - - - ''T protoplasmatico

~~

Guaina esterna (flessibile)

•

Figura 14.50 Sistema per la mobilità nelle spirochete. (a) Micrografia elettronica di cellule di Spirochaeta zuelzerae in colorazione negativa, in cui è apprezzabile la posizione dell'endoflagello; la cellula ha un diametro di 0,3 1-1-rn . (b) Diagramma di una cellula di spirocheta in cui vengono mostrati il cilindro protoplasmatico, gli endoflagelli, la guaina esterna e il modo in cui la rotazione dell'endoflagello genera la rotazione sia del cilindro protoplasmatico sia della guaina esterna .

Guaina

w

(a)

Cilindro protoplasmatico (rigido, in genere elicoidale) (b)

Treponema e Borrelia l g nere Treponema i ritr van croaerofi le, obbli gat riament a

pir hete aerobie mi iate a un pit , eh . i

cie umana della ifìlide

CA P l T OL O 1 4 •

(a)

491

D l V ERS l T A F UN Z l ONA l l TRA l 8 A C TERl A

Figura 14.52 Cristispira. Micrografia elettronica di una sezione sottile di una cellula di Cristispira. Questa spirocheta d i grandi dimensioni misura circa 2 tJ.m di diametro. Si notino i numerosi endoflagelli.

(b)

l. w

l

(a)

(c)

Fig ura 14.51 Spirilli . (a) Spiril/um volutans, visualiz.zato in microscopia in campo scuro: sono ben riconoscibili i fasci flagellari e i granuli di volutina (polifosfato). Le cellule sono circa 1,5 x 25 tJ.m . (b) Micrografia al microscopio elettronico a scansione di uno spirillo intestinale. Si notino i fasci di flage lli polari e la struttura a spirale della superficie cellulare. (c) Micrografia al microscopio elettronico a scansione di cellule di Ancylobacter aquaticus. Le cellule hanno un diametro di circa 0,5 tJ.m .

(b)

Figura 14.53 Treponema e Borrelia . (a) Micrografie a contrasto di fase di Treponema saccharophilum, una spirocheta pectinolitica di grandi dimensioni, presente nel rumina bovino. Una cellula misura 0,4 IJ.m di diametro. A sinistra, cellule con avvolgimenti regolari ; a destra, con avvolgimenti irregolari. (b) Micrografia elettronica a scansione di Borrelia burgdorferi, l'agente eziologico della malattia di Lyme.

neare in e he c ir cie di Borrelia

lar (c!;:J Paragrafi 4.

6.4).

pite attra-

Leptospira e Leptonema

492

UN l T A '3 •

D l V f: RS l TA M l CROB 1CA

tos pir . n sottili , fi n m nt attorcig li ate e di olito iegat a l i vell o di eia. c un polo a f rmar un unci no . mi cir olar . u ualm ntc s n n t di v r pe i ri conducibili a qu to gruppo, alcun a ita lib ra, c molt para. ite. e du p cie pri ncipa l i . n L. interrogans (para ila) e L. biflexa (a vita no parass iti d ll ' uomo c lib ra). l ceppi di L. interrogan degli animali . I r dit ri . on gli o piti naturali di molt lepto. pi re, an h c per alcuni cepp i i cani e i maiali possono sscr dei ve ttori importanti. Il a specie um ana la pi ù co mun e sindrom da lepto. pira è la leptospirosi, una malatt ia n Ila quale i l batterio si lo ali t:t.a nei reni c pu causare un bl occo r nal an he la m rt . Le leptospirc, di so lito, entrano nel co rpo attravcr. o le mu cose o le f rit dell a pell e a seguito del co ntatto con animal i in ~ tti. Dop un a transitoria moltipl icaL.i n in vari e parti del corp , il batterio si loca li zt.a nei reni e nel fega to, ca u. and nefri t c itt r . l i animali d m . ti ci co m i cani , ono a cinati contro la l ptospiro i medi ant ino ul azi ne di ce llul e m rt di un ceppo virul nto mm1n1 trato c n un a cin combinato contro cimurro, l pto piro i e patit . Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . , Quali sono le differenze principali tra spirochete e spirilli? • Indicate due malattie umane causate da spirochete.

14.21 Bacteria gemmanti e prostecati/peduncolati Generi principali: Hyphomicrobium, Cautobacter

l . Prodotti uguali della divisione cellulare: Scissione binaria: gran parte dei batteri

ll. Prodotti disuguali della divisione cellulare: 1. Gemmanti semplici: Pirellu/a, Blastobacter

--+

---+

---+

2. Gemmanti da ife: Hyphomicrobium , Rhodomicrobium , Pedomicrobium

3. Divisione cellulare di organismi peduncolati: Caulobacter

4. Crescita polare senza cambiamenti a carico della dimensione cellulare: Rhodopseudomonas, Nitrobacter, Methylosinus

Figura 14.54 Divisione cellu lare nei diversi batteri. Confronto tra la divisione cellulare nei batteri convenzionali e in vari batteri gemmanti e peduncolati.

int rne, c m i ompl e:. i di m mbran , n n n n ripart 1l1 du ra nte la divisi ne llul ar , ma d n b n. ì .. re form ati ex novo. ull ci ha c munquc il antagg io di con. enti r alle c llul gemmanti la fo rm at. i n di strutture assa i più mpl sse ri spcllo a quell e pre enti n Ile ce llule che invece si di id n p r ci ion binari a. on a ca o, m lti batteri g mmanti, in parti co lar l sp cie fototro fe e c h e mi o lito tro ~ , c nt ngono estesi sist mi di membrane int rn c.

Bacteria gemmanti: Hyphomicrobium Divisione per gemmazione

Du batteri gemmanti ggetto di app rof nditi . tudi so no 1phaproteobacteria strettamente orrelati : Hyphomicrobiw n, un hem iorga notrofo, c Rhodomicrobium, un fototrofo. u -

l batteri gemman ti . i di idono come ri sultato di una cresci ta ce ll ular non . immctrica . l co ntrari o dell a . cis. ione bin ari a, che procede dall a formazione di due cellul e perfettamente eq uiva lenti ( ~+=> igura 5. 1), la divisione ce llul are nei batteri peduncolati c nei baueri gemmanti porta alla format.i n di un a cellu la fig lia totalm ntc differente dall a cellul a madre h mantiene in ece l ' aspetto origin ale (Figura 14.54). na di f feren1.a fond am n ta le tra qu . ti balleri i b tt ri eh si dividono per scission bin ari a la ~ rm azione di nu materi ale dell a parete c llu lar a partire da un . ingoio punto (c rescita p lare) pi uuost che lun go l' intera cellul a (cr cita interca lare), come invece a viene n l a. o d Ila i . i n bin ar i a( ~.:> Paragrafi da 5. 1 a .4). Di ers i generi, norm alm nte non n iderati com batteri gemmanti , mo. tran tuuav ia una cresci ta polare enza che mutin per altro le dimcnsi ni dell a cellu la mad re ( igura 14.54). na con cgu nt:a importante dell a cresci ta polare consi. te n l fatto che l struttur

sti organi smi di ffe r nt.iano le gemme all' estremità di lun ghe e . ott i li ife. L ' ifa un a dir tta . ten ion d Ila c Il ul a madre, dotata di par te, di membra na ci t pi a mati ca di rib . omi ; pu onten r il D La Figura 14.55 mostra il ci ·l vitale di Hyphomicrobium . a cellu la madr , che . p . s ade a tramite la ba. e a un . ub trat l id , r rm a un a souil e e. tr fl ione che si allun g, a d i f~ r nt:iare un ' ifa. ell a p rL.ion di. tal dell ' i fa si ha quindi f rm azi n d Ila gemm·t. a emma . ' ingrandì . c , form a un fl agell o, si distacca d Ila cellul a madre e nuota ia. Più tardi , la cell ul a fi gli a perd e i l fl agello , a . eg uit di un peri od di matLt razione, è in grado di ~ rmare a ua vo lta un ' i fa e la g mm a. Il ' stremità dell ' i fa dell a ell ul a madre si pos on di ffer nziar più g mm , con la fo rm azi n di in. iemi ordin ati di llule onn . e all ' i fa te a. In alcun i cas i, una g mma pu c min iare a fo rm ar. i dall a · l lula madre senza la

CAPl TOL O 1 4 •

Dl VERS l T A FU NZ l ON AL l TRA l 8 A C TERl A

493

DNA

(a)

Gemma

Formazione del setto trasversale.

Ifa Cellula madre

... !.. (/)

(b)

l~

Il DNA viene \.. duplicato nuovamente nella cellula madre.

Figura 14.56 Morfolog ia d i Hyphomicrob ium . (a) Micrografia a contrasto di fase di ce llule di Hyphomicrobium . Le cellule sono larghe c irca 0,7 f.l.m . (b) Micrografia elettronica di una sezione sottile di una singola cellula d i Hyphomicrobium . L'i fa è larga c irca 0,2 f.l.m .

Bacteria prostecati e peduncolati

Figura 14.55 Stadi del ciclo cellulare di Hyphomicrobium . Il singolo cromosoma di Hyphomicrobium è costituito da DNA a doppio filamento , covalentemente chiuso a cerchio.

Caulobacter Du omuni batteri p duncolati no au/obacter ( igura 14.7) e a/lione/la ( · igura 14.36). Il primo un chem ior-

494

UN l TA 3 •

D l VEAS l T A M l C AOB l CA Figura 14.57 Batteri p eduncolati. (a) Una rosetta di Caulobacter. Una singola cellula è larga circa 0,5 j..l.m . Le cinque cellule sono adese mediante i loro peduncoli, che rappresentano una delle diverse varianti di prosteche. Due delle cellule si sono divise e le cellule figlie hanno formato i flagelli. {b) Preparazione in colorazione negativa di una cellula in divisione di Caulobacter. (c) Sezione sottile di Caulobacter in cui si evidenzia la presenza di citoplasma nel peduncolo . l riquadri {b) e (c) sono micrografie elettroniche.

(a) Peduncolo

(b)

Peduncolo

(c)

h pr duce un pedunc l ntenente citop lasma, i una pro. teca vera pr pria, mentre il second un h miolitotrofo ferro-o. idant il cui peduncolo ' c mp to di idro.sido di f rr [F ( H)3) (Paragra~ 14. 15). Le c llul e di aulobacter i ritrovano sp ss al la uperficie di ambi nti a quatici, con i p dune li di un cert numero di llul adesi a formare d Il ro etfe ( igura 14.57a). l t rmine d l p dunco lo i trova una truttu ra , chiamata pied , mediante la qual il p dune lo i ancora al ub trato. Il ciclo di di i ione c llul re di aulobacter (Figura 14.59· ~p Paragrafo 7.12 igura 7.26) unico i.n quant le c llul una ci ione binaria di guai . na c Il ula p dunaulobacter . i dìvid p r allun gament guit da Cl 1 n binaria, n formazi n di un ing l Aagell al po lo opp sl al p duncol La cellula Aag ll ata ì f rmata, chiamata cellula natant ( warmer), . i epara dalla madr

Tabella 14.4 Caratteristiche dei principali generi di batteri peduncolati, con appendici (prosteche) e gemmanti Caratteristiche

Genere

Gruppo filogenetico 8

Caulobact r

Alpha

Prosthecolx. ctor

~ rrucomicrobiacead'

Peduncolo con d positi di ferro; c llule vibriol l

Galllonella

8 ta

Secrez1one d1 peduncolo gela inoso non coni nenie depositi i ferro

Nevskia

Gamma

Asticcacaulis

Alpha

Corte pros ech , si moltiplicano p r sciSSione, alcuni con v scicole di g s

Prosthecomicrobium

Alpha

Cellule piatte e steli le, alcune con vescicole di gas

Stella

Alpha

Lunghe rosleche, si moltiplicano per gemmazione, lcuni con v scicole di g

Ancalomicrobium

A/pha

Fototrofi, producono 1fe

Rhodomlcrobium

A/pha

Folotrofi, gemman i m senza ife

Rhodops udomonas

A/pha

8/astobacter

A/pha

Ife singole dalla cellula m dre

Hx homicrobium

Alpha

Ife multiple dalla cellula madre

Pedomicro ium

Alpha

Batteri peduncolati

P

uncolo come est ns1one del citoplasma e co1nvo1to n Ila division cellul re

Cellule peduncol e fusiformi Cellule peduncol te, ma il peduncolo è un prodotto di secrezion e non contiene Citoplasma:

Batteri prostecati

Prosteca sin ola o doppia Prosteche multiple:

Batteri gemmanti

Ch miorganotro 1, cellule

a

Ione Ilari

Chemiorganotrofi, gemme al v rtice delle 1fe:

"Tutti eccetto Prosthecobacter sono Proteobacteria. bSi veda il Paragrafo 15.7.

CAPITOLO 14 •

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

495

>-

~,~~--------~~~,

(a)

(c)

(b)

Figura 14.58 Batteri prostecati . (a) Micrografia elettronica di una preparazione di Asticcacaulis biprosthecum , secondo procedura di ombreggiatura in flusso di vapori metallici,che evidenzia la localizzazione e l'organizzazione della prosteca, del piede e della cellula natante (swarmer) . La cellula natante si distacca dal la cellula madre e inizia un nuovo ciclo cellulare. Le cellule misurano circa 0,6 1-lm di larghezza. (b) Micrografia elettronica a colorazione negativa di una cellula di Anca/omicrobium adetum. Le prosteche sono circondate dalla alla parete cellulare, contengono citoplasma e hanno un diametro di circa 0,2 IJ..m. (c) Micrografia elettronica del batterio stellato Stella. Le cellule hanno un diametro di circa 0,8 IJ..m.

-

Allungam ento del p edun colo -

-+---- Sintesi del DNA - - - l Formazione Divisione Sintesi del setto cellulare della trasversale

Inizio Perdita della del sintesi flagello del DNA

+

nagrna

t l

+

entramb Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Come differisce la gemmazione dalla divisione per scissione binaria? Come differisce la scissione binaria dal processo di divisione in Caulobacter? Quale vantaggio può avere un organismo con prosteca in un ambiente molto povero di nutrienti?

14.22 Bacteria con guaina

Cellula peduncolata

Cellula natante

o

10

20

30

40

Cellula peduncolata allungata 50

60

70

Cellula nella fase di predivisione

80

90

Tempo (min) Figura 14.59 Ciclo replicativo di Caulobacter. Stadi del ciclo cellulare di Caulobacter con inizio dal la cellula natante. Si confronti con la Figura 7.26.

496

UNITA 3 •

D l VERS l TA M l CROB l CA

(a)

Figura 14.60 Precipitazione del ferro da parte di Leptothrix. Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione sottile di Leptothrix in un campione di biofilm batterico contenente precipitati di ferro e manganese prelevato in un acquitrino presso lthaca, New York. Una singola cellula ha un diametro di circa 0,8 IJ..m. Si notino le protuberanze dell'involucro cellulare che prende contatto con la guaina (frecce) .

acque fluenti, que ti batt ri sono abb ndanti n i letti p re lat ri e n i r attori a fanghi atti i pre o gli impianti di d [ urazion l i r flui f gnari (c!~ Paragra 2 1.6). gl i habitat nei quali si tr v ferro rid tt ( e2+) mangan e ( n2+ ), in guito all' idazi ne di que ti metalli, l guaina i ricopr ( H ) 3 di o idi di mangan di idro id ferrico

Leptothrix

Sphaerotilus l fì la m n ti di phaerotilus

n com p ti da cat n Ile di c l luI ba t ne Ilari racchiu in una gu ina. Qu ta truttura tti] e tra parent ri ulta difficilmente i ibile quand pi na di llu le. Tuttavia, il ri mpìm nt dì c llule parzìa l , la guaina pu er appr zzata i ivam nt (Figura 14.61a). Le cel lule ingoi mi urano 1-2 X 3-8 iJ.m, e on gram -ne-

(b)

(c)

Figura 14.61 Sph aerotilus natans . Una singola cellula è larga circa 2 IJ..m. (a) Microfotografie a contrasto di fase di materiale raccolto da un corso d'acqua inquinato. Stadio di crescita attiva (sopra) e cellule natanti che lasciano la guaina. (b) Micrografia elettronica di una sezione sottile di un filamento che mostra la guaina. (c) Micrografia elettronica di una cellula natante colorata negativamente. Si noti il fascio di flagelli polari .

CA P l T OLO 1 4 •

Dl V ERSIT A FU NZ l ONA Ll T RA

8 A C TERl A

497

Verifica Descrivete in che modo cresce un batterio con guaina come Sphaerotilus . Elencate due metalli che possono essere ossidati dai batteri con guaina.

14.23 Bacteria magnetotattici Generi principali: Magnetospirillum l batt

j Figura 14.62 Uno spirillo mag netotattico . Micrografia elettronica di una singola cellula di Magnetospirillum magnetotacticum ; una cellula misura 0,3 x 2 IJ.ffi . Le cellule contengono particelle di magnetosomi costituite da Fe 30 4 e disposte a catenella .

498

JN l TA 1

•

D l V [ RS l T A M l C ROB l CA

Verifica • Qual è il vantaggio che i magnetosomi garantiscono ai batteri magnetici? Nei magnetosomi di Desulfovibrio magneticus si trova la greigite o la magnetite?

14.24 Bioluminescenza batterica Generi principali: Vibrio, Aliivibrio, Photobacterium

Meccanismo ed ecologia della bioluminescenza bben g li i lati di Photobacterium, liivihrio c ibrio a r bi facoltativi, la biolumine. cenza att i ata

nal

H2

+

2

+R

H

+R

olt . peci di batt ri p ssono m tter lu e, un pr cess chiamat biolumine nza (Fig ura 14.63). a maggi r parte dei batteri bi lumi n se nti stata clas. ifì ata nei gen ri Plwwbacterium, liivibrio c i brio, ma alcune peci si ritro ano anche in hewanel/a, un genere pr valentemente marin , c in Plwtorhabdus (si eda la pagina di ap rtura del api tolo 7), un genere di batteri terrestri (t utti appa rtenenti ai wwllapro-

H + H2

+ lu e

teobacteria) . uasi tutti i batleri bio luminescenti ab itan l'ambient marino e alcu ne specie coloniz.wno gli organi lumino. i di alcuni pe. ci e ca lamari, pr ducendo lu e eh l'animai u. a a scopo di segna lat.ione, per itare i predat ri o attrarre le prede ( igura 14.63c-f; c!p Paragra~ 22. 1 l ). l batteri bioluminescen ti, pres nti me . imbionti n gli rgani lumin . i di p sc i e ca lamari o er ass ciati sapr friticamcnte - p r esempio - su ll a pelle di un pesce morto, ancora ome paras. iti nel corpo di un crostaceo, possono essere ricon s iuti gra;ie alla luce emessa.

j :z:

(a)

(b)

(d)

(e)

Figura 14.63 Batteri bioluminescenti e relativo ruolo come simbionti negli organi luminosi dei pesci-torcia. (a) Due piastre Petri di batteri luminosi fotografati grazie alla luce emessa dai medesimi. A sinistra, Aliivibrio fischeri ceppo MJ-1 che emette luce blu, e a destra il ceppo

1

Y-1 che emette luce verde. (b) Colonie di Photobacterium phosphoreum fotografate grazie alla luce emessa dallo stesso. (c) Il pesce-torcia Photoblepharon pa/pebratus; l'area brillante è l'organo luminoso che contiene batteri bioluminescenti. (d) Lo stesso pesce

(c)

(f)

fotografato alla luce dal medesimo emessa. (e) Foto subacquea notturna di esemplari di P. pa/pebratus. (f) Micrografia elettronica di una sezione sottile dell'organo luminoso di P. palpebratus con l'evidente addensamento di batteri bioluminescenti (frecce).

CAPITOLO 14 •

DIVERSITÀ FUNZIONALI TRA l BACTERIA

499

pu pingere tali animali a nutrir i del materiale Jum ine c nte, p rtando quindi i batteri al l ' int rn d ll inte tin o ri cco di cibo, dove qu t' ultimi p n guadagnar i nuo e opp rtunità di cr ita. In altern ativa, .la bioma a lumin ent pu fungere da fonte di luc nell e simbi i mutuali tich all ' interno d gli organi Jumin i. Il meccani mo del quorum en ing una f rm a di regolazione che tata studiata an he in m lti batteri non lumin oi, c mpr i numer i pat geni animali e vegetali . Il qu rum n ing in que. ti batteri r g la le atti vit di pr du zi ne di enzimi trae llul ari e l 'e pre i ne dei fattori di irul enza p r i quali un 'alta den it di p polazi n batteri ca ri ulla utile al fin di tt ner l 'e f~ tto bi logico voluto.

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - • Quali substrati ed enzimi sono necessari a organismi come Aliivibrio per emettere luce visibile? • Cos'è il quorum sensing e come controlla la bioluminescenza?

[CONCETTI FONDAMENTALI 14. 1 • La di1.:r,it i1 lilng..:m:tica i: qu..:l la curnpnnc:nt t: dt:lla

divcr~

it: mi Ti>bi ca clic ri guarda le rt:lationi C1nluti1t: tra i microrgani mi . l co ntr:uio. la di1w,it:1 funtionak riguarda l.: difkrt:ntt: di f rma c funtion • in rt:lation.: alla li '> iologia ..: all' ·cologia mino bi ·a. L· ÌIH.:ongrucntc tra la fif >gt:nt:' i c i tratti funtionali dci mi r rga ni-.mi flih'>Ono .,,c1..: do1 ute a p..:1dita gt: nica. tra,fcrimeuto nico ori11ontale e/n con1 •rg..:n;a 1.:1olutiva.

-IW'tH11i ). in \ lt:mc alla batterio ·iornfilla t1 (pll',l'llll' lll'i ccntn di rL·a tione) i.! utili11ano un lto-. i,tli a.,, ·r-,i t: loluti . L·c,olutionc d ' ila foto-,intt:.,i i: -. tata po-,-,ihilc grat i..: a\! li inten'i '>·ambi gc:netici garantiti dalmcn :ani'>mO d..:l tr:l'> làimt:nto genico ori11ontak.

14.3 • Il ph lum d •i

C\(/llfllmneria l'unico eh · co ntien ' llli rorgani'>mi fut otmfi o"ig ·nici. Tutt · le 'r>ccic tli cianobatteri p '.\OliO organi ·a re i l CO _ e molti po,sono fì, , arc N 1• i l c: h' l'a di qu ·~ ti mganit,mi importanti produttori primari in molti eco-,i\lc nli .

14.8 • (ìli eliohattc1i '>f liJO Fi1111ic llll'l fototrofì ano"l!,!t:lliL·i L' ·r '\C:Oil\1 co nt..: foto ·tcrotrofi alla l un: e l'OIIIl' ·h.:miotmli ;il h1110. ili •liohatt~.:1i producono hattt:noclnrolilla g ~.: utili11:111o 1111 IPlu -, i'>l cllla di tipo l. Ch/omnr/n/)(1('/t' rium tht 'l'lllll/lhi!tt/11 c un ac1do hattcrio fototrofn :1110,,ige11 i ·o chc cr •se.: lotn..:timilatil i

~ ulfurci '>ono fot otrofi anO'>'>i :_'..:ni c: i appart ·n nti a1 WlllllapmteoboUNio. tili11anu 11 2 · S0 ·o me d natori

14.4 • l batteri ro-,,i

n,.

di ·l ·ttroni . ano la lll:\li r totrolì po-.si ·don f LO\ i'>! 'llla di ti l o Il .

:lltrn v ' l'SO il ·ic lo di Cali in- lkn \1) 11 . bau 'l'io ·ir rofì lla ( / o l 'utilit/:111 l un

14.5 • l batt ' ri f'OS\i non sulfur ·i~ ) il f tOLro fì ano. sienici apparI nen t i :1 l A lp/w-

Bewprr. teoboul'litl. il ann o metaboli smi di 1.:r-,i,

'>O liO ana ·robi c>h hl1 ga ti riducendO 5()~ C ,fllltt:IIHJO fl ~ t\ COI11j1ll'>li Ol!,!.llli ·i ~ '111plici ·om · d natori di t: l ·ttrnni . La magg1o1 pa1t · dt:1 '>ol fa t -riduu Hi 'ono l eltopmt(•ol act('riu . Sono not · du..: ·i:l'>'.i di bau ri so l f'ato-riduttOri: nli '' id:111ti '(HII fl ·ti . ·h· o-,..,,dann ace tal a C' 2. · gli o'>'> idanti in ·o1npl..:ti . che 11011 ri C'> ·o11 o a o.,-,id:ll · rnpl ·t:ll11 ·nt · l'a " tat

Cii' l'l'C' ' OIIC

14.1o . ti am ' n t· altri co n1p 1'>1i · l nt

bi anOt,\i 'Cnic:i hann un fot s i ~ t ·1na li tipo Il ma possiedono ~o l c la batt rioclorofi lla o.

14.6

tati

li totrorì ~ulfu n.:i. eh.:: ap1an.:ngo no qua'>OSi

20

c

,.

14.14 • l terro-riduttori di.,.,imilat tl i ridu cono ace ·ttori di ·!ettroni in,olubili gratic alla re'>pira;iom: anaerobica . La maggior parte delle spc ·ic pu(l crc'>Ccre anacrobicamcntc riducendo il ferro ferrico utili11ando 11 2 o rompo.,tt organici \cmplici rome donatori di el..:ttroni. l ge neri meglio caratteri/lati \Ono Geuhauer. che comprende \Oio anaerobi obbligati. c Sht•••·anella. chè çompr..:nd..: aerobi fawltati1 i.

14.18 • l batteri ac..:t ic.: i Acetobocrer..: Glu cmrolwctl'r ... ono acrobi obbligati eh..: produ cono ac ·t ato dali'O'>\idationc d..:ll'etanolo. Si po\\Ono tn)l are nei mo\ti di fcrmcntation · d..: li· bevande al colit:hc. (ili ac..:togc ni \Ono irncc.:c anacrohi obbligati c.: he utilittano la 1ia dell'acetii -Co per con'>enarc l'energia c produrre at:ctato .

14.19 • l predatori batterici come /Jdel/rJI•ibrio c M nococ 111 -.i nutrono di altri mi t: n>rga ni'>tni. l mi' batteri hanno un ere lo di wiluppo complc--.o che prc1 cdc la format io n ' li corpi fruttiferi ont..:ncnti mi;-.o-.por' . 14.20 • Il ph) lum Spiroclrm•tl'\ ·ompr ' nd ' batteri di forma •lrcoidal· eh..: utili11ano una f rm a di mobiliti! inedit a in grati di ·on\t:ntirc un 11101 im..: nto a "ca1 atap pi " attra1 •r-,o materiali 1 r\CO\Ì. Quc.,ti or •ani-.mi ., no · munì n ·gli habitat ano.,.,i ·i ' '>ono cau\a di mol tc.: malattie ben com .,ciutè. ·ome la 'oi frlid c. 14.21 • l batteri g..:m manti ..: pro\tt:c.:ati pr l!\cntano t:c.:l lulc che: po"icdono app..:ndici a torma di p..:duncoli. o pro\tc hc. utilit tate per an corar-,i ali' 'up..:rfì ci o per Paragrafo 19.4)

Rhodocyclales Generi principali: Rhodocyc/us, Zoog/oea

Figura 15.7 Principali ordini di Proteobacteria nella classe dei Betaproteobacteria. L'albero filogenetico è stato costruito sulla base delle sequenze geniche dell'rANA 16S di generi rappresentativi dei Betaproteobacteria. l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

Neisseriales Generi principali: Chromobacterlum, Ne/sserla

510

JN TA 3 •

DIVE ASl TA MICROBI CA

po . ono re. cere come chemiorga n tr fì gra zi alla r spirampl i i. zion a rob ica di zucc h ri dale mprende batt ri amm nioobb li gati. l g neri più imp rtant i . spira (et.:> Paragrafo 14. 13).

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - -

(a)

(b)

Figura 15.9 Neisseria e Chromobacterium . (a) Micrografia elettronica a trasmissione di cellule di Neisseria gonorrhoeae mostrante la tipica disposizione delle cellu le a diplococco. (b) Una larga colonia di Chromobacterium violaceum.

hromohacterium un parente ti logenetico molto stretto di eisseria ma pr senta un a morfologia a ba. ton Il . a specie più co nosc iuta . vio/aceum, un batterio di c lor p rp ra ( igura 15.9b) che i e nel . uol e nelle a JU , ma an he occas ionalmcnte nell e ferite purulente d !l ' uomo e di altri animali. . 1•iolaceum e alcuni altri r mobatteri producon violacci na ( igura 15. b), un pigmen t porp ra idros lubil con propri tà antimi robiche anti oss idanti . hromobacterium un a robi faco ltati , che ere. e in m d r rmentati vo sugli zuccheri c ad tta la respiraLion aerobica in pre. enLa di una vari tà di altre . org nti di arb nio.

Hydrogenophilales, Methy/ophilales e Nitrosomonadales Generi principali: Hydrogenophilus, Thiobacillus, Methylophilus, Nitrosomonas

il marini l

no organi . mi metabo lica m nte no m ti l trofe di Methylophilu (et.:> Paragraf 14. 17), in grado di altri com po. ti 1, tranne eh su

Elencate tre specie di Betaproteobacteria note come palogeni umani. Elencate tre generi di Betaproteobacteria che com prendono chemiolitotrofi.

15.3 Gammaproteobacteria:

Enterobacteriales Generi principali: Enterobacter, Escherichia, Klebsiella, Proteus, Salmone/la, Serratia, Shigella

CAPITOLO 15 •

01VERSITÀ NELL'AMBITO DEl BACTERIA

511

Gammaproteobacteria ,---- - - - - - - A c i d ithlobacillus

Acìdithiobacìllales Pseudomonadales

Xanthomonas Lysobacter .-------Begglatoa '--------Thlothrix

Xanthomonadales Th iotricha/es

. - - - - - - - Methylomonas ' - - - - - - - - - Methylococcus

Methy/ococcales

.-----Legione/la

Legione/la/es

.------Chromatium ,------Nitrococcus '-------Nitrosococcus ,----Femmonas '-----Shewane/la ' - - - - - Pseudoalteromonas

Chromatiales

Alteromonadales

Figura 15.11 Un batterio enterico produttore di butanediolo. Micrografia elettronica di una preparazione di cellule evidenziate mediante ombreggiatura relativa al batterio produttore di butandiolo Erwinia carotovora. La cellula è larga circa 0,8 J.Lm. Si notino i flagelli con disposizione peritrica (frecce), tipica dei batteri enterici.

Aeromonadales Pasteurellales

lo. co l

V/briona/es .---Proteus Yersinie Salmone/la Escherichia

Enterobacterla/e

Serrai/a

Enterobacter Klebslella Figura 15.10 Principali ordini di Proteobacteria nell a cl sse dei Gammaproteobacteria. L'albero filogenetico è stato costruito sulla base delle sequenze geniche dell'rANA 16S di generi rappresentativi dei Gammaprotaobactaria. l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

2

medico di m lti batt ri enteri i, .

Batteri enterici con fermentazione acido-mista: Escherichia, Sa/monella, Shigella e Proteus

mi nata 1 ec ie.

Tipologie di fermentazione nei batteri enterici

seg uito cl Ila fi rm entazio ne ac id o- mi ta formano prin cipal m nt tre acidi : l ac tic , i l lattico e il uccin1 . i formano tutlav i anc h tan lo, 0 2 e H 2 , ma n n butanedio-

512

UNITÀ 3 •

Glucosio

DIVERSITÀ MICROBICA

Piruvato

Glicolisi

Lattato

Provetta non tnoculatal

C02 .. - •

J ~

Reazione actdo +gas (H2 + C02)

~

!

Acetii-CoA

+ Formato

~

- - - • Succinato

-cEtanolo

-c

Acetato C0

2

H2

as (a) Fermentazione acido-mista (per esempio, Escherichia co/1)

Glucosio

Glicolisi

2,3-butandiolo + co2 Etanolo Latta to

Colore di reazione del butandiolo (b) Fermentazione butanediolica (per esempio, Enterobac ter aerogenes)

Figura 15.12 Fermentazioni enteriche. Distinzione tra fermentazione acido-mista (a) e butandiolica (b) nei batteri enteric i (c>.:> Figura 16.4). Le frecce continue indicano le reazioni che portano ai prodotti pri ncipali. Le frecce tratteggiate indicano i prodotti minori. (a) La fotografia mostra la produzione di acido (giallo) e gas (nel tubicino di Durham capovolto) in una coltura di Escherichia coli che attua la fermentazione acido-mista (la provetta rossa non è stata inoculata). (b) La fotografia mostra il colore rosa-rosso nell 'ambito del test Voges -Proskauer (VP), indice di produzione di butandiolo a seguito della crescita di Enterobacter 1erogenes . La provetta a sinistra (giallo) non è stata inoculata. Si noti che, rispetto alla fermentazione butandiolica, la fermentazione acido-mista produce, a partire da glucosio, meno C0 2 ma più composti acidi.

poi una d Il au e prin ipal i di inrezioni del tratto urin ario ~ m m in ile. eppi n t ropa togeni di E. coli ono em pr piU imp lica ti nell e inreL.ioni ga trointe tin ali e in epi odi di tati rebbrili genera li zzati . lcuni ceppi di . oli entero m n·ag ic i (abbre iati c n la ig la H ), di c ui il ceppo

cas i, in p ri nt r to . ina molto potente. a/monella ed cheri hia . o no due g n ri trett am nt impare ntati . utta ia , co ntrari amcnt a mo lti cep pi di E che-

tat , la co loni a m atura mo. tra un a seri di t, con anelli a l va ta co ncentraz ione ce llu lar al ternati a ra. c a più ba. num rodi ellul ( igura 15. 1 b).

Batteri enterici con fermentazione butandiolica: Enterobacter, Klebsiella e Serratia l batt ri

CAPITOLO 15 •

nne, cl r fì lle

DIVERSITÀ NELL AMBITO DEl BACTERIA

,. ~

.. ...

513

.. --

'" • ..

occas i nal contam in ant Verifica--------Cos'è la fermentazione acido-mista e che significato riveste per i batteri enterici? Quale test potreste usare per distinguere tra E. coli e K. pneumonia?

15.4 Gammaproteobacteria:

Pseudomonadales e Vibrionales Generi principali: Aliivibrio, Pseudomonas, Vibrio La di c r. ità ti l g n ti ca ammaproteolmcteria r nd diffi oltoso op rare una c lta rappr scntati a delle tante sp ci importanti di que ta la. s di Proteobacteria. i foca lia remo . u P eudomonadale.1· e ibrionale dal momento eh que. ti gruppi ( insieme ali Enterohact riale.s) rappr ntan tre deg l i rdini più abbondanti e più ampiamen te di fTu. i d i ammaproteobacteria ( igura 15. 10).

Pseudomonadales Le Peudomonadale.s co mprendono esc lu i amente batt ri chemiorganotrofì con m tabol ismo re. piratori . utte le spec ie pos. ono crescere a robi am nte e :ono tipi ca mente ossidasi- c ca tala. i-p siti vi e scbb ne alcuni p . sa no eff ltuare an hc una respirazione ana robi ca n il nitrat c me accettore tina l di elettroni. a maggior parte del! . p ci pu usare una grand vari tà di co mpo ~ ti r ani i c m font di carboni e di nergia. u . ti orga nismi sono diffu i ia n l suo lo sia nell acque e mo lte spec ie ausan malattie in piante e animali , co mpr so l ' uo mo. Il genere tipo Pseudomona , le cui sp cie sono descritt sull a base di clementi fì logeneti i c di un num ro di caratt ri stiche fi siologiche e fenotipi che, w m sott lineato n Il a Tabella 15.2. Il termin e p udomonade vi n spc. : utili aato per dcscri cr gni batteri a basto nce ll o gram -negati o, con un nagc llo p lar c a robio, apace di utilinar diverse f nti di carb nio. Le ps ud m nadi si posso no trovare in al uni diffe renti gruppi di Proteoba terio, ma qui consideriamo . olo gli rgani mi eh appart ng n all' ord in Pseudomonadal . !cune spc ie di Pseudomonas . n patog n ( abel la 15.2). ra que. t tro iamo Pseudomona. aeruginosa (Figura 15.15), batterio fr qu entem nt asso ·iato n ll ' u m a in t'el ioni . ia del tratto uri nari . ia di qu Il res piratorio, an h se non pu ò . sere co nsid rato un patogeno obb li ga r . i tratta invec di un organism pportuni sta. eh di enta patogeno

Figura 15.13 Moti lità di tipo sciamante (swarming) in Proteus . (a) Cellule di Proteus mirabilis preparate mediante colorazione specifica per i flagelli ; i flagelli peritrichi di ciascuna cellula formano un fascio capace di ruotare in maniera sincronica. (b) Foto di colon ie su piastra Petri di Pro teus vulgaris . Si noti l'espansione delle co lonie secondo una progressione ad anelli concentrici.

Figura 15.14 Colonie di Serratia marcescens. La pigmentazione rosso-arancio è dovuta alla presenza del pigmento pirrolico prodigiosina.

negl i indi idui con un sist ma immunitario ind bolit . P. aeruginosa sp . s all ' orig i ne di infeLio ni n s omiali ca usate da ca tel ri, trach t mi , 1n1ezi ni l mbari infu. i ni intraveno. e, c n incidenza fr qu nt in pazi nti sottop . ti a l un-

514

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

Tabella 15.2 Caratteristiche di alcune principali specie di Pseudomonas Specie

caratteristiche

Pseudomonas aerugmosa Pseudomonas fluorescens

elatina e non cresce su benzdammina responsa l di clorosi

Pseudomonas syrmgae Pseudomans stutzeri

ti o, Pseudomonas syringae iene eli s lito i. olato da fog li che mostrano les ioni clorotiche (g iall e) , mcntr Pseudomona 11wrginalis, un patogeno del marciumc moll e radicale, può arrivare a infettare . tcl i c gerrn gli , ma raramente le foglie.

Vibrionales

Figura 15.15 Morfologia cellulare di pseudomonadi. Micrografia elettronica di una cellula di Pseudomonas evidenziata mediante ombreggiatura La cellula ha un diametro di circa 1 f.l.m.

ghi trattamenti immuno-. oppressivi . uesto batterio inol tre un patogeno ri c rr nt in pat..ienti gravemente u. ti onati o affetti da altra tipologia di . eri danni alla ute e in per. one soff renti di libro. i cisti ca. l tre he di inf zi n i loca li zza! ' pu esser an h causa di infc.l i ni si. t mi ·hc, . prattutt in pers n eh hann subit estesi danni alla cute.

n pat g ni dell e pianolto pe o i fìtopat g ni co loni zzano piant eh non ono o piti (n Il quali i int mi della malatti a non ono e id nti) da qui po n e ere trasmessi all e piant o piti e dar lu g all ' infezi ne era e propria. l sintomi dell a malattia arian a seco nda del parti co lare tìtopat gcno dell a pi anta os pite. Il patogcno rilascia to.. inc, enzimi liti ci, fattori di cresc ita c altre . ostanzc che di. trugg no o alt ran o i tessuti della pianta, in modo che engano lib rati nutrienti uti lit..Zati poi da questi stessi batteri . In molti casi, i intomi dell a malatti a aiutano nel! ' identifì caLione d l fìtopatogen . Per qu st mo-

l batteri apparten rdin Vibrionales c mpr ndon ba. toncc lli dritti e curvi , a robi faco ltativi , che attuano un m tab l ismo r rm ntati no ssi dagrupp Vibri o i batteri nt ri ci eh i primi . i-po iti vi mentre i . condi . sidasi-nega ti vi. nch le pec i ricondu i bili a P eudomona ono os. id asi-p siti ve, ma n n fermentan e per i si p s. on fa il mente di !>tinguere dali ·pec ic rifcribili a Vibrio. l g neri più n ti di quest grupp s n Vibrio, Aliivibrio c Phoroba ·r rium, che ann cran diver e pec ie bi lumine. nti c!;:> Paragrafo 14.24). La magg i r part e d i ibri ni e d i batt ri affini . on a qu attct i v no in habitat marini , sa lma. tri e di a qua d Vibrio ·holerae la au a d l ol ra n ll ' u mo, ma di so lit non i nduc la malattia in altri o. piti . Il co l ra una d Il più co muni inf zioni nei pac. i in ia di s iluppo d tras mes qua. i esc lu si amcnte att raverso l 'acqu a. Vibrio parahaemolyricus abita gli ambi enti marini ed la principal causa di ga. tr meriti in iapp ne, d v . i consum a abitu almente p ce crudo. tal tutta via all ' ori gine di pidemie ga tr cnteri ch an hc in altre parti del mond , c mpres i gli Lati niti . V. parahaemolyricus pu css r iso lat dir ttament dall ' a qua di mare o da m llu chi mentr l' u mo è so lo o pite accidental . Verifica Quali specie di Pseudomonas sono causa frequente di infezioni polmonari nei pazienti con fibrosi cistica? Quali test possono essere utilizzati per differenziare i ceppi di Pseudomonas da quelli riconducibili al gruppo Vibrio?

15.5 Deltaproteobacteria ed Epsilonproteobacteria Queste eia i di Proteoba teria cont ngono un numero più ri . tretto di p cic pre entano un a di er ità funziona i più limitata ri . p tt a quanto incontrato in Alfa-, Beta- e am-

CAPITOLO 15 • c!~

igura l . l). l Del-

DIVERSITÀ NELL AMBITO DEl BACTERIA

515

Epsilonproteobacteria Arcobacter r l r - - Sulfurospìrillum Campylobacter Helicobacter Wolìnella

Campyfobacterafes

Deltaproteobacteria . . . . - - - - -Bdellovlbrio

una pe ie cara tt (e rrooxydan s) h graf l 4. 1 ).

, - - - - - Desu/furella ....----Desulfovibrio

Deltaproteobacteria Generi principali: Bdellovibrio, Myxococcus, Desulfovibrio, Geobacter, Syntrophobacter

,----Myxococcus Desulfarculus

Bdelfovlbrionates Desulfurelfales Desulfovibrionates Myxococcates Desutfarculales Syntrophobacterales Desulfobacterales

Geobacter Desulfuromusa Pe/obacter D sulfuromonas

Desulfuromonadales

Figura 15.16 Prin cipali ordini di Proteobacteria nelle classi dei Deltaproteobacteria e degli Epsilonproteobacteria. L'albero filogenetico è stato costrui to sulla base delle sequenze geniche dell 'rANA 16S di generi rappresentativi di Delta- ed Epsilonproteobacteria. l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

Campylobacter e Helicobacter

ue ti organi. mi s n Paragrafo 5. 16) gli i. olati provenienti da campi nici d v no p rei es ere colti vati a ba .. e tensi ni di l ~ ) ada lt concentrat.ionidi 2 ( - 10%). ono stat d . ritt ltre un a doaina di p py/obac1er re. ponsabili di ga. tr nteriti a ut pro ocan di arr a anguinol nta. a patogenesi diversi fattori tra ui i l ril a. ci di un'enterotossina simi le all a to.. ina col rica . nch He/icobacter pylori un palo en e au. a ga. triti ac ute e r nich , he po sono portare alla r rmazi ne di ulcere p pti he. (c!~

Epsilonproteobacteria Generi principali: Campylobacter, Helicobacter Gli Ep ilonproteohacteria ( · igura 15. 16) erano in iL. ial mente riconducibi li a po h i b a ~ter i patogeni ; in particolare da pe ie di ampylobacter e Helicobacter. tudi ambi ntali di habitat h in mi r bici terr stri marini hanno tuttav ia dim ostrat natura e i te una ari t di Ep ilonproreobacteria il mero e l ui apa ità metab li ch uggeri c n c m rive. tan un ru l cc l ico importante (Tabella 15.3). Le pecie di Ep ilonproreobacteria n abb ndant i all ' int rfacc ia aer bi a-an . ica di am ienti ricc hi di zolfo. In natura ono parti c larment imp rtanti p r l' . idaL.i ne di co mpo ti olfora ti .

Sulfurospirillum e Wolinella pec ie di ulfurospiril/um . ono par nti . tr tt i dei ampyloba ·rer; non . ono tutta ia pat g n . i tratta di batteri mi croaer fili l ib ri , he cr se n neg li hab itat marini · di a qua ( ab Ila 15. ). uesti batteri attuan la re. pirazione d l anaer bi ca, utili zzando z lf el m ntar ( 0 ), . elenato ar. l .2 1). nato come accett ri di el ttr ni (c!~ Paragrafi 13. 1 Wo/in el/a un batterio anaer bi i. lat dal ru min dei bo ini ( ab Il a 15. ; c!~ Paragrafo 22.7). l ontrario degli altri Epsilonproreobacteria, l'unica . peci nota, Wolin el-

516

UNITA 3 •

DIVERSITA MICROBICA

Tabella 15.3 Caratteristiche dei principali generi nell'ambito degli Epsilonproteobacteria Genere

Habitat

Caratteristiche descrittive

Campylobacter

Or n1nprodultiVI, cav1ta orale e tratto 1ntest1nal dell'uomo e d1 ltn nirnali, p t

Bastoncelli sn Ili e curvali a sp1ral : mobiht a cav tappi con un singolo fla no poi re

Arcobacter

Bacilli snelli e curv1; mo 1htà p r m zzo di un s1ngo1o fl g Ilo poi re

la uccinogene , ere cc m gli o ome ana r bi e pu atlU are la r . piraz ione anaerobica con fumarat tt ri di l ttr ni H2 f rmi ato qu ali d nat ri . on tante W. succinogenes sia stata fi nora i. olata so lo dal rumin b vin o, il suo genoma mo. tra omol gie signifi ca ti v sia c n i gen mi di ampylobacrer ia con qu Ili di l-lelicobacrer. o : te. so co ntiene geni addi zion ali h difì an p r l ;;i one dell ' az t , p r c mpl e . i mecca ni mi di comun icazione (signaling) ce llul are e p r int re ie m tab li he, a enti nei gen mi d Ile sp cie affi ni . uc. t suggerì ce che Wolin ella potr bbe co l niu.are anche altri ambi n ti oltre al rum i ne.

Epsilonproteobacteria identificati in campioni ambientali 4

ltr ai rappr entanti c lti vabili dei g neri trattati in precedcn;;a e alle m lte . pec i e ai molti g neri eh n n bbi am pre in c n i lera;;i ne, es iston gruppi numero i all ' int rn di questa eia. se, c n sc iuti . l in ba. e all e sequ enze geni che rib . mal 16 re uperato da campi ni ambi ntali d II ' R (c!+' Paragrafo 18.5). razie ag li . tudi di . equenziamento di ca mpi oni del tipo ant.id tto e ai pr gre . i . egnati n Ila c lti at.ione di mi crorgani smi ·in qui n n i. olati , appare rm ai

ti i a. p Verifica Quali sono i quattro tratti metabolici più caratteristici dei Deltaproteobacteria? Perché Wolinella è, tra gli Epsilonproteobacteria , fisiolog icamente distinto dagli altri?

Il • Firmicutes, Tenericutes e Actinobacteria Il no tro iaggio al l ' intern o d Il a di v r ità fil gen ti ca dci batteri prosegue con i gram-pos iti i appart n nti ai ph la Acrinoba ·reria c Firmicures e al ph ulm affin d i Teneri ·ures (Figura 15.17). uesti tre ph y la mprendon di tutte le spe ie caratteri zzate di Ba reria (Fi gura 15. 1b). Gli crinobacreria in ludono gli allin omi ce ti , un grande grupp o di batteri fì lamcnt si che i v n nel u l . na ca-

ratteri ti ca di tinti a deg l i crinobacreria i l g n ma ri c di ; per que to . ono definiti batt ri gr am-po iti i a eleato co ntenuto di . l Tenericute in ludon batteri c n he man ano d Ila parete, mentr i Fi rmicures in lu c llul dono batteri pori geni , batt ri latti ci di r i altri ruppi . l contrario di quanto pre i at p r gli crinoba r ria, i g n mi e dei Frim icure hann o un gen re un ba o ntenut di

CAPITOLO 15 •

pc rci vengon chiamati batted gr am-po ili i a ba o ontcnu to d i omi nciam . ami n. nd o i Firmicute non p rig n1.

1 .6

Firmicutes: Lactobacillales

Generi principali: Lactobacillus, Streptococcus

DIVERSITÀ NELL AMBITO DEl BACTERIA

517

Actinobacteria

Propìonibacterium Corynebacterium Nocardia Mycobacterium Actinomyces Streptomyces Btfidobacterium '------- Coriobacterium

Ac tinomyce tales

Bifidobacteria /es Coriobacteriales

Tenericutes Entomoplasma tales Mycoplasmatales

C/os tridiates

Lactobacillales

Baci/la/es

Figura 15.17 Prin cipali ordini di batteri gram-positivi e ca tegorie affini. L'albero filogenetico è stato costruito sulla base delle sequenze geniche dell'rANA 16S di generi rappresentativi di Actinobacteria , Firmicutes e Tenericutes . l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

Lactobacil/us no tipi amente a ~ rma baston ere on a mo' di at n , con llule h arian da l un h e sne ll a c rte e ur (Figura 15.18). p ci no mof rmentanti. l lauoba il li on c munì nei pr dotti ca. car i e alcuni ceppi n utili aati p r la pr parazione di pr d tti ferm nlati del latte. Per empio, Lactobacillu acidophilus ( i ura 15. 1 a) vi ne impi ga t nella produ zione di panna a ida m ntre Lactobacillu delbrueckii ( i ura 15.18c) nella preparazi ne dell ogurt; altr p cie sono uti l izzate n Ila pr duL.i ne di rauti, in ilati e . ttaceti . l latt bac illi , tipica men t , ono pii:1 re i tenti ali condizioni di acidità d gli altri batteri laui ci e on in grado di ere cer a va l ri di pH int rn o a 4. Per que ta p ifìca can e ere l tti amente arricchiti dai prorati n uca, po d ni ca eari e dal mat riale vegeta le ferm entat ,-j orrendo a terreni di co ltura a ba e di carboidrati , tamponati a pH a ido. La re i t nza all 'acid ità d i lattobac illi fa sì che qu ti siano

in grad di ontinuar a r scere durant la ~ rmentaL.i n laui a, anch quand il al re d l pH s nde al di s Il di va lori ompatibili c n la cresci ta degli altri batt ri lattici. l lattoba ·il li sono p rei i respons·tbili delle fasi fin li di m lte fermentat.i ni lattiche. Raram nte, semmai possibil , . on pat geni .

Streptococcus e gli altri cocchi l generi Lactococcus e treplococcus (Figura 15.19) c mpren dono spe ·ie o m o~ rm n tanti di batteri lauici a forma di ·co che i on in ambienti p cu liari possied n atti ità metaboli he di particolar imp rtant.a p r l 'uomo. lcun speci . ono patogene ~ i a per l ' u mo sia p r gli anima li . Le spe i di treptococcu ( igura 15. 19a) hann o una morfologia cellul are caratteri sti ca , co n la formazione di catene o t tradì facilment di tin guibili dai lanobaci lli a bastoncello. ome procluuori di ac ido lattico, gli . trcptoc chi svo lgono un ruol imponant nel la produzion di panna acida, in: il ati c altri prodolli ~ rmentati. lcun spec i gioca no un importante ru lo nella formazione del l cari dentali.

518

UNITÀ 3 •

DIVERSITÀ MICROBICA

ci

(a)

~------------~~

(a)

(b)

(b)

(c)

(c)

Figura 15.18 Specie di Lactobacillus. (a) Lactobaci/lus acidophilus in microscopia a contrasto di fase. Le cellule sono larghe circa 0,5 J.l.m. (b) Lactobacil/us brevis , micrografia al microscopio elettronico a trasmissione. Le cellu le misurano circa 0,8 x 2 ,.~.m . (c) Lactobacil/us delbrueckii, micrograria al microscopio elettronico a scansione. Le cellule hanno un diametro di circa 0,7 J.l.m.

Figura 15.19 Cocchi gram- positivi . (a) Streptococcus sp., micrografia al microscopio elettronico a scansione. (b) Lactococcus /actis , fotomicrografia a contrasto di fase. Le cellule in entrambe le foto sono 0,5-1 J.l.m di diametro. (c) Colonia di Leuconostoc mesenteroides che mostra l'estesa mucillagine di destrano prodotta dalle cellule cresciute su saccarosio.

li i i.n omplet , conne ver ul terren

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • In cosa differiscono a livello fisiologico i batteri eterofermentanti dag li omofermentanti? Come è possibi le distinguere Streptococcus pyogenes da Streptococcus mutans?

CAPITOLO 1:.> •

D VERSITA NELL AMB TO DEl BAClfRIA

519

15.7 Firmicutes non sporigeni nell'ambito di Baci/la/es e Clostridiales Generi principali: Listeria, Staphylococcus, Sarcina l Finnicwes che formano cndospore appartengono agl i ordi ni Baci/la/es /ostridia/es . uttavia un cospicu numer di Baci/la/es c /ostridiales non produce ~porc e in que. t paragrafo analia remo alcuni di questi casi .

Listeria L'ordine Baci/la/e.\ comprende tipi am nte batteri chemiorganotrofi aerobi e aerobi facoltativi . In questo gruppo ri ntrano po hi patogeni umani, con l'importante ecce/ion di Listeria , un cocco-bac illo gram -positi o, cata lasi -positi o e aerobio obbligato eh tende a formare catene di tre-cinque ce llule. ebbene siano note diverse specie di Listeria, la più famosa Listeria monocytogenes, in quanto è la caul.a di un' imp rtant intossi at.ionc alimentare, la listeriosi. L ' organismo si trasm tte aura crso il consum di cibi contaminati, solitament quelli pronti per l ' uso alimentare, come r rmaggio in sa ca ti, pu causare li evi int ss icat.i ni fin a f rm letal i di mcningite. spe i di Listeria spesso crescon b ne a ba. e temp rature, p rtanto p S!> no sopra vi ere an he nei cibi r frigerati.

(a)

Staphylococcus Staplzylo o cus (Figura 15.20)

un aerobio facoltati o eh possiede un ti pie metab l i. m re. piratori , ma in grado anch di cr . c r in m do fermentati o. Le ellule si molti pii an a. sum ndo una p uli r dispo!>iti n a gruppi , n pr duti ne di acidi a partire da gl uc si , sia in c nditi ni di ere. cita aer bica sia in quelle di ere. cita anaerob ica. spcci di taphy/oco cus . n ca tala. i-po!> iti e, ·aratteristi ca qu sta eh perm tte di di stinguerle dalle specie di trepwcoccu. e da altri g neri di batteri lattici . li stafì l c echi ~ n r lati am nte re istcn ti in c ndi/ioni di ba!>si alori di atti ità d ll ' a qua (aw o potentialc idrico) d l 1>ub trat . tollerando l'es. i camen to e anch al te concentrat.i ni . ali ne ( a 1). uesta apacit di re. cere su terr n i contenenti dosi ele at di . ali ci fornisce un ffica e strum nto selettivo per l ' iso lament di qu . ti batteri. Per esempi , . un in cu i adeg uato, sia esso un tampone eu tane , un campione di suoi ess i ·ca to o un ' aliqu ta di pul is ·olo da ambienti chiu. i ab itati, vien di tribuit ·u una piastra di t rreno ric nten nt 7, % di a l la piastra incubata aer bi am nt , l ntano la comco lonie di c ·chi gram-po. iti i . p sso rappr ponente predominante. olte sp cic sono poi pigrnen tat e qu . t un cri t rio agg iunti vo p r la se leti ne d i hi hi sono commensa l i e paras 111 c muni d li ' uomo e degl i an imali e po sono o ca ionalmente cau:are serie infetion i. ella spec ie umana, ricorron due . pecie principa li, taphylococcus epidermidi , un rgani. m n n pi gm ntato, non patogen , . pe .. o presente su ll a pelle o sulle muco , e taphylococcus aureus (Figura 15.20), una peci pigmentata di giallo, as o iata comunemen te a mani~ stat.ioni

(b)

Figura 15.20 Staphylococcus. (a) Micrografia al microscopio elettronico a scansione di tipiche cellule di Staphy/ococcus aureus nella classica disposizione irregolare in gruppi. Le cellule singole misurano circa 0,8 f.l.m di diametro. (b) Micrografia elettronica a trasmissione di cellule in divisione di S. aureus. Si noti la spessa parete gram-positiva.

patologiche come cru/ioni cutanee, acne, po lmoni! , rniclite, meningitc e artrite.

st o-

Sarcina Il g n re arcina raggruppa anaer bi obb li ga ti , atala. i-negati i , che appart ngono all' rdinc comprese nel genere arcina :i replican s ortogo nali, formando pacch tti di otto o piC1 ce llul e, . tica morfologica peculiare di questi batt ri (Figura 15.21). e specie di Sarcina ri sultano estremamen te to ll eranti all'acid ità, fermentando tuccheri e crescendo in ambien ti c n bassi alori di pH (addirittura, tino a pH = 2). e ce llul e di una . p cie, arcina ventriculi, presentano uno spess strato fìbro. di c llulosa che circonda la parete ce llulare (Figura 15.2 1b). Gli strati cellul sici di cel lule adiac nti tendono a attaccarsi,

520

JN l T A J

D l Vl P S l T A M l GR OB l CA

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come l ulc re pii ri ch . Que. te ondizi dano ilnu. od l cib crso l ' intestin e inter ento chirurgi o per essere risolte.

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Verifica • C. om . e è possibile distinguere specie di Staphylococcus da quelle di Streptococcus? • Quale caratteristica differenzia Sarcina da Staphylococ-

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:

15.8 Firmicutes sporigeni nell'ambito di Baci/la/es e C/ostridiales Generi principali: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina

utti i balleri spo ri g ni . n gram- p siti vi che appari ngono ag li ordini Bacteriales e /ostridia/es . a capa ·it, di form are cndosp re si e o luta una s la lta in un antena to comune delle Ba ·il/ales, /ostridiales La ·tobacillales ( igura 15. 17) . ulla ia, molt sp cie di Baci/la/es e /ostridiales c l'intero ordin e d Il Lactohacillale.\ n n . on in grad di formar cndos pore. u sta ca pa ità ri ·hi d l'i nt rve nto di molti geni (c.t.:;> Paragrafi 2. 1 e 7. 11 ) non pu c rto . r stata acqu isita p r tra s ~ rim rllo g ni co oriu. ntal . Ri sulta pertanto rag ionev le suppon·e om la di stribut.ion fil g netica di questa caralleri sti ca sia stata in molti asi persa durant i l cor. o dcll'cvolut.ionc. (b) l batteri sporigc ni (Tabella 15.4) si di stin uono . ull a bas di ca rallcri m rfol gici, p r la form ·1 la po. it.i ne d Il ' nFigura 15.21 Sarcina. (a) Fotomicrografia a contrasto di fase dosp ra all ' i nterno dell a cellu la (Figura 15.22), p r i l rapp rt di cellule del tipico cocco gram-positivo Sarcina . Una singola nei onfronti d ll ' ossigen e p r il m tab li. mo n r ti o. l cellula misura circa 2 IJ.m di diametro. (b) Micrografia elettronica due generi p r i quali si hanno a di sposiL.i ne maggi ri inf rdi una sezione sottile di una tetrade di Sarcina ventriculi. maL.i ni s no Bacillus, le ui sp i !-.Ono a rob ie o aer bi Lo strato più esterno è formato da cellulosa. facoltative, c lostridium, eh co nti en di vers spe i ana robic obb li gai e f rmcntan ti. uui i batteri he f rm ano ndospore so no eco log icamente correlati in quanto si tro ano agendo così da materiale ceme ntan te in grado di tenere unite le c llule di . l'entriculi all ' interno d i sudd ni pacchetti. pr al ntcm nt n l suolo. n h qu Il sp i che ri sultano patogcne p r l' uomo o altri anima l i s no in r altà rgani smi Le spec ie di areino si posso no isolare da su lo, fango, feci c contenuti stomaca li . In virtù dell 'estrema toll cran t.a saprotìti del suolo in~ nano gli animal i o cas ionalm nt . ali ' ac idità, . l'en triculi uno dei po h i ballcri in grado di abi a capac ità di produrre end sp )l'C risu lterebb infatti s:e r tare e crescere nell o stoma o um ano c di altri anim ali manoun vantaggio per un mi crorga ni smo d l tcrr no, in quanto i l suolo c un ambien te : tr mament ari ab ile in t rm in i di c ngastri ci . L a rapida cresc ita di questo bali rio si oss r a nell o stomaco di pa1icnti afT Ili da certi di sturbi ga!-.trointc!-. tinali , tenuto di nutri enti, di temp ratura c di a qua disp nibil . l balleri hc form ano cndosp r p sson essere iso lati sc lcni amcnt dal suolo, dai cibi, da al tr matri ci ri dal pulvisco lo atmosfcri · . aldando i ·ampioni a O o per l O minuti, i n modo da u ·c idere l c ll ule cg tati v c las ·iar vitali le endo. por . tri s iando qu ti ca mpioni trattati al ca lor u piastr c n terreni di co ltura . eletti i , !-. i posso no oll n re co lon ie di spec ie di Bacillus o /ostridiun1 dop incuba(a) (b) (c) t.ione, ri sp lli vam nt , i n cond i t.ion i aerobi ch o anaerobi he. Figura 15.22 Specie di Clostridium e localizzazione dell 'endospora . (a) Clostridium cadaveris, endospora terminali. Le cellule sono larghe circa 0,9 IJ.m. (b) C/ostridium sporogenes , endospora subterminali. Le cellule sono larghe circa 1 tJ.m. (c) C/ostridium bifermentans, endospora centrali. Le cellule sono larghe circa 1 ,2 IJ.m. Tutte fotomicrografia a contrasto di fase.

Bacillus e Paenibacillus na li sta di sp ci c rapprese ntati v del gruppo facente capo a Bacillu riportata n Il a Tabel-

CAPITOLO 15

•

DIVERSITÀ NELL AMBITO DEl BACTERIA

521

"

Tabella 15.4 Principali generi di batteri , che formano endospore

Tabella 15.5 Caratteristiche di specie rappresentative dei bacilli

Caratteristiche

Caratteristiche dell'endospora

Genere

l. Bastoncelli

Aerobi o a robl facolt iv1, catalasi pos1tivi

Bacillus Paenibacillus

Microaerofili, catai si negativi; produ tori di ci o la tico omoferm ntanli

Sporo/actobacillus

Anaerobi: Soif te ridu ttori

Desulfotomaculum

Non rid cono il solfato, f rm ntanti

Clostridium

Termofili; ottimo di tem ratura a 65 70 C; f rmentant1

Thermoanaerobact r

Gram neg tivi; possono cr scere come omoacetog nicl su H2 e C02

Sporomusa

Alof1li, isol ti d l Mar Morto

Sporoha/obacter

Producono 1no fis no l' N Aci of11i, cresc1

AIO< lofili, cr

~

r c !lula;

11 3

Altcyclobaciflus

trm l

pH 9

Amphibacillus

r fo 1'1 .8)

Sintr o 1c1; "- ono li , c1d1 1 '· m, olo in co coltura con un tterio cl1 Ul11177 Figura 15.27 Spiroplasma cosiddetto " sex ratio" , per la capacità di alterare il rapporto nella differenziazione tra elementi maschi e soggetti femmina , isolato dall'emolinfa del moscerino Drosophi/a pseudoobscura. Micrografia in campo scuro . Le femmine dell'insetto infettate da questo spiroplasma danno luogo a una progenie di soli individui femmina. Le cellule hanno un diametro di circa 0,15 J.!.ll1.

.~ Figura 15.28 Divisione a scatto in Arthrobacter. Micrografia a contrasto di fase dei caratteristici gruppi di cellule a V formatisi a seguito della divisione a scatto in Arthrobacter crystallopoietes . Le cellule hanno un diametro di circa 0,9 J..l.m.

526

UN l TA 3 •

D l V E: RS l TA M l CROB l CA

. oluta la di tin zione tr i due gen ri ull a ciclo itale. a ce llu la di

di

l ~

(a) l.

Batteri propionici

(b)

Figura 15.29 Divisione ce llulare in Arthrobacter . Micrografia elettronica a trasmissione della fissione cellulare in Arthrobacter crys tallopoietes secondo il caratteristico meccanismo di divisione a scatto dal quale derivano i tipici gruppi di cellule a V. (a) Prima della rottura su singolo lato dello strato più esterno della parete (freccia). (b) Dopo la rottura dello strato esterno su uno solo dei lati della cellula. Le cellule hanno un diametro di 0,9- 1 IJ.m.

direzione oppo ta ri spetto all a lin ea di ro ttura (Figura 15.29). i determin a l' in sorgent.a dell e tipi che form e a l generi princi pali di batteri co rin eformi sono orynebacterium e rth roba ·rer. Il gen re orynebacterium mprende un grupp da er ari gato eli batteri , c mpr ndente sia patogeni animali e vegetali sia sa pr fit i. lcct ne speci , come orynebacterium diph theriae, . ono dee i. am nte patog ne pe r l' uomo. Il gen r rthrobacter form ato pr alent mente da organi smi d l . u lo ed distinto da orynebacterium ull a ba e di un ciel di s iluppo che c mp rta la conv r. ione da ba. tonce ll o a occo e iccver a (Figura 15.30) . T utta ia alcuni batt ri cori n formi . ono pl m rfì f rmano cellul e co oidi durante la r . ita, c . ì da rcnd re n n a.-

-,••c·.... ... .,·.:······ -.... ,.-.,,·:1 ....._....• .. .., • . , • . :.-: ..,.. .................... .: l '-·=·'·~-r-\·~ ........ . ..-. , ·r ··· . '• ....,...... -.,. ..,,... .... : ..... •-·· •• s;'•• •........ ,-,.._ .•..

- -

!'4.··~.

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j

~

•

(a)

' (b)

"'-

(c)

Figura 15.30 Stadi del ciclo vita le di Arthrobacter globiformis osservati in coltura su vetrino. (a) Singolo elemento

(d)

(e)

coccoidde; (b-e} conversione a bastoncello e crescita di una microcolonia costituita in modo preva lente

(f)

"

~·

. .

IJ~

-"

..--'l "'

,~

•:,•.•.•.,~.

... . l

' ,......,.:...

(g)

da bastoncelli; (f-g) conversione dei bastoncelli in cellule coccoidi. Diametro delle cellule: circa 0,9 IJ.m.

CA Pl T OL O 1 5 •

Dl VERS l TA N EL L'A MB l TO DEl 8 A C TERl A

H2N-Q-QcO NH2·c~-

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . Cos'è la divisione a scatto e in quali organismi è presente? • Quale organismo è coinvolto nella produzione del formaggio svizzero e quali composti genera, favorendone l'aroma e la formazione di buchi?

H l

H

~~

l

R1-y-y-coo-

~

NH

OH R2

15.11 Actinobacteria: Mycobacterium Genere di riferimento: Mycobacterium

(a)

(a) Acido micolico; R1 e R2 sono idrocarburi alifatici a cat ena lunga

2

(b) Fucsin a ba sica

Figura 15.31 Colorazione acld- fast. Struttura di (a) acido micolico e (b) fucsina basica, il colorante utilizzato nel la colorazione secondo la procedura acid-fast. La fucsina si combina con gli acidi micolici presenti nella parete cellulare, mediante legami ionici tra gruppi coo- e NH ;.

(b)

Figura 15.32 Caratteristica morfologia di un a colonia di micobatteri. (a) Mycobacterium tuberculosis , che mostra un aspetto compatto e contorto della colonia. La colonia misura circa 7 mm di diametro. (b) Colonia

527

(c)

di un ceppo virulento di M tuberculosis in uno stadio precoce dello sviluppo, mostrante la caratteristica crescita a corda. Le cellule singole hanno un diametro di circa 0,5 IJ.m. (Si confronti questa immagine con i disegni

storici di cellule di M tuberculosis stilati da Robert Koch, c!o;> Figura 1.22.) (c) Colonie di M avium relative a un ceppo isolato come patogeno opportunista da un paziente affetto da AIDS.

528

UN l T À 3 •

D l V ERS l T A M l C RO8 l CA

Streptomyces oltre 500 sp cie di

treptom ce . I un diametro di

contro i dann i o . idali vi d (~.::> Parag rafo 5. 16). Verifica

• Cos'è l'acido micolico e quali proprietà conferisce ai micabatteri?

15.12 Actinobacteria filamentosi: Streptomyces e organismi correlati a

Generi principali: Streptomyces, Actinomyces, Nocardia li attinomi c ti . n un amp io grupp di Ba feria gram -p sitivi fì lam nlo. i e aerobi, fì logen ti amente orr lati ne r-

O H OH Il l l CH 20 -C C-C-C 60 H 120 (0H)

'a-

l ~

C24H49 H

OH

o H

OH

H H OH l l ,~,C- C- C- C60 H120 (0H) 0'/ ~

l

c24H49 Figura 15.33 Struttura del fattore cordaie, un glicolipide micobatterico corrispondente al 6,6' - di-o- micolil trea losio. Le due catene identiche a catena lunga recanti ciascuna due funzioni alcoliche sono evidenziate in viola .

Figura 15.34 Nocardia . Giovane colonia appartenente a un attinomicete del genere Nocardia , mostrante la t ipica conformazione cellulare filamentosa (pseudomicelio) . Ciascun fi lamento ha un diametro di circa 0,8-1 J.Lm .

CAPITOLO 15 •

DIVERSITÀ NELL ' AMBITO DEl BACTERIA

529

(a)

Fase di crescita

Ripiegamento dell'apice

Ripartizione dell'apice in volute

lspessimento Spore della parete mature delle cellule e formazione dei setti divisori

Figura 15.36 Formazione delle spore in Streptomyces. Diagramma degli stadi di conversione di una pseudoifa aerea (sporoforo) in spore (propaguli vegetativi o conidi) . (b)

Figura 15.35 Strutture sporofore diverse relative alle ife sporofore nell'ambito degli actinomiceti . Micrografie a con trasto di fase . Si confrontino le foto con il disegno della Figur 15.37. (a) Tipo monoverticillato di Streptomyces. (b) Streptomyces spirale chiusa. l filamenti sono larghi circa 0,8 IJ..m in entrambi i tipi.

Dritta

Flessuosa

Fascicolata

Monoverticillata senza spirali

spe tto 1 l er natura compatta Anse aperte, spirali primitive, uncini

Spirali aperte

Biverticillata senza spirali

m nte

organ ic i .

Spirali chiuse

Monoverticillata con spirali

Biverticillata con spirali

Figura 15.37 Morfologie diverse relative alle ife sporofore nell 'a mbito degli streptomiceti. Una data specie di Streptomyces produce solo un tipo morfologico di ife sporofore. Il termine "vertici llo" sta a indicare "disposizione planare di parti identiche intorno a uno stesso asse".

ttCI e c ll ulari che c n ntono .l ' utilizzazi n di p li a cari d i (am ido, cellul osa ed emicellulo a), di protei ne e di g rassi · al uni ceppi p on u ar co m ub trato carbonioso per la r ci ta nche idro arb uri, li g nina, tan ni ni altri p Jim ri .

530

UNl TA 3 • D l VERSl T A Ml CROBl CA

Antibiotici da Streptomyces

(a)

(b)

Figura 15.38 Streptomiceti. (a) Colonie di Streptomyces e di altri batteri terricoli derivanti dall'inoculazione di una diluizione/ sospensione di suolo su piastre di agar a base di amido-caseina. Le colonie di Streptomyces appaiono di diversi colori (alcune di colore grigio-fumo sono prossime al bordo superiore della piastra) , ma possono essere facilmente identificate grazie a una mortologia opaca, ruvida e compatta. {b) Macrofotografia di colonie di Streptomyces

coe/ico/or.

-

Tabella 15.8 Alcuni principali antibiotici sintetizzati da specie di Streptomyces e Actinobacteria Classe chimica

Nome comune

Prodotto da

Attivo contrd'

Amino licosidì

Streptomlclna

S. gris usb

Gran p rte d i Bactoria gram ne

Sp c!lnomlcina

Str ptomyces sp

Mycob ctenum tub rculosis, c ppi di N issoria gono11h0

trvi ro u tori

di penicilhn si

S. frediae

Ampio sp ttro, r solito usato in ap licazioni topiche

S. aureofsclens

Ampro sp ttro, B cl ria r m- o illvr claml re micopl smi

Clorotetraciclina

S. aureofaciens

Come

Eritromicina

Saccharopolyspora erythraea

Gran parte der batteri L ion Ila

Clind mlcina

S. ltncolnensis

Attivo contro li an ro r obblr ti, peci lm nto Baci roid s fr. g1Jis l pr rncrp le causa delle rnf zronr p ntoneah anaero ict1e

Nistatina

S. noursei

Fu ghi, specialmente Candida (un li vrto)

Anfoterlcina 8

S. nodosus

Funghi

Cloramfenicolo

S. venezue/ae

Ampro p ttro; pr f rito

Neomiclna Tetracicllne

M crolidi

Polieni

Nessuna

etracìclina

1

gr m-n

us della su

:::;:::=:::......;:_.::::::;:

atrvi, rìckettsie,

tetracrclin

--------------------

l re bre tifoide

•Gran parte degli antibiotici sono attivi nei confronti di un certo numero di differenti Bacteria. l nomi indicati nella colonna si riferiscono alle comuni applicazioni cliniche dell'antibiotico in questione. ~>Tutti i nomi di genere con la ·s." sono specie di Streptomyces.

CAPITOLO 15 •

DIVERSITA NUL'AMBITO Dfl BACTFRIA

531

l

l (a)

(b)

Fig ura 15.39 Antibiotici da Streptomyces. (a) Azione antibiotica di microrganismi del suolo su una piastra completamente invasa da una variegata crescita microbica. Le colonie più piccole circondate da zone di inibizione (frecce) appartengono a streptomiceti; le colonie più grandi a crescita diffusa corrispondono a specie di Baci//us: alcune producono anch'esse antibiotici. {b) L'antibiotico colorato di rosso undecilprodigiosina in fase di escrezione da parte di colonie di S. coelico/or.

gani mi mp tit n 1n c nditi ni limitanti di c n ntirebb agli treptomy es di mpl tar sp rula1.ione con la~ rma1i n di pr pa uli d aum nt, r l pr bi li t di s pra Verifica Mettete a confronto spore e sporulazione in Streptomyces e Bacil/us. • Perché la produzione di antibiotici potrebbe essere un vantaggio per gli streptomiceti?

111 • Bacteroidetes Il ph lum Bacteroidetes co mprende più di 70 spec ie già caratteri11.at , appartenent i a quattr ord ini : Ba ·teroidales,

yrophagales, Fla vobacteriales c

phingobacteriales (Figu-

ra 15.40). I Ba teroidetes . no ba. t ne Il i gram -negati vi n n sp ri g ni, tipi am nte sa ar litici , in grad di respirar ferm ntar . l nclud n aerobi obb-liga ti , aerobi facoltati i e ana r bi obbli ati . La motilit, per sci olam nt (c+.:> Par grafo 2. 18) diffusa in tutt il phylum, an he . molte p ic n n . n mob ili alcune si mu ono per mcao di Oag Ili . Il molto b n . tudi at perch sp ci a . o

Figura 15.40 Principali ordini del phylum Bacteroidetes. L'albero filogenetico è stato costruito sulla base delle sequenze geniche dell'rANA 16S di generi rappresentativi dei Bacteroidetes. l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

Bacteroidetes Sallnibacter Rhodothermus

Sphingobacteria les

Cytophagales

.....--- Chryseobacterium Polaribacter Psychroflexus

Flavobacterlales

Bacteroidales

532

UN l TA 3 •

D l V ERS l T A M l CROB l CA

riconducibili . ono una componente fondamentale dell a omunità mi crobica dell 'apparato digerente umano.

, ma n rari n Ila maggior parte dei batteri. di fìng lipidi i ha in altri gen ri d l phylum Bacreroid te quali le tobacillus, Prevorella , Porphyromona e phingobact

15.13 Bacteroidales Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . .

Genere di riferimento: Bacteroides prattutt p ie fermenBact roides, eh

Qual è il ruolo di Bacteroides thetaiotaomicron nel tratto digestivo dell 'uomo?

15.14 Cytophagales, Flavobacteriales e Sphingobacteriales ri num ri amente dominanti nell 'i nte tino era. uman , p r il quale e. i tono time eh indican cariche pari a 10 10- 1O11 ce llule di pr arioti per gramm di fe i (et.:> Paragrafo 20.6). Le pe ie di Bacteroide po ono tutta i a e . er ca i nalmente patogene e rappre entan i più importanti batteri anaerobi a. . o iati a infe.doni umane c me la batter mi a ( ontami nazion batterica del sangu ). Bacteroides thetaioraomicron una delle più imp rtan ti pe ie n ll 'ambit del g n re tra qu Ile pr . enti nel lume dell ' int stino crass cd sp cialiaata nell a degrada1i ne di poli ·accaridi compl es. i. a maggior parte del suo genoma codifìca per gli enzimi nece. sari a degradare i poli saccaridi. a li versità e il numer di geni riconducibili al metab li. mo dei carboidrati , co ·ì c me ri ultan dall'anali. i del g nom , uperano di molto quelli ri scontrabili in altre . pecie batteriche. B. theraiotaomicron pr duce molti ent.imi che n n on di fìcati dal genoma um ano, rendendo co ì p . ibile un en ibil allargam nt della diver. ità di poli meri egetali che po ess re d gradati nel tratt digesti d Il ' uom . L p ic di Bacteroides . on peculiari in ragi n d l fatto che rappresentano uno dei po hi gruppi di batteri in grad di . intetizzar un tipo special di lipidi chi amati sfingolipidi (Figura 15.41 ). u . ti lipidi pre. ntano una truttura in ui la . fingo ina, un aminoa lco l a lunga catena, ritorre in sostitut.i ne del glicerolo. li sfìn golipidi quali la stìngomielina, i c r br . idi i gangli sidi . no co muni nei te .. uti d i m a mmi~ ri, soprattutto nel ccr eli in altri te uti d l iH l H- C - OH l H- C - OH l H- C - OH l H (a)

(b)

Figura 15.41 Sfingolipidi. Confronto tra (a) glicerolo e (b) sfingosina. Negli sfingolipidi, caratteristici delle specie di Bacteroides, la sfingosina è l'alcol che partecipa alla formazione dei legami estere; un acido grasso si lega con legame ammidico all'atomo di N (mostrato in rosso) mentre al gruppo terminale - OH (mostrato in verde) possono legarsi con legame estere vari tipi di composti, compresa la fosfatid ilcolina (sfingomielina) , e vari zuccheri (cerebrosidi e gangliosidi).

CA Pl TOL O 1 5 •

A lcune . pe ie di ytopha >a n pat gen p r i p p sono cau ar eri problemi all 'indu tria dell'ali amento ittico. Due delle patologie più imp rtanti . ono la malallia colmmare, cau ata da ytophaga co/umnari , e la malattia delle acque fredde, cau ata da ytophaga p ycrophila. ntramb le mal atti colpi cono preferenLialm ntc i p . ci tto tr come qu Ili che vivon in acque che ricevono cari hi inqui nanti ov ro i vono in ambi nti confinati a el va ta d n. ità di indi idui c m gli in ubat ri p r a anotti e l va he p r acquac !tura. I p i infetti mo. tran deg n raLi ne ti utale. sopraltutto int rno alle branchi , a. cri i bi le alla probabi le att ivit pr teolitica di ytophaga.

F/avobacteriales e Sphingobacteriales

Dl VERS l TA NEL L ' A M B l TO DEl 8 A C TERl A

533

~

;;;..:;________.I (a)

l l

(b)

· imi li a

Figura 15.42 Cytophaga e Sporocytophaga. (a) Striscio di un ceppo marino agarolitico di Cytophaga idrolizzante agar in piastra Petri. (b) Colonie di Sporocytophaga sviluppatesi su carta da filtro seminata con piccoli aggregati di suolo. Si notino le zone di chiarificazione (frecce) dove la cellulosa è stata degradata. (c) Micrografia a contrasto di fase di cellule di Cytophaga hutchinsonii cresciute su carta da filtro (le cellule hanno un diametro di circa 1,5 ~m). (d) Micrografia a contrasto di fase di cellule bastoncellari e sferiche di Sporocytophaga myxococcoides (le cellule hanno un diametro di circa 0,5 IJ.m e le microcisti misurano circa 1,5 IJ.m). Sebbene le microcisti di Sporocytophaga siano solo leggermente più tolleranti al calore delle cellule vegetative, esse sono estremamente resistenti al disseccamento e aiutano perciò l'organismo a sopravvivere nel suolo durante i periodi di siccità.

534

UNl T À 3 • D l VERS l T À Ml CROB l CA

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . Descrivete un metodo per l'isolamento delle specie di Cytophaga Quali caratteristiche sono condivise dai generi Cytophaga e Bacteroides e quali costituiscono invece elemento di distinzione?

IV • Chlamydiae, Planctomycetes e Verrucomicrobia T phyla

hlamidiae, Planctomyc t

Verrucomicrobia

n-

Le clamidi . n tipi i hi di pie l dim n i ni , n un diametro di circa 0,5 IJ.m , e che mostrano un ciclo di s iluppo peculiare. om in molti para iti e im i nti obb li g ti, i h/amydiae . n a ai rid tti , c n dimen. i ni g n mi d Il che ariano da 550 a l 000 kpb (~+' Paragrafo 6.4).

Ciclo vitale di Chlamydia

15.15 Chlamydiae Generi principali: Chlamydia, Chlamydophila, Parachlamydia hlamydiae c mpr nde un ol h/amyint r phy lum mpr n para ttt llul ari obbligati di organi mi ucarioti . I nfatti, l g n per l ' u m ian tat dettagliatament caratterizzate, il phylum annov ra div r p ci eh int ragi no con un ' ampia ari tà di o piti u arioti.

Il phylum

dia/e .

Planctomycetes .-----lsosphaera Planctomyces '----Gemmata '-----Biastoplrel/ula

Planctomycetales

Brocadiales

Verrucomicrobia Prosthecobacter Verrucomicrobium

Verrucomìcrobìates

Importanti generi di Chlamydiae a-

Opitutales

Chlamydiae Chlamydophila Chlamydia Parachlamydia

Chlamydiales

Figura 15.43 Principali ordini di Chlamydiae, Planctomycetes e Verrucomicrobia. L'albero filogenetico

è stato costruito grazie all'analisi delle sequenze geniche dell 'rANA 16S di generi rappresentativi di Chlamydiae, Planctomycetes e Verrucomicrobia. l nomi degli ordini sono riportati in neretto.

di rR

CAP l TOL O 1 5

Rilascio dei corpi elementari

'

...... •

•

O l V E RS l T A N EL L ' A M 8 l T O D E l 8 A C rE Rl A

535

•.,. Corpi elementari

-"' "·

;

/ Corpo elementare

~

~IIIIIP'

•

l corpi elementari attaccano una cellula ospite. Corpo reticolato Moltiplicazione dei corpi reticolati

Conversione a corpo reticolato (a)

(b)

Figura 15.44 Cic lo di infezione di una clamidia. (a) Rappresentazione diagrammatica del ciclo: l'intero ciclo dura circa 48 ore. (b) Infezione umana da clamid ia. l corpi elementari (- 0,3 IJ.m di diametro) rappresentano la forma infettiva mentre i corpi reticolati (- 1 IJ.m di diametro) costituiscono la forma vegetativa deputata al la moltiplicazione cellulare. Una cellu la infetta da epitelio di tuba di Falloppio è in procinto di esplodere, con conseguente rilascio di corpi elementari maturi.

nn ato pr epiti naturali di

Caratteristiche molecolari e metaboliche Le clamidie no tra i Ba feria m n dotati dal punt di i ta biochimi c . l gen mi di qu ti micr rgani mi n in fatti di circa l pb e appa i n piu lim itati dal punt di vi ta biosintet ico di quelli delle rickett. ie, l 'altro grupp n ciuto di Bacteria para. i ti intrac llul ari obbl iga ti (Paragrafo 15.1 ). intere. sant n tare come il genoma di . trachomatis manchi del gene eh codifica p r la prot in a Ft Z, una pr tein a chiave nella formazi n del tto durante la di i ion cellul are (et.:> Paragrafo 5.2), ritenut indi pen ab il e per la re cita di

l

a:

j Figura 15.45 Chlamydia . Micrografia di sezione sottile di un corpo reticolato in divisione di Chlamydia psittaci in una coltura tissutale di topo. Una singola cellula di clamidia ha un diametro di circa 1 IJ.m.

536

l N l TA l

•

D l v E Asl A M l c Ao 8 c A T

~

Verifica

• In che cosa sono simili Chlamydia e Mycoplasma (Paragrafo 15.9) e in che cosa differiscono? • Qual è la differenza tra un corpo elementare e un corpo reticolato?

--

--

15.16 Planctomvcetes Generi principali: P/anctomyces, 8/astopire//ula, Gemmata, Brocadia Il ph ylum dei Planctomycetes c mprcndc di vcr. i batteri con morfolog ia af fa tto pec uli are, ri conducibi li a du e ordini : Planctomycetales e Brocadiales ( Fi gura 15.43). l Plancwmycetes sono batteri gram-ncga ti vi, molti dei qu ali . i di vidono per gcmm at.ione. pes. o po iedono p d un coli o app ndi i, c n un arrangiament dell e ce llul e in r sette. l Planctomycete on in. o liti tra i batteri poiché la parete cellul ar non po.. ied il p ptidogli an , ma arattcrizzata dall a prcsc n;.a dell o . trato (c!p Paragrafo 2. 12). me ci si asp tta da un organi smo che non p ss i de p ptid glicano, qu sti ba tteri sono res ist nti ag li antibi tici me la p ni cilli na c la cefalospori na eh inibiscono la sintes i del p ptid glicane. n' altra caratteri stica importante dei P/anctomycetes è la freq uente presen;.a di co mpartim enti intracc llul ari che ri cordano gli organelli deg li cucari ti .

mento si c mpatta a formare il nuc leoide comunqu liber n l citoplasma. l Planctomycete on tuttav ia untcl tra LUtti 1 procari oti n ti in qu anto mostran un 'e. t . a co mpartim entali zzazione c llul are che, in alcuni ca i, c mprendc una struttura nucleare racchiu sa da membrana. utti i P/anctomycetes generan o un a struttura cir ndata da un a m mbrana non unitari a. chi amata pirel/ulo oma ; questa struttura c nti ne i l nucl o i de, i riboso mi altri mponenti citopl a. mati ci essen;.i ali . l n al uni Pian tomycete p r , quali p r sempi o il batteri o emmata (Figura 15. 46), il nu cleo id stes o circondato da un " in olucro nu clear ' che consiste di un doppi o strato di membrana, ana l go all ' inlucro nucl are deg li eucarioti . Il D di Gemmata i pr senta tuttav ia nell a form a circo lar co alentem nte hiusa super-avvolta, tipi ca dei proca ri oti (c!p Paragraf 4. ), anch se appare altamente co ndensato e ri sulta separai dal re. to del citopl as ma per mc/ 1.0 di un v r pr pri a membrana unitari a ( igura 15.46). n altro comparti mento intere.. ante l ' anammoxosoma, che si trova nelle sp cie di Brocadiales c mpr nd nti Broatal iaa l' ss idaz i cadia w 1w nmoxidans. uer-to batt ri n anaer bi a dell ' amm ni a ·a ( H 3 ) all ' int rn d ll 'a nammpo ta m x . oma. a membrana d ll 'a nammo s ma da lipidi pe uli ari (i ladderani) h f rm an un in vo lu cr prati ca m nte sigill ato, in grado di prol gger i mpon nti d l citopl as ma dag li interm edi t . sic i prodotti duran te l 'oss idalione anaerobi ca dell ' ammoni aca (c!p Paragraf l .l 0).

Compartimentalizzazione nei Planctomycetes el arag rafo 1.2 sono state di. cusse le prin ipali diff ren;.c . truttu ra li tra cellule pr ari ote ed eucari ote. In pani ·olare, gli eu ari oti pos ied n un nucl o racc hius da un a m mbrana. m ntr n i proca ri oti il D va inc ntr a . up r-a vo lgi-

Planctomyces Plancromvces i l g nere meg li ctomyceres. cl Paragra o 14.2 1 batt ri p dun olat au/obacrer. ·tomyce s n p duncolatc (Figura di aulobacter il p dun l compo. t

in qu . to prot in non prese nta par ete c llul are e citopl a. ma (s i nfrontino l igure 15.47 e 14.57). Il p dun ol dell . p ci di Planctomyces serv pr babilment p r l 'ad . ione alle uperfì ci; ha tuttav ia un a struuura molto più so ttil e e del i ata ri -

Fig ura 15.40 Gemmata: un batterio nucleato. Micrografia elettron ica di una sezione sottile di una cellu la di Gemmata obscuriglobus che mostra il nucleoide circondato dall 'involucro nucleare. La cellula ha un diametro di circa 1,5 J..l. m.

Fig ura 15.47 Planctomyces maris. Micrografia elettronica a trasmissione con ombreggiatura metallica. Una singola cellula è lunga circa 1- 1,5 JJ.m. Si noti la natura fibrillare del peduncolo. l pili sono abbondanti. Si notino anche i flagelli (appendici curvate) su ciascuna cellula e la gemma che si sta sviluppando dal polo non peduncolato di una cellula.

CAPITOLO l'i

spetto al pedun olo prostecale di cwlobacter. nal gamente un a Ca u/obacter (c!~ igur 7.26 e 14.57), Planctomyce balle ri a gemmante c n un pr i. ici vita! . llul di questo batteri dotate di motilit, ci am ante aderi c n a un a superfi cie, formando un pedunco lo a partire dal punt di attacco e generando per gemma1.ion una nu va llula al p lo diametralmente oppo. to . a cellula fi gli a pr duce un flagell c si stacca dalla ce llula madre, dando ini1.io a un nu ov i lo. Da un punt di vista fì . iolog ic , l sp ci di Planctomyce. sono acrobi c faco ltati , chemiorganotrofe, con possibilità di cresc ita . ia medi ante r spiral.i one sia attraverso fcrmentaLionc degli t.ucchcri . primari amente quell o ac' habitat dci P/anctomyces quati co, . ia di acqua dol ce sia marin . Il g n re 1.1osphaera è. per ese mpio, un batteri o lì lam nt s stri sc iante ri corrente ne ll e sorgenti termali cald . L ' i: olamcnto di Pian ·romyce.1· c batteri . imili , c me nel caso di aulobacter, ri hiede t rreni di luiti . Inoltre poi h tuili i m mbri n ti di qu sto gruppo manca n del p ptid gli cano, l'arri c himent pu css re reso ancora più s letti o medi ant l 'aggiunta di p ni illin a nel mcti.O di altura. Verifica Come differisce il peduncolo di Planctomyces da quello di Caulobacter? Cosa c'è di inusuale nel batterio Gemmata?

15.17 Verrucomicrobia Generi principali: Verrucomicrobium, Prosthecobacter II ph lum errucomicrobia mpr nd almcn quattro ord ini con . p i a ggi b n araueriuat , la ma gior parte delle quali apparti ne c munqu all ' rdine Verrucomicrobia/es (Figura 15.43 ). c sp ci e di errucomicrobia . ono aerobi o aerobi faco ltati e, capaci di ferm entare gli .lU cheri . 'cc tion rappre. ntata dal gener Methy/acidophilum eh annov ra baucri mctanotrofì aer bi (r::!~ Paragrafo 14. 17). Inoltre, alcuni errucomi robia f rm an a.. ia1.i ni . imbioti che c n i pr ti siti . l Verrucomicrobia son a. sai diffu i in natu ra, d col ni znno ambienti marini e di acqua dolce, c ì come ambi enti forestali e terreni agri coli . l Verrucomicrobia poss n aver struuur intra cllul ari rac hiu. e da membrana si mi li a quel! eh i trova no nei Planctomycetes. arm ano inoltr tipiche appendi ci citopl as matiche chi amate prostechc (c!~ Paragrafo 14.2 1) e co ndi vid n c n gl i altri baueri pr stecati la present.a di peptidog li canq n Ila par te baueri ca, caraucri sti ca qu esta che li distingu dai Plancromyceres.

•

DIVHC::ITA N~ll AMBITO D~

BACTERIA

537

Figura 15.48 Verrucomicrobium spinosum. Micrografia elettronica a trasmissione in colorazione negativa. Si notino le prosteche spinose. Una cellula misura circa 1 f.l.m.

l gen ri Verrucomicrobiwn e Prosthecobacter prod u on due o più pros tcchc per cellul a (Figura 15.48). diff renta di au /obacter (c!~ igur 7.26 e 14.57), eh m stra una singola pros tcca c for ma c llul nag Il ate natanti n n prosteca te, errucom icrobium e Prosthecobacter si di id n in modo simmetrico e, al momento dell a div isi n llul ar , sia la ce llul a madre sia la ce llu la figli a cvid nti ano la pr . enza di pro. tech . Il nome del gener erru omicrobium d ri va da una radice greca eh signifi a " di a. p Il re", capa e di descri cr in m do appropri ato le errucomi robium spinosum d tal di pr . t h ( igura l .4 ). L sp cie del gcn re Prosthecoba ·ter nt ng n geni che hanno un 'om Iogia signifi ca ti a con qu Ili h fi cano per la tubu lina nelle ellule eu ari t . a tu ulin pr teina chi a e c in vo lta nell a r rmat.ione del it . h l tr nell a ce llula cuca ri t (r::!~ Paragrafo 2.22). ebb ne la pr t in a dell a di visione c llular tsZ (r::!~ Paragraf 5.2) rappre. enti anch'e. sa un om l go dell a tubulin a, I pr t in di Prosthecobacrer so n strutturalmente più imi li alla tubul i na deg li eucarioti che non a FtsZ. Il ruolo delle tubuline in Prosrhecobacrer sconosc iuto, in quant n n stata ri s ntrata in qu sti baucri una struttura ricondu ibil al cit s heletr deg li eucarioti . Verifica ~ • Descrivete due caratteristiche che differenziano i Verrucomicrobia dai Planctomycetes.

V • Bacteria ipertermofili T re phy la di batt ri ip rtermofì l i i ongiung n in pr f ndità, giC1 lungo l 'albero fì logen ti co d i Bacterio, in pr ssimità d Ila radi e dell o stess (Figura l .l ). ia. cun gruppo con i t di uno o due generi pr incipali e la caratt ri tica fìsiol gica chi av di gran parte dell e spec ie a .. i a. ri ibili

l ' ipert rm fili a: res ita ttimale i a temp ratu re superi ori ag li (r::!~ Pa rag ra fo5. 1 3). l ni1.i am co n l 'a nalisi dci generi Thermotoga e Th ermodesulfobacterium, ognuno rappre entati vo dell a propri a linea fìl eti a.

oo

Legame etere CH 3

•

H2C

i

l

Paragrafo 14. 15), com une nelle acq ue acide di drenaggio dell miniere di carbone e ferro (et;> Parag rafo 2 1. 1). l phyla Deferribactere.\ e hrysiogeneres ( igura 15. 1) comprendono chemiorganotrofì anaerobi che mostrano una considerevole diversità metabolica riguardo agli accettori di elettroni utili7!ati nella respiratione anaerob ica ( api tolo 13). La maggior parte delle specie, se non tutte. so no in grado di crescere respirando anaerobicamente il nitrato a ni trito ovvero ad ammoni o. Il gruppo Deferribacteres prende il nome da Deferribacter. un fe rro-riduttore dissimilativo termofi lo (et;> Paragrafi 13.2 1 e 14. 14) che pu anche ridurre nitrato e ossidi di metalli. Cem •ihrio è un genere aflì ne che può crescere anche sfruttando lo 1.olf elementare (et;> Paragrafo 14.1 0) come accettore finale di elettron i. Il batterio hrysiogenes arsenatis e le specie affini sono importanti per la capacità di accoppiare l' .. idaz ione dell'acetato e di alcuni altri composti organici all a riduLione dell'ar. enato, come accettore terminale di elettroni , con formatione di arsenito. Oltre all 'ar. enato, molte specie di hrysiogenetes possono ridu1Te selenato, nitrito, nitrato, tiosolfato e 1.0lfo elementare mediante respira1.ione anaerob ica (et;> Paragrafo 13.21 ).

Synergistetes, Fusobacteria, Fibrobacteres l phyla ynergistetes, Fusobacteria e Fibrobacteres contengono poche specie già caratterinate ( igura 15.1 b), ma quelle ottenute in oltura adottano un metab li. mo fermentativo. Le specie di questo gruppo sono pesso ritrovate nel tratto gastrointestinale di animali e alcune sono state anche associate a patologic umane. Le . pecie compre. e nei ynergisreres ono bast ncelli gram- negat ivi che vivono in as. ocia1.ione c n animali e in ambienti anos ici terre. tri e marini. i tratta di anaerobi obbligati che degradano le proteine e ono capac i di fermen tare gli aminoacidi. pesso . i ritrovan n l tratto i~t es tinal e di animali, come ynergistes jonesii he abita nel ruminc degli erbivori. ell 'uomo, le specie di ynergistetes sono state as-

sociate a certi tipi di ferite e asce i de l tes uto m Ile, all a plac a dentale e a pato logie par d ntali . l Fusobacteria so no ba. tonce lli gram-negativi non sp rigeni che vivono nei . edl menti ma i ritrovano anche nel istema gastrointest in ale e nella cav ità ral di anima li. l Fusobacteria sono anaerobi obb ligati che attuano la fermentaLion di carboidrati , peptidi e aminoacidi. Le . pecie del genere Fusobacterium sono componenti comuni del mi crobiota uman . ricorrendo c me co loni1.1.atori delle membrane della mu c a. Un cero num ro di . pecie pu insediar. i nella cavità ora le, nel tratto gastroin te tina le e nell a vagina. Fusobacteriu111 nucleatum ri corre spesso nelle fe sure gengivali della cavità orale dell 'uomo. lcu ni fusobatteri possono es. ere patoge ni F. 1111cleatum è frequente in pa1.ienti he . ffrono di malatti parodontali. ri bosomale 16 fronte del fatto che i geni dell' rR dei Fibrobacteres possono e. sere re uperat i da variati ambienti, le uniche spec ie carauerizzate s n state isolate dal rumine o dal trallo gastroi ntestinale di anima li. Il genere Fibrobacter comprende anaerobi . tretti fermentanti , gram-negati vi. Tuttavia, al con trario della maggior parte dei Fusobacteria dei YllerRistetes, le specie di Fihrobacter non sono in grad di fermentare proteine o aminoacidi; . ono in vece peci a lizzate nella fermenta7ione di carb idrati, tra ui la cellulosa. l rumine. la ce llulosa rappresenta la fonte princ ipa le di energia; in un ambiente simile, que to substrato pu gara ntire la ere ita non solo di batteri cellu loso litici come Fibrobacter, ben ì quella di molti altri anaerobi non ce llulo. olitici che utiliuan il gluco. io rilasciato durante la degradazione del p li. accarid in que. tione. Verifica • Qual è l'habitat principale di molte specie appartenenti agi~ Acidobacteria? • In che cosa differiscono Nitrospira e Deferribacter in termini di stile di vita e metabolismo? Quali caratteristiche metaboliche sono condivise dalla maggior parte dei Synergistetes, Fusobacteria e Fibrobacteres, e quali malattie umane sono state correlate alla presenza di Synergistetes e Fusobacteria?

CONCETTI FONDAMENTALI 15.1 •

Gli ,\lpltopmtt'o/lo!'tl'l'w

\Oilo p\!1

ampic;ta la \ ·onda

da-,-,· d 'l Pmtco/)(IC!Nia c '>Ono mcl aholica m •n t' di \Cr\1 tra l ro. Gcn 11 n : Burkholdi'IHI, Rhodocyc/u\ . 1 l'tiir• torin hanno profondamente influenzato il nostro pianeta, preso il suo cl1ma. Un esempio v1ene dall'ArtiCO, dove il e gelato come permafrost. Il perm frost può estenper oltre 100 metri 1n profondità e rappresenta il 25% suoli della Terra. All 'in terno del permafrost è immagazun'enorme mass di carbon1o organico, la maggior del q le è bloccato nel ghiaccio da oltre 20000 anni. questo ghiaccio inizia a sc1ogliersi e il risultato potrebbe conseguenze globali. Il Panel of Cl1mate Change (gruppo di esperti de1 cambianti climatici) intergovernativo prevede che le temperature tiche aumenteranno di 7 C entro il2100. Quando il permaSI scioglie dà origine a zone umide che sono importanti per gl1 Archaea che producono metano (metanogeni). metano e un gas serr con un potenziale di riscaldamen25 volte più potente del C0 2 . Quindi, se il riscaldamento .!l'Artico continua al ntmo attuale, molto più carbonio del .rmafrost potrebbe essere convertilO in metano, acceleranin modo significativo il cambiamento climatico globale. A Stordalen Mire, nel nord della Svezia, i microbiologi anno stud1ando i metanogeni nel permafrost scongelato 1• or intrappolare e misur re il metano prodotto nelle zone LJmido che hanno sostituito il permafrost scongelato sono ate apposite camere (fotografia). La fonte della maggior parte del metano è risultata essere un nuovo metanogeno, Methanoflorens stordalenm1rensis, che cresce rapidamente l permafrost scongelato. M. stordalenmirensis rappresena un nuovo ord1ne di metanogeni in precedenza chiamato Rice Cluster Il". Questi metanogeni sono presenti nelle zone umide in tutto il mondo, ma M. stordalenmirensis è la specie caratterizzata per prima appartenente alla nuova famiglia tas sonomica: le Methanoflorentaceae. Oltre agli impatti dell'uomo sul clima, il futuro controllo del cam biamento climatico globale potrebbe dipendere in modo sostanziale da ciò che viene scoperto sull'ecologia della metanogenesi grazie a M. stordalenmirensis. 1Mondav. R. et al. 2012. Mlcro tal

yn mtcs tn a thawtng worl : Ltnktng f"\tcrobial cornmuntlt s o tncreased methane flux. Proc. 14th /nt. Symp. icrobial Ecology, Copenhagen. Denmark.

l Euryarchaeota 546 Il Thaumarchaeota, Nanoarchaeota e Korarchaeota 557 111 Crenarchaeota 561 IV Evoluzione e vita alle alte temperature 568

546

U Nl T À 3 •

Euryarchaeota

D l V ERS l T À M l CR OB l C A

Nanoarchaeota

Korarchaeota

Crenarchaeota

Thaumarchaeot

Halobacterium

Nitrosopum•lus

Desulfurococcus

Thermoproteus

Figura 16.1

Albero filogenetico dettagliato degli Archaea basato sul confronto delle proteine ribosomali dei genomi sequenziati. Ognuno dei cinque phyla di Archaea è indicato in un colore diverso. l Korarchaeota e i Nanoarchaeota sono rappresentati ognuno da una singola specie conosciuta.

Prend rem ra in n. id razi n gli rgani mi del d mini rchaea. La Figura 16.1 mo. tra un alb r fi logen ti d gli rchaea. L 'aJber , ba at ul nfronto d Il . qu nz d Ile pr teine rib mali, ri eia m lti phyla he mpr nd n

n l ' . sida?i n d ll 'amm -

Euryarchaeola , r nar haeola , Thawnar haeota , Koraranoarchaeota . ' ntenat att di qu ti gruppi chaeota rimane una que ti ne ntr ver a, gli alb ri fil g n tici ostruiti dalle sequenze di geni dcii'R ribosoma le 16 on . pesso in conOitto con quelli realin:ati utiliaando altri lo i genomici (per esempio, si onfrontin l igure 12. 13 e 16. 1). La ~ Loria evolutiva degli rchaea an tica e compi ssa, e co invol ge il trasferim ento g nico oriu.onta lc all'interno e tra phyla. ralli comuni condivi . i da tutti gli rchaea comprendono i lipidi di membrana formanti legaJme et re con il glicerolo, la mancanza di p ptid glicano nelle par ti cellulari ( apitolo 2) e le R polimerasi strutturalmente c mplesse, che assomigliano a quelle degli Eukarya (~.:> Fi gura 4.21 ). Ma al di là di questo, gli Archaea mostrano un 'enorm di versità fenotipica . li Arclwea includono spe ie che effe ttu ano metabolismi di tipo chemi rganotrofo c chemiolitotrof e so no comuni spcci sia aerobiche sia anaerobiche (riassunte più a ant i nella abella 16.6). a chcmiorganotrofia è molto diffusa tra gli rchaea, c sono comuni la ~ rmcnta;.ione e la respira;.ione anaerobica. nche la chemiolitotrofia b n c nso lidata tra gli rchaea, con H 2 come normale d natore di

l • Euryarchaeota li urya rchaeora co mprendono un gruppo filogcnetic ampio e di ers itìcato di Archaea . Questo phylum include i metanogeni così come molti generi di Archaea alofi li estr mi

(ama nti d l al ). Dali . tudi del l gi l differenze tra que ti gruppi n n l li . l m lan i più lreui anaer bi bbligati, mentr gli al fi li

CA Pl T OL O 1 6 •

Dl VERSl T À N Fl l 'A MB l T O DEGL l A RCHA EA

estremi on pr valent ment a r bi obb ligati. n altr gruppo di uryarchaeota include gli ipert rmofi li Thermo o cus e Pyrococcu , il metan g no iperterm fil M thanopyru l'organi mo privo di paret cellulare Thennopla ma, f, nottptcament imi! ai micopla mi (c!;:> Paragrafo l . ). Initierem il no tr tudi d gli uryarcha ota iniziand dagli Archaea al fili .

547

vi ine al punto di aturazione

16.1 Archaea alofili estremi Generi principali: Halobacterium, Haloferax,

irdi

Natronobacterium Gli

rchaea al fili mi,

•

t-

•

---r .

r:

..--

(a)

(c)

Figura '16.2 Habitat ipersalini degli Archaea alofi li. (a) Il braccio nord del Great Salt Lake nello Utah, un lago ipersalino in cui il rapporto ionico è simile a quello dell 'acqua di mare, ma nel quale le concentrazioni assolute degli ioni sono diverse volte maggiori di quelle dell'acqua di mare. li colore verde è principalmente dovuto a cellule

lo ""

(b)

(d)

di cianobatteri e alghe verdi. (b) Veduta aerea, vicino alla baia di San Francisco in California, di una serie di bacini per l'evaporazione dell 'acqua di mare in cui viene preparato il sale marino. Il colore rosso porpora è prevalentemente dovuto alle batterioruberine e alla batteriorodopsina nelle cellule degli aloarchaea. (c) Lago Hamara presso

Wadi El Natroun in Egitto. Una fioritura di aloalcalofili pigmentati sta crescendo in questo lago di soda a pH 10. Si notino i depositi di carbonato di calcio (NaHC03·Na2C0 3 ·2 H20) attorno alle rive. (d) Micrografia elettronica a scansione di batteri alofili, con anche Archaea quadrati presenti in una salina in Spagna.

548

UNl TA 3 • Dl VERS l T A M l CROBl CA

p re

atronobacteriwn, n più ba , c m qu Ile

ni mi e tr mi.

nt inu u a tazza ( igura 16.2d). an h pre nti nei ibi m lt alati , co me certi tipi di i di mare e arne alata di maiale.

Tassonomia e fisiologia degli Archaea alofili estremi

Ambienti ipersalini: chimica e produttività

m-

min anti in un la ip r alin tante, dalla ge l gia e dall e

Bilancio idrico negli alofili estremi in

li re/w a al fili e tremi ri hied n grandi quantità di p r la re ita . tudi d ttag li ati u Halobacterium hann

a+ 1-

CAP 1T OLO l 6 • Dl VERS l TÀ NELL'A MB l TO OEGLI A RCHA EA

549

~Tabella 16.1 Alcuni generi di Archaea alofili estremi Morfologia

Genere

Habitat

Alofili estremi • .r

loboct num

Bastoncelli

H lorubrum

Bas onc Ili

M r Morto; salin

H lobaculum

Bastone Ili

Mar Morto

H

lo~

ra

Disch

pp1a t1t1

(a)

r Morto; salin

H'lloorcula

Dtsch• trregolan

Pozz salate, Deattl V lley, USA; s. !In m, ru '

H lococcus

Coccht

Pesce salato;

H logeometncum

C lllJI p1

S hne solan

l1n

pleomorl H lot myona , loquadratum

G stonc Ili, ovah

Suolo sahno

(b)

~==~~~~~~~~~~

Aloalcalofili

N trono/Jact num

8, s onc 111

N tnnoma

Bil tane ·lh

Lagt11 d1 od al tament ahn1

Gastone 111

Lagh1 d1 soda. sp r ge s;:bb1o

N tronomona

Bas oncolli

l n 111 eh sod'l

N tronococcu

Coccht

Laghi dt socln

Natronorubrurn

Figura 16.3 Micrografie elettroniche di sezioni sottili dell 'a lofilo estremo Ha lobacterium salinarum. La cellula mostra un diametro di circa 0,8 f.l.m. (a) Sezione longitudinale di una cellula in divisione in cui sono evidenti i nucleoldi. {b) Micrografia elettronica a maggiore ingrandimento che mostra la struttura della porzione glicoproteica della parete cellu lare.

bla e la

llul, li a.

Laghtdtso Paragrafo 18.4) specifica per i Thaumarchaeota (cellule verd i). Le cellule blu sono marcate con il DAPI, un colorante per il DNA che marca tutte le cellule. Figura 16. 15

adatt i caldi. ome i l suo o. pi te lgnicoccus, N. equitans cr sce a t mperature dai 70 ai 98 ° , con un ptimur . a 90 ° . I l metabo lismo di anoarclweum non stat c n pl tamente svelato, ma sembra dipe nd r dal suo ospi te per m Il funzioni metab fi che. lgnicoccu.\· è un aut trofo che usa H., c me d natore di elettr ni e 0 ome accettore di l ttr ni così, pr babilmen te, riforni sc di carb nio rgani c tans che, ' l sua vo lta, è incapa ·e di meta li aar H 2 e 0 per produ rr energia e non è ancora n to se gcn ri l ' P da c mp sti tten uti tram it lgnico ·cus, ppur I tt nga dir ttamente da quest' ul timo. 'aspetto della ce llu la di . equitam quell o tipico degli rchaea, con un a par t c llu lar ( ~+' Paragraf 2. 12) eh ric pr c stitu ita da uno strato quell o che s mbra uno spazi peripla. mati c ( igura 16.6b).

(a)

Nanoarchaeum e il suo ospite

559

(b)

Fig ura 16.16 Nanoarchaeum equitans. (a) Micrografia a fluorescenza di cellule di Nanoarchaeum equitans (rosse) adese alle cellule di lgnicoccus (verdi). Le cellule sono state marcate con sonda di acido nucleico specifiche per ciascun organismo con la tecnica FISH {d.:> Paragrafo 18.4) . (b) Micrografia elettronica a trasmissione di una sezione sottile di una cel lula di N. equitans. Si noti la parete cellulare distinta. Le cellule di N. equitans hanno un diametro di circa 0,4 IJ.m. Si noti l'unicità della filogenia di Nanoarchaeum nella Figura 16.1.

560

UN l T A 3 •

D l VERS l T A M l CROB l CA

16.8 Korarchaeota e il "filamento segreto" di Korarchaeota

Genoma di N. equitans

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - Quali aspetti della biologia di Nanoarchaeum equitans io rendono di particolare interesse da un punto di vista evoluzionistico? Perché si può affermare che Nanoarchaeum equitans è un parassita sia per il carbonio sia per l' energia?

CAPITOLO 16 •

DIVERSITA NELL'AMBITO DEGLI ARCHAEA

561

(d)

(b)

Figura 16.17 Korarchaeum cryptofilum . (a) Per identificare la morfologia di Korarchaeota in crescita in una coltura di arricchimento a 85 oc è stata usata l'ibridazione fluorescente in situ (FISH). (b) Immagine a contrasto di fase di filamenti di K. cryptofilum. (c) Un filamento di K. cryptofilum al microscopio elettronico a scansione. (d) Micrografia almicroscopio elettronico a trasmissione dopo colorazione negativa con acetato di urani le della superficie dì un filamento di K. cryptofilum che mostra lo strato S paracristallino (c.t.:> Paragrafo 2.12). l filamenti di K. cryptofilum hanno larghezza di circa 0,17 j.l.m e lunghezza di 15 ~J.m .

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - -..... • Qual è la ragione più probabile del perché Korarchaeum cryptofilum è stato difficile da isolare in coltura pura?

111 • Crenarchaeota , t

renarchaeota

no

u . pra vi er a queste temperature, qu i soli produttori primari in questi ambienti.

16.9 Habitat e metabolismo energetico dei Crenarchaeota gran part un altro. fanghi in a 100 a .

a in habitat

renar ·ha ota i p rt nn fili abitano n h le sorgenti termali . ttomarine, d lle fe ur idr te rm ali . ralt r mo la geologia la microbiologia di que ti habitat n l Paragrafo 19.13. ui so lo n e.. ari notare che l acque sollomarin po . ono ess r molto pii:t ca l d di quelle . up rfìciali, perché l'acqua è ottoposta alla pressione idr . tatica. In effetti, tutti g li ipertermofì li c n temperatur di r scita ottima li sopra ai l 00 ° pr v ngono da sorg n ti ttomarine. u ste ultime includ n rgenti idrot rmali su erfìcia li (2- 10m di profondit ), com quel! a largo d Il c . te dell'isola di ul can in Itali a org nti prof nde (2 00-4000 m di pr ~ ndità) vicino ai entri delle dorsali eaniche ( igura 16.24). Fi nora, gli h bitat pii:t ca ldi n sciuti per i. lare dei procari ti s n le sorgen ti idr t rmali profonde. on p he e cczion i, i renarclweota ip rtermofìli sono nergetico h anaerobi bbligati. Il !or metabolism miorgan trofo o chemi litotrofo (o ntrambi per e. mpio in u/folobu ) l dipendente da di er i donatori accettori di elettroni. L a fermentazi ne rara e gran parte delle strategie bi en rgetiche coinv lgono le respira ioni anaerobi he (Tabella 16.6). 'e n rgia iene cons rvata durante qu . ti proces i re 1iratori mediante lo . t . . mec ani . m genera le diffu. n i batteri: il tra. ~ rimento elettr nic allraver o la mem brana citop lasmatica che porta all a f rm azion di Ltna fot7.a prolon -m trice, eh con ente .l a formazi ne di TP mediante TPa i che trasl can i 1rotoni (~+> aragraf 3.1 l). La classica Fermentazi ne a livello d l ubstrato, una aratteri tica che ntraddistingue i Ba teria fermentali i ( ~+' aragraf 3.7) è scano ci uta tra gl i rchaea.

562

UN l TA 3 •

D l V l RS l f A M l CROB l C A

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 16.18 Habitat terrestri di Archaea ipertermofili: Parco nazionale di Yellowstone (Wyomin g, USA). (a) Una tipica solfatara; il vapore ricco di H2S che risale sulla superficie. (b) Sorgente calda ricca di zolfo, un habitat con popolazioni dense di Sulfolobus. L'acidità delle solfatare e delle sorgenti calde deriva dall'ossidazione di H2 S e S0 a H2S0 4 (acido solforico) da parte di Sulfo/obus e procarioti simili. (c) L'Imperia\ Geyser, una tipica sorgente con acqua in ebollizione a pH neutro. Molte specie diverse di Archaea ipertermofili possono risiedere in un tale habitat. (d) Una sorgente geotermale ricca di ferro, un altro habitat per Sulfolobus; qui l'ossidazione del Fe2 ' a Fe3 + genera acidità.

Molti renarclweota ipertcrmofìli possono crescere chcmioli totrotìcarncntc in condizioni anossiche, con H, come donatore e S0 o 3 come accettori di elcllroni; pochi possono anche ossidare acrobicamcnte l' H2 (Tabella 16.6). !n molti ipertermoli li avviene la rcspirat.ionc dell'H, con i l ferro ferri c (FeH ) come accettore di cleuroni . Altri ~ti li di vita chemiolitotrofa comprendono l'ossidat.ione di 0 e Fc 2 1 acrobicamente o di Fe2+ anacrobicamente con O~ come ace ttor (Tabel la 16.6). È noto so lo un ipe11crmolì lo solfato-riducente (l'euriarchcota Arclweo!-(lohus; Paragrafo 16.5 ). La sola opzione bioenergetica apparentemente impossibile per questo gruppo è la fotosintesi. un mc.ao di produL.ione dell'energia che sembm limitato a temperature inleriori a 74 o ( ·igura 16.28). Verifica • Perché è poco probabile che in sorgenti calde terrestri si trovino ipertermofili con temperature ottimali di crescita maggiori di 100 °C? Quale forma di metabolismo energetico è diffusa tra gli ipertermofili?

16.1 O Crenarchaeota da habitat vulcanici terrestri Generi principali: Sulfolobus, Acidianus, Tl1ermoproteus,

Pyrobacutum La temperatura degli habitat vulcan ici terrestri pu arrivar a l 00 o e sono p rciò ideai i per gli rchaea ipertermotì li. Due organismi fi log neticamenle co1T lati isolati da questi ambienti sono uU'olobus e Acidianus. Qu sti generi forman il corpo centrale di un ordine chiamato ulfolobales (Tabella 16.7). Inoltre, Sulfolobus è stato l' rganismo m del lo per gli studi della biologia molecolare degli Archaea.

Sulfo/obales SuU'olobtts cresce in are termali acide ricche di zolfo (Figura l 6.18) a temperature tino a 90 o e val ridi pH 1-5. Sulfolobus è un chemiolitotrofo aerob i eh ossida H2 o 0 a H2 4

c fissa la

2 come

font di carbonio, ma può anche crescere

CA PIl OL O 1 6 •

563

D l VERS l T A NEL L A M B l TO D EGl l A RCIl At A -

-

Tabella 16.6 Reazioni per la produzione di energia negli Archaea ipertermofili Classe nutrizionale

Tipo di metabolismo 8

Reazione energetica

Thermoproteus, Thermococcus, Desulfurococcus, Thermofllum, Pyrococcus

AnR

Archaeoglobus

AeR

Sulfolobus

+ acicli grassi

AnR

Staphylothermus, Pyrodictium

f e2•

AnR

Pyrodict1um

N~

AnR

Pyrobaculum

AnR

Pyrococcus

Composto org nico

S01 - · H2S

Composto organiCO

02- H20

Composto Orge lliCO - • C02 Composto organico Composto or

nico

112

Generi di esempiob

AnR C02 co2

re3+ -> C02

+ N03 -> C02 +

Pwuvato - • C02 + H2 + acetato

F Chemiolitotrofia H2

AnR

Acidianus, Pyrodrctium, Thermoproteus. Styg1olobus. lgnicoccus

AnR

Pyrobaculum

AnR

Pyrolobus

AnR

Pyrobt:lculum, Pyrodictium, ArchaaogloiJtiS

A R

Acidianus, Sulfolobu , Pyrobt:lculum

2 HP-· 2H2S04

AR

Sulfolobus, Acichanus

+ 2Hp - · 2reS04 + 2H 2S04

AeR

Sulfolobus, Acidianus. Metallosphaera

AnR

Ferroglobus

AnR

ArchAOO(Jfobus

AnR

Methanopvrvs. M tlmnocalctococcus, Methanoi/Jermus

NOj -• N02 + H20 O'N02 viene ridotto N2 da alcune specie)

H2 + H2

+H

03

- · NH:

2r-e'l+ - · 2Fe2+

2H.!

02-

2S0

302

•

2F S2 l 702

+ 2H 20 + OH

+ 2H+

2Hl0

2reco3 + 0 3 + 611p -· 2Fe(OH)3 ... Oi 211C03 + 2H+ + H20

'AnR. respirazione anaerobica; AeR respirazione aerobica; F, fermentazione.

'La maggior parte sono Crenarchaeota. si veda la Figura 16.1.

chemiorganotrofic m nt . e cel iule di ulfo/obus sono quasi sferiche, m conteng no d i l bi di tinti (Figura 16.19a). Le cellule aderi. c n str llam nt ai cristalli di zolfo e si possono vedere al microscopi dopo una preparazione con c l ranti fluorescenti (~.:> igura 13.2 1b). ulfolobus, oltre alla respira; ione aer bica dell z lfo o dei composti organici, può anche ossidare •e 2+ a eH e questa caratteristica è stata attribuita alla lisciviazion a temp ratura elevata di minerali del rame e del f rr (~.:>Paragrafi 20.5 c 2 1. l). n altro aerobio facoltativo simile a ulfolobus vive nell sorgenti su lfuree acid . uesto rgani mo, cidianus ( •igura 16. 19b), din risce signifì ativamentc da Sulfolobus, a causa de lla sua capacità di crescere usando 0 sia ana r bicamente sia aerobicamente. cidianu.s in condizioni anaerobie usa 0 come ace ttor di elettroni con H2 come donatore c forma H., come prodotto fina le. Quindi il metabolismo dello S0 ne lle 'Colture di cidianus dipend dalla pre enza meno dell' 2. me u/folobus, Acidianus è più o meno t'erica, ma non è lobato ( igura 16.19b). resce a t mperatur da 65 ° fino a un massimo di 95 o , con un ptimum di temperatura a circa 90 o • Quindi, come gruppo, Sulfo/obales contiene i più termofili tra tutti gli Archaea altamente acidofili.

Thermoproteales l generi principali dei Thermoproteales sono Thermoproteus, Thermojilum e Pyrobaculum. l generi Thermoproteus e Thermoji/um presentano cellule a forma bast ncellare che si trovano in sorgenti calde neutre o leggermen te acide. Le ce llule di Thermoproteus sono bastoncelli rigidi di circa 0,5 !J.m di diametro, di lunghezza molto variabile, da cellule corte, di 1-2 J.Lm (Figura 16.20a), fino a filamenti lunghi, di 70-80 J.Lm. l filamenti di Thermofilum so no più sottili, di diametro compres tra O, 17 e 0,35 J.Lm, con filamenti lunghi lino a l 00 J.Lm ( · igura 16.20b). ia Thermoproteus sia Thermofilttm sono strettamente anaerobi e sv lg no una respirazione anaerobica basata sull' 0 (Tabella 16.6). La magg ior parte degli isolati di Thermoproteus può crescere chemiolit trolìcamentc su H 2 o chemiorgan tr fìcamente su substrati carboniosi complessi. come e. tratto di lievito, piccoli peptidi, amido. glucosio, etanolo,il malato, fumarato o formiato (Tabella 16.6). Pyrobaculum (Figura 16.20c) è un ipertermofì lo bastoncellar , ma fisiologicamente distinto dagli altri Thennoprotea/es poiché alcune specie di Pyrobaculum posso no respirare aerobicamente. omunque, Pyrobaculum può anche ere. cere mediante la respirazione anaerobica con 0 1 , FcH o S0 come

564

UNl TA 3 •

Dl VERSl T A M l CROBl CA

Tabella 16.7 Caratteristiche di alcuni Crenarchaeota ipertermofili Temperatura Ordinelgenere

0

Relazione con /'02b

Morfologia

Minimo

Ottimo

Massimo

Ottimo di pH

Sulfolobales

Ae

55

75

87

2·3

Cocco

F c

60

88

5

2

Cocco

A

50

75

80

2

An

75

80

8

3

Sulfolobus

Cocco lo

Acidianus Metallospll

ra

to

Styg10iobus

Cocco lo

Sulfuflsph Paragrafo 10.2). Questo composto c al tri soluti compatibili, come il di -myo-inositolo fosfato di potassio. che prot gge dagli stre!>s osmotici, c le poliarnine putrcscina e spcrmidina, che stabili;-

Figura 16.27 !stoni e nucleosomi degli Archaea. Micrografia elettronica del DNA plasrnidico linearizzato awolto attorno a copie dell'istone Hmf (dal nome dell'ipetermofilo metanogeno Methanothermus fervidus) che formano delle strutture nucleosomiche sferoidali colorate in nero (frecce). Si confronti questa micrografia con la raffigurazione artistica degli istoni e dei nucleosomi degli eucarioti mostrata nella Figura 2.61 b.

L:ano sia i ribo. orni sia gli ac idi nucleici ad al ta temperatura, aiutano a mantenere nel la loro forma attiva le macromolec le chiave della cellula negli ip rtermotili. na proteina unica pr se nte solo negli ipertermofìli è responsa?ile d Ila stabilità del D di questi organi. mi . utti gl i ipcrterm fili producono un a speciale D topoisomerasi. chiamata D gira 1 m r a. Questo cnt.ima introduc supera vo lgi menti positivi (con caric he positive) del D degli ipcrt rmofili (al contrario dei supera volgi men ti negati vi introdotti dalla D girasi presente in tutti gli al tri procarioti; ~+> Paragrafo 4.4). Il supcravvolgimento po~it i vo stabiliua il D al calore c pr viene qu indi che l'e l ica del D ~ i svolga spontaneamente. ' significativo riscontrare che la D girasi inversa è assente n i procariot i la cui temperatu ra ottima le c al di solto degli O o ra fTort.a l'ipotesi che quc~ t cn; ima abbia un ruolo specifico nella stabi l ità del D ali alte tcmpcralUrc. lcun specie di uryarclweota con tengono anche dcii proteine leganti il D molto basiche (caric he positi amente) che sono particolarmente simili nelle scqucn;e degli am inoacidi e n Ile caraueristic he di ripi egamcnto al nucleo degli istoni degli Eukarya (c!+> igura 2.6 1). li istoni dcll'archea metanogcno ip rtcrm filo Methanoth ennus fen•idus ( igu ra 16.7c) sono stati particolarmente studiati. ueste protein avvolgono c compauano il D in struttu re nuclcosoma-s imili (Figura 16.27) c mantengono il D nella forma a doppio filamento a temperalUre molto al te. li iMoni si ritro an in molti uryarchaeota, inclusi gl i Arclwea alofi li estrem i, come Halobacterium. ornunquc, poiché gli alofili estremi non sono termofili. gli istoni negli rchaea poss n a ere , in particolare nel c altre fun;ioni oltre la stabilità del D adiuvare l'espressione genica aprendo l 'elica per permcllcre alle proteine transcrit.ionali di legarsi .

Stabilità deii'RNA ribosomale e dei lipidi ome 'ii sono adalla ti al le alte temperature i lipidi e i l meccanismo del la sintesi protcica degli ipcrtermofì li? irtualmen te tutti gli Archaea ipertcrmofìli sintct iuano lipidi del tipo dibifì tanil tetra etere (~+> Paragrafo 2.7). ucMi lipidi sono nalllralmcntc resistenti al calore, in quanto le unità di fitani l che formano ciascuna metà del la struuura di membrana ~ono legate covalcntcmente l'una all 'a ltra; questo produce un a membrana lipidica 1110/lostratificalll, invece del normale doppio strato lipidico (~+> igura 2.17). Qu sta struuura r sistc alla tendcn;a del calore di separare un doppio strato lipidic formato da acid i gras si o catene lat ra l i di fìtani le che non \Ono legate covalcntcmcn te. n argomento finale sug l i adauamenti molecolari della vita alle alte temperature c la composiz ione in ba i degli R ribosomali. li R riboso mal i (rR ) so no co mponenti \truuurali c funt.ionali chiave d l ribosoma, l'apparato cellulare per la sintesi protcica (~+> Paragrafo 4. 13). e specie ipertcrmofìlc sia nei batteri sia neg li rclwea presentano un contenuto in basi maggiore anche del 15 % o più nei loro R dell a subuni tà minore ri spello ag li orga nism i che crescono a temp rawrc più basse. e copp ie di bas i f rmano tre legami idr geno, rispetto ai due delle copp i (~+> Figura 4.2); i l maggiore con tenu to in deii' R

CAP ITOLO 1f •

dovrebbe quindi c nf rir una maggior tabil ità termi a ai ribo orni di que ti organi mi quindi aiutare la inte i pr teica ad alte temperature. l co ntrario, ri petto ag li RN ribosomali, il contenuto in del D genomico degli ipertermofì li è piutto to ba o, uggerendo h la tabi lit termica dell' rR po a e ere un fattore particolarmente ignificativo per la vita in cond izioni ipertermofile.

DIVfRSITA NELL ' AMBITO DEGLI ARCHAEA

571

ipertermofì li po ano ben de crivere i fenotipi cel lul ari della Terra primordiale, punta a enfati zzare il ruolo importante volto daii ' H 2 nell'cv luzione della vita microbica. Il metaboli mo dell'idr geno pu e er. i evoluto nei primi organimi in irtù della di ponibilità immediata di H 2 e di idonei accettori inorganici di elettroni negli ambienti primordiali, ma anche perché l 'economia energetica ba. ata . uii'H 2 ri chiede relativamente poche proteine (~.:> igura 12.5). ome chemiolitotrofi, que. ti organismi po . n aver ottenuto tutto il loro carbonio dalla 2 o potrebb ro aver assimilato direttamente dei mposti rganici disp nibili per le lor necessi tà bio intetiche. In entrambi i casi, comunque probabile he l'o idazione dell' H2 sia tata la forza energetica motrice per il mantenimento dei proces. i vi tali. onfrontando l vie cataboli he per la produzi ne di energia in funzi ne delle temperature di crescita dei pr arioti a oggi c ltivati, evidente come olo gli organi mi chemi litotr fì iano pre enti alle temperature maggiori ( igura 16.2 ). La h miorganotrofìa è tata ri entrata fin almeno a IlO o , corri pondent al limite uperiore di temperatura p r la re cita di Pyrodictium occultum, un rgani. m che pr duce energia e ere. ce mediante la fermentali ne chemiolitotr fìa ull ' H 2 utiliu:ando 0 c me accettor di elettr n i (Tab Ila 16.6). a foto in te i il pr e • o bi energeti meno t llerante al cal re, n ne .. un rappre entant i p rt rmofì l e un apparent limite di temperatura di 73 °C. u . l c erente con la nclu. i ne che la foto. int i an .. ig n i a apparve ulla Terra alcune centinaia di mi li n i di anni d p la com par. a delle prime ~ rme di vita(~.:> igura 12. 1). onfronti delle opzi ni bi nergetiche in funli n della temperatura ( igura 16.2 ) indi an gli rclza a e i Bacteria iperterm fili idrogen - id anti c me i più pr babili esempi attuali delle prim r rm di ita llular . ulla erra. Più di al tri pr ari ti, que ti rgani mi manteng n i tratti fì . i l gici e metabolici che ar bber pr vi ti per un'e. i. t nza u una ca lda erra ance trale.

Verifica - - Come fanno gli ipertermofili a evitare che DNA e proteine siano inattivate dall'alta temperatura? Come sono protetti i lipidi e i ribosomi dalla denaturazione da calore negli ipertermofili?

16.14 Archaea ipertermofili, H2 ed evoluzione microbica Quand

Habitat i u termofilici e H2 come fonte di energia

Verifica - - -- - - -- - - - - Quali evidenze filogenetiche e fisiologiche suggeriscono che gli ipertermofili di oggi siano le forme di vita correlate più da vicino alle prime cellule sulla Terra? __,

L'o. idal i ne di H 2 legata all a riduzione di e3+, di o di 3 , raram nte, di 2, una forma di metaboli mo energeti diffu a tra gli ip rtermofìli (Tabe ll a 16.6 e Figura 16.28) . Questo fatto, in ieme all a probabilità che que ti

______

so o Fe2+

==1

H2

?

---------------------~--------------···················· Chemlolltotrofia termofila gs• 122° Ch em iorga no t rof 1a ter mof ila 110°

Fo t ot rofia termo f ila 73 40

50

60

70

80

90

100

110

120

Temperatu ra (°C)

Figura '16.28 Limiti superiori delle temperature per il met abolismo energ etico . l detentori dei record sono: per la fototrofia Synechococcus lividus (Bacteria, cianobatteri); per la chemiorganotrofia, Pyrodictium occultum (Archaea); per la chemiolitotrofia con S0 come donatore di elettroni, Acidianus infernus (Archaea); per la chemiolitotrofia con Fe 2 + come donatore di elettroni, Ferro lcbus placidus (Archaea); per la chemiolitotrofia con H2 come donatore di elettroni, Meth nopyrus k ndleri (Archaea, 122 °C}. o' (:'t.

t •

1 ,.- .. ~,

t .

·~\ 'f

/\.)

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l.f

)

130

140

572

UNITÀ 3 •

DIVERSITA MICROBICA

CONCETTI FONDAMENTALI 16.1 • Gli

Archaca alofil i C\trcmi richicd no grandi 1uantità di aCl per la crescita c accumulano, come '>nluto compatibile, alti li \ CIIi tli K l nel loro citopla'>ma. uc'>ti ~a l i innucntano la \!abilità della par.:tc cellulare c l'attivit· cntimati ·a. La battcriorod pt ili di 'ita stn:ttament' autotrofi. ma la fotosintesi c assente. 16.10 • l

renarclweow ipcrtermolili pro,pcrano in '>Orgcnti ·a ldc tcrrc'>lri carattcri11atc la 'arie compo-,i tioni chimiche. Essi omprcndono in particolare organi-.mi come 'uljololml, Acidia-

11111.

fltl'I'IIIOJHort•u\

c Pl·rolmculum.

parete ·c llularc c per quc'>to a'>'>omiglian ai mie plapccic appartenenti a quc\ti generi l:rc-.cono a temperature più elevate fra tutti gli Archtu•a. in molti t:a'>i anche sopra il punto di ebolIitione dell'acqua.

16.5 • Arclwco~lolm\ c

Ft•rm;;lolm\ sono i\rchaca anao.:robi impar.:ntati t:hc \\olgono differenti re-.pirationi anacmbit:hc. t\rclw t'O!{Inblll c un -.ulfato-riduttorc c l· t•rro~lolnll un nitrato riduttor.: che oono rapidamente di,truttc sopra questa temperatura. '>ebbene rnm:rornolccolc C\tremamcntc 'tabili al calore po-....ono rc-.istcn i. 16.13 • Le manornolccolc negli ipcrtennofì li '>tlllll il clomp la-.10. p ·r la f, u-, intc,i, c i l rnito ·o ndri n o l" idrog...: nu,nma. p ·r l:1 rc> p1ra 1it ne

-

17.6. di trtli11 CII OpÌ IÌ \OnO proti\IÌ · n un Oagc ll o eli · prc-. "llla \ClllÌI Ì ' l 'lhi()nÌ , imi li a pl:li. ompn.: nd Jll) o lì OO IIlÌ · ·t i, l' diaiO-

o la lcrm..:ntatinn ·. In 01i g ìn · quc\li orgnn ·Ili ·r;ur o i 01 10 poi

~tabilìtì

/larraio eh • in maniera pcrmancnl · dcnlro altre: ce llule ("Il-

d sinrhin'i

17.2. LI -.cqucn;a d ·l ge ne tlt.·II'R i\ rìbo-.onral· non \CIIlbra ror nir · un albero lilngcn ·tict allidabil ·d ·gli F:u/..nrm. co nlr Paragrafo 22.3) ia favorita dag li 1.uc h ri dag li ac idi dicarboss il ici s creti dalla pi anta ( igura l .8b,c).

Limiti della microscopia Il mi croscopio uno . trument e . nziale p r esp lora re la diver. ità mi r bi ca e per quantifìcar e identi fica re mi r rgani smi in ca mpioni naturali . ionono tant , il olo uso del mi ro. copio non suffi ciente p r tudi are la bi di ers ità dei mi crorga nismi . cellul pro ari ote appaion a. sa i di v r. p r dim e n s i o ni (~+> Paragrafo 2.6 e T abell a 2. 1) e, in un ca mpi one natura! , ce llul e molto pi cc le possono rappre. ntare

Verifica - - - In che modo la colorazione per identificare cellule vitali differi sce dalle altre colorazioni, come OAPI? Che cosa è un gene reporter? Perché non è corretto affermare che la GFP è un metodo di colorazione?

CAP l TOL O 18 • M ET ODl PER S TU Dl Dl ECOL OGl A M l CROBl CA

613

Baclllus

l

(a)

l

(b)

Figura 18.9 Morfologia e diversità genetica. Le due fotografie rappresentano lo stesso campione osservato (a) al microscopio a contrasto di fase e (b) dopo ibridazione con sonde filogenetiche (FISH, Paragrafo 18.4). Sebbene le grandi cellule coccoidi presentino morfologia e dimensioni piuttosto inusuali per organismi procarioti e tutte appaiano molto Simili al microscopio a contrasto di fase, la FISH rivela trattarsi di due tipi cellulari distinti (colorati rispettivamente 1n giallo e in blu). Le cellule di entrambi i tipi hanno un diametro di c1rca 2,25 f.l.m. Le cellule di colore verde disposte in gruppi o a coppie hanno un diametro di circa 1 f.l.m .

18.4 Ibridazione in situ con sonde fluorescenti {FISH) A causa dell ' l atisl.ima . pc i tì ità, le so nde di acidi nu lei sono uno strum nt moli p tcnte per l'identitì a~:io n e e la quantitì az.ion dci mi rorganismi . ond di a idi nu l ici -.ono oligonucleotidi di D o di R omplementari a una ùctcrmi nata . qucn7a di uno :-.p ci ti g ne o a un a mol ola ùi R , per i ibrid no n la mol la ber. agl io quando vcngon in ontatto ·on . . a (~+> Paragrafo 11.2). w nde cos titu ite da acidi nu l i i pos. on e s re re. Ou rcs nti coniuga ndo! a pp rtuni Ou r romi . ueste s nde nu rc-.ccnt i po. sono c:sere utiliuat per identi lìcare microrgani smi l'hc co ntcngon una sequ n1a di un a ido nucl ico co mplementare a quel lo dell a so nda Mes:-.a. Tal tec ni ca è ch iamata ibridazi n Ouor cent in iltt (F I H , F!u01·e ceni In itu ll rhridi;:.ation) . i seg uito dcscri er m alcun e app li ca~:io ni 1.!1 ques to m lo l . tra cu i que lle mi rate all' id nti fìca1 ionc tì logcnc ti ca (Figura 18.10) o d ll 'espr .. ione geni ca (s i cda la Figura l .12). Cl

Identificazione filogenetica mediante FISH Per l'idcntilìcaJionc lì logen tica si usano ol igonucleotid i ll uoresc nti la cui equent.a di basi :ia compi m ntare a sequcnt.c prc. enti ncii ' R ribosomale (rR 16 23 nei procarioti, l 2 n l i eu ari t i )(~+> Paragrafo 12.4) . Questi o lig nuc l otidi pen trano nel le llulc . enza che sia necessario lisa rl e e ibridano direttament con l ' rR presen te nei ribos mi. Il numcr di so nde nuore. ccnti h . i lega a una cellula ri . p cc hia il num ero d i . uoi rib osomi . Poich le 'i ngoi ce llul e micr bi che pos. n co nt nere d ine di mi -

(a)

(b)

(c)

Figura 18.1 O Sonda a rANA marcate con coloranti fluorescenti: co lorazioni filogen etiche. (a) Fotografia al microscopio a contrasto di fase di cellule di Bacillum megaterium (bastoncino, Bacteria) e del lievito Saccharomyces cerevisiae (cellule ovali, Eukarya) . (b) Stesso campo; le cellule sono colorate con una sonda universale a RNA di colore giallo-verde (questa sonda reagisce con specie appartenenti a tutti i domini). (c) Stesso campo; cellule colorate con una sonda specifica per gli eucarioti (reagiscono solo le cellule di S. cerevisiae) . Le cellule di B. megaterium hanno un diametro di circa 1 ,5 f.l.m, le cellule di S. cerevisiae di circa 6 f.l.m.

gliaia di ribos mi, si p s. no ottenere segna li molto intensi . at eh nel la maggi r parte dei pr carioti i rib s mi sono sparsi in tutta la ce llu la, questa diven ta interamente nuorescente ( igure 18.9 b c 18. 10). issando co me ber. ag li i siti nel l ' rR che sono variabi l i tra i di ersi organismi , possono ssere cos tru ii sonde fì logenetiche molto specilìch e tali da reagire addiri llura con una so la sp ci o con p h . pc ic micr bi h orrelate. l n alternati va, lìs ·an d come ber. ag li i tralli con . ervati nel l ' rR possono ss r di. gnate . onde più g neri che, in grado di ricono:cer , per esemp i , tutte le ce llul microbi h apparI n nti a un determin ato domini o lì log n ti o. til i11ando la ~ 1 H, un ric rca tore pu iden tifi care o rintracciare un microrgani. mo o, addi rillura, tulli i membri di un dom inio di intere .. e in un campione natu ra le. P r sempi o, vo lend o determinare la percen tual di una dala popolat.ione di rclwea, si pu usa r una sonda lì logcnctica spec ifi ca per qu sti organismi in co mbina~:i o n c c n il Pl ( Parag rafo 18.3), in modo da stimare ri . pellivamcnte il numero di rchaea c i l numero di microrgani smi totale poi ca lcolar le rc lati e percentuali . a procedura l Il consen te di impi gare ·ontcmporaneam nte più di una sonda ti logenetica. tiliuando sond div rs , og nuna disegnata p r riconoscer un particolar organismo o un gruppo di organismi e cias ·una coniuga ta a un Ou roerom di ers , la l H permette di cara tteri nar più gruppi lass nomi ci in un d termin at habitat n un singolo esperimento (Figura 18.11). omb in ando l l H con un'osscrva1ione al mi r s opi o con focale(~+> Paragrafo 2.3 ), persino possibile e. amin are le popo laz.i ni mi rob iche pres nti negl i strati non superficia l i di un ca mpi one come, per esemp io. nel caso dci bio lì l m batteri i (~+> Paragra fo 19.4 ).

614

UNITA 4 • ECOLOGIA MICROBICA E MICROBIOLOGIA AMBIENTALE

(a)

(b)

Figura 18.11 Analisi microscopica mediante metodologia FISH di fanghi attivati da un impianto di trattamento di acque reflue urbane. (a) Batteri nitrificanti. In rosso, i batteri ammonio-ossidanti; in verde, i batteri nitrito-ossidanti. {b) Micrografia al microscopio laser confocale di un campione di fango del refluo trattato con tre diverse sonde filogenetiche FISH, ognuna contenente un diverso colorante fluorescente (verde, rosso o blu) che identifica uno specifico gruppo di Proteobacteria . Le cellule che appaiono colorate in verde, rosso o blu hanno reagito con un'unica sonda, mentre le cellule colorate altrimenti hanno reagito con due (turchese, giallo, viola) o tre (bianco) sonda.

Figura 18.12 Procedura CARD-FISH per l'identificazione di Archaea. In confronto alle cellule colorate con DAPI (blu), le cellule di Archaea mostrano un'intensa fluorescenza verde.

tare sp ifi i batt ri pat ca mpi ni clini 1.

CARD-FISH La Fl H pu an hc zare l ' abb ndanza d

V rlflca - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . .

rappr dicatore").

• Qual è la struttura cellulare che funge da bersag lio per la sonda fluorescente nell'identificazione filogenetica mediante FISH? La FISH e la CARD-FISH possono fornire informazioni di diverso tipo sulle cellule presenti in campioni naturali. Fornite le opportune spiegazioni.

111 • Analisi genetiche di comunita microbiche con metodi indipendenti dalla coltivazione Molti . tudi ull a biodi er ità mi cr bica mirano a i lar mi crorgani. mi oppur a quan tificarli e/o identifi arti frunand le tecn i he di mi ro copia e co loraz ion illu Lrat n l para-

grafo pr ed nt . er otten r una tima d Il a biodiver it delle apacità metaboliche in v cc n c . ari ricer are g ni specifici. Poi hé alcuni geni ric rrono ol in deLerminati mi-

CA Pl OL O 1 8 • T

crorga ni. mi , la pr enza di questi in un c indicati a dell a pre. nza di quei parti lari mi r rgani mi . Le tecni ch prin ipali utiliaate in qu . totip di an ali i delle comunità mi cr bi cbe comprendono la reazion a t na dell a poli mera i (P R), l 'anali . i di framm nti di D medi ante , T -RFLP, Rl ), il cl nagg i , clettrofo re. i u gel ( il sequcn1.iam nt del D cl onato e l 'a nali si dell e quenze prodotte. el Parag rafo l .7 vedrem come ia p ibil e uti liuare, qu ale mi ura d Ila bi di versità dell e comunit mi r bic he, anche l 'a nali si di interi gen mi delle c l lui pr . enti nei campi ni ambientali .

18.5 Uso della PCR per l'analisi delle comunità microbiche PCR e analisi di comunità microbiche l pri ncipi dell a P l son stati il lu trati nel Paragrafo 11 .3. Ri cordi amo eh le principali fa i dell a P R co n. iston in: ( l ) ibridaLi ne di du prim r (detti an ' hc " i nn s hi", costituiti da pie li framm nti di ac idi nucleici h , l gand si al D bersag li , p rm tt n l'inn se del la reaLi ne di p li m riaation ) con la . qucn;.a co mplementare del gene d' i nteres. e, ( 2) allungam nt dei primer catali ZLato dall a D poli m rasi in m d da copi are il gene ber. ag lio, ( ) produLione di molte copie d l gene ber ag li mediante cicli ripetuti di dena!llrali n dell e eli che c mplementa ri , di ibridaLi on dei pri mer e di allun gament (pr duLi one di liche di nuo va sintes i) (~;> igura 11 .5). In que to m do è po. . i bil e pr durre parecch i mi li nidi c pi di un gene partcnd da una singola co pi a dello . te.. . più c nveni nte uti liuare p r l 'a nalisi di l geni che comunità mi crobiche s no quelli che c difi ca no per I' R ), dal moprese nte nella ubunit pie ola del rib soma (rR mento che ri sultan inform ati i dell a fìl ogcnes i e ben sv iluppate . n l tec niche per lo studi degli ste.. i (~+=> Parag rafi 12.4 e 12.5). l noltr , p iché i g ni per gli rR versai i e c ntengon parecchi reg ioni di sequen1.e altament con. cr ate, p ssibil amplifi carli da tutti gli rgani. mi , anche non fìl og ncti camente c rrelati, utiliuand so l un nu mero limitat di prim cr p r la P R. ltr ai g ni codifì anti gli rR , c me b rsagli p . sono es er utili zzati an ·he g ni che codifican o per pr teine en1.im ati he c in volte tipi che in fun1.ioni metab li ch sp cifiche di un micr rgani smo o di un grupp di mi crorgani smi correlati (Tabella 18.3) .. l geni che c difi cano p r una data fun zione, co m qu ll i per gli rR h , nel t mpo hanno subito ari azioni di sequ n1.a ia ia che le p cie di verge ano, n chiamati ortologhi (~+=> Para rafì 6. 1l e 12.5). rganismi he po.. icdono geni ort laghi identici o altament con·elati . i di cono appart nere all o te o filotipo. In ecologia mi robi ca, il conce tto di filotipo e tremamente important perché forni sce un ~ i s t e m a natura! (fìlog netico) p r de ri er la di ver. ità microbi a di un det rminat habitat, indipendent ment dal fa tto he i fì lotipi identifi ati corri . pend ano o meno a microrgani smi olti vabili in lab ratori o. Il te rminejilotipo quindi ampiamente utili zzato p r des ri re la di ver. ità mi crobi a di

M ET ODl PER S TU Dl Dl ECOL OGl A M l CROB l CA

615

un habitat sull a base uni am nte dell e quen1.e d gli a idi nucleici. olo a . eguito dell 'acqui izione di ulteriori in form a~:i o ni circa le caratteri ti ch fi siolog iche e genetiche (di so lito dopo che un microrgani smo . tato co lti va to in laboratori o) si pu per ragione olmente procedere ad a segnare un nome di gener e di . pecie a un determ inato fìl otipo. In un a tipi ca anali i di un campi one ambientale deri vante da un d termin ato habitat, si pro ede in primo lu go ad estrarr il D t tale dell a comunit (Figura 18.13). questo c p , s no di sponibil i kit co mmerc iali che penn ttono di i lare D altament purifi cato da ca mpi oni di . uolo e di che si otti ene un a mi scela altri habitat complessi. Il D d i gen mi di tutti gli organi smi presenti nel ca mpione ( igura l .13). iene quindi usata la P R per ampi i lì ca re i geni , così da ottenere b r agli pre enti in que. ta mi cela di D numero pie di eia cun a dell e di erse ari anti (fil otipi ) del gene ber ag li o ri correnti nel campione. e, in vece d l D dal ca mpi one ambi entale ve ngono isolate moleco le di R (per ril evare so lo i geni effetti ament trasc ritti ), c possibi le convertire quest' ultime nel le con·isp ndenti mol c le di ), sfrutt ando la rea.don atali zD c mplem ntar (c D l ata dall a trascritt asi in ersa (~+=> Paragrafo 9. 1l ), e uti linar p i il D quale stampo per la P l nei cas i in cui nga in . omunque, indip nd ntement prim a battuta estratto il D R , dopo la dal fatto che in ori gine sia stato isolato P R neces. ari o procedere all a separa ~: i o n e dei di er. i fi l tipi del gene ber. ag li o per poteri i po i . equenLi arc. razione pu e~se re effettuata ri c rrendo ad una dcii seguenti procedure: ( l ) . epurazione fi sica m diante elettr ~ res i su gel, (2) co tru1.ione di una libreri a di cl ni , ( ) sequenziam nt medi ante t nol og ia cosiddetta di ultima gen raLi ne ( ex t- eneration equencing ). Pr nderemo ra in esame tutte c tr qu . te strategi .

Tabella 18.3 Geni comunemente utilizzati per rilevare specifici processi metabolici in campioni ambientali utilizzando la PCR Processo metabolicd'

Gene bersaglio

D 11tnfrcazrone

mrG /l11K,

nirS

Enzima codificato

Nr r,tto ndu t 1 Nr nto ndult si

norB nosz

ntf/1 amoA

''Tutti questi processi metabolici sono stat1 trattati nel Gap1tolo 16 e nel Paragrafo 3.17.

616

UNl TA 4 •

f COL OGl A M l CROB l CA E M l CROB l OL OGl A A M B l F N TA L F

la di urea e formam id - " - - - Comunità mi ero bica

AmpUf;u,;ooo

P'~

l

PCR

con pnmer marcatr

i -R P, ltre a fornire informazi ni \UI Ia di crs ità e sull 'abbondanat d Il p p !azioni di una comu nità mi robica, pos n anche es. ere utiliaatc per d durre re lazioni fì log nctich . Di fatto, p r ogni framm nt . arà pos. i bi l co n se re anche le . eq u n;:e adia nti a entramb le tcrmin az ioni (q uel la d l prim r e quel la del sito di restr i.t:i ne do e avvenuto il tag li ), la mancan za all 'in tern d l framm nt di un seco ndo . it di r . trizi n p r l ' ndonu lea. i impi egata e la lungheaa del fra m m nto . l r zie a . p eia l i program n ultando le ban h mi informatici . arà p r i po i bi l dat i di . ponibil i - u are queste inform,;. ioni per la ric r a in hanca dati di sequ nz di rR 16 eh . odd i. fino gli elemen ti con . citi i acqui. ili . Tuttav ia, poi hé i. t no par chie ~equ e nze trell m nte corr late c rr ispond nti a qu . te tnformaL. ioni, l 'anal i i . uddetta ha l alor pr ditti vo. In

con gradiente d enaturante (b) si posi zionano in punti diversi in ragione della reciproca diversità di sequenza in ragione della reciproca diversità di sequenza. (c) Profili DGGE di comunità m icrobiche in campioni provenienti da differenti impianti di trattamento delle acque reflue , amplificate mediante primer per i geni dell 'rANA 16S dei Bacteria .

g n ral , quindi, la T - R ~ LP sollo. ti ma la biodi rsità di una comunità mi cr bica. na 1 ni ca c rrclata all a T- R LP, in gndo tuttavia di fornir un quadro più d uagliato di una comunità mi cr bica,

l'analisi awomari ~zata degli spa"imori interge11i ·i dei geni ribusomali ( Rl 11/omated Ribosomal f11tergenic pacer naly is) che sfrulla la vicinanza dei geni c difì anti per gli 16 c 2 , tipi ca d i pr rioti . Le reg ioni di rR

so no c mplem ntari a 16 c dificanti per gli rR

n un n;.ima di r stri zioien qual , in modo autonsioni d i frammenti . 15c), co. ì ome a ttua l m nt , l ' Rl

dell a com unit .

618

UNl TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml C ROBl OLOGl A AMBl E NTALE

Posizione 1

1540

+

Gene Qer l'rANA 16S Primer per PCA "forward" marcato con un fluorocromo ( l

-6tL------5::-:0:-_-:-:15:-:0~0-:-b-p

Gene _ _ __,

Posizione 1513

'~"~~-

r l'rANA 23S

Primer per PCR "reverse"

r-------------,. Ciascun frammento di lunghezza

Posizione 23

specifica corrisponde a un solo membro della comunità .

(a)

PCR del DNA dell'intera comunità mediante uso di primer ITS.

j DNA della comunità ~;;;;;=;;;;;;;;;;=~=>

li:i;;;;;;;;;;;;;iiiiiiiil Cfiiii-.-.il

(b)

1000

:!!

c: Q)

~

o

:>

u::

750 500 250 450

(c)

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

Dimensione del frammenti (pala di basi, bp)

Figura 18.15 ARISA (Autom at ed Ribosom a llntergenlc Spacer Analysis ). (a) Struttura di un operone per l'rANA comprendente il gene codificante l'rANA 16S (posizione 1-1540), uno spaziatore trascritto interno (ITS) di lunghezza variabile e il gene che codifica per l'rANA 23S (posizione 1-2900). l primer per la PCR, uno dei quali marcato con un colorante fluorescente, sono complementari a sequenze conservate poste nelle regioni adiacenti aii 'ITS. (b) Frammenti di DNA di lunghezza diversa prodotti mediante amplificazione; ognuno dei frammenti prodotti corrisponde a un componente della comunità in esame. (c) Separazione dei frammenti condotta con sequenziatore automatico di DNA. l picchi che corrispondono a differenti ITS possono essere identificati mediante clonaggio e sequenziamento dei prodotti di amplificazione.

Studi della diversità microbica mediante uso di librerie di cloni o sequenziamento di ultima generazione (NGS) 4 La maggior parte del le prime indagini ulla diver it mi crobica con l' au ilio di trum enti m leco lari si ba av nzialm nt ulla c truzi n di libr ri di cl ni p r di tingu r l sin gole mo l c le di amp lifi ato (ampliconi), Ione della libr ria

1150

1200

1250

CAPITOLO 18 •

METODI PER STUD I DI ECOLOGIA MICROBICA

619

Incrementi tecnologici, dal 2005 a oggi Pirosequenziamento (letture di sequenziamento di 100-800 nt) Illumina (letture di sequenziamento di SQ-100 nt ) 106

~o u

Lunghezza dello l tturo di s quenziamonto

105

-100nt

~

c

'U

·c: ~

Risultati delle analisi filogenetiche mediante PCR

104

I

1o3

l

1o2

~

10

~

-

>200nt

-

>400nt

-

>800nt

Tempo (8)

Il nlevamento a elevata sens1b1iltà (sequenz1amento d1 ultima generaz1one) consente la nlevaz1one della b1osfera rarefatta

100

200

300

400

500

Filotipl unici, in ordine decrescente di abbondanza (b)

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . Che cos'è possibile concludere da un 'analisi combinata PCRIDGGE che ha dato come risultato una singola banda nella PCA e una singola banda nella DGGE? E se invece il risultato è una banda nella PCA e quattro bande nella DGGE? Quali sono i risultati più significativi ottenuti dagli studi molecolari sulla biodiversità microbica in habitat naturali utilizzando come bersaglio il gene dell 'rANA 16S?

18.6 Matrici ad alta densità (microarray) per l'analisi della diversità microbica filogenetica e funzionale bb iam pr ced nt ment dei chip a un tipo di micr arra p r timar l ' pre ion g ni ca c mpie. i a n i mi r rgani mi (~+> Paragraf 6.7). iù in generale tutta ia po ibi le di gnar mi r arra p r ana li i rapide

Figura 18.16 An alisi della diversità nell 'ambito di una data comunità microbica mediante t ecnologia di sequenziamento di ultima generazione. (a) Le attuali piattaforme di sequenziamento (c>~ Paragrafo 6.2) hanno la capacità di generare una sequenza di 10 12 nucleotidi (nt) in un 'unica corsa (nell'arco di una settimana o meno), con una lunghezza delle singole letture (sequencing reads) variabile da 100 a 800 nucleotidi. (b) Quest'enorme capacità di sequenziamento ha consentito di individuare molti filotipi unici che non erano stati evidenziati utilizzando il sequenziamento DGGE o il clonaggio. Con il metodo di Sanger sarebbero stati rilevati meno di 100 filotipi unici dal sequenziamento di 1000 cloni in una libreria di ampliconi di geni dell'rANA 16S ottenuta dalla PCA. Per la parte (b) si ringrazia Jed Fuhrman.

620

UNl TA 4 •

ECOL OGl A M l CROBl CA E M l CROB l OL OGl A AM Bl ENT A L E

Ve~ica ----------------------------------~

• Cos 'è un filochip e che informazioni può fornire? • Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell tecnologl dei mlcroarray rispetto al sequenzlamento del prodotti della PCA? • Perché l'analisi T- AFLP in genere non coglie completamente la diversità del filotlpi In un campione ambientale?

18.7 Genomica ambientale e metodi correlati Positivo

D bolmente positivo

Negativo

Figura 18.17 Analisi della diversità di batteri solfatoriduttori mediante filochlp. Ogni spot del microarray contiene un oligonucleotide complementare a una sequenza dell'rANA 16S di una diversa specie di batteri solfato-riduttori. Dopo l'ibridazione tra le sonda immobilizzate sul microarray e i geni dell 'rANA 16S amplificato mediante PCA da una comunità microbica e poi marcato con un fluorocromo, la presenza o l'assenza di una singola specie è evidenziata rispettivamente dalla presenza (spot positivo o debolmente positivo) o assenza (spot negativo) di fluorescenza.

m m tag n mi a, tipicam nte f

C APl T OL O 1 8 •

M ET OD l PER STU D l Dl ECOL OGl A M l CROB l CA

621

Comunità microbica Estrazione del DNA totale della comunità. App roccio mediant/ indagine a campio ne su singolo gene

DNA'

Approc cio co n gli strum enti della genomi ca ambienta le

Amplificazione di un singolo Digestione con enzimi di restrizione gene, per esempio quello del DNA totale seguita da sequenziamento per l'rANA 16S casuale oppure sequenzlamento diretto senza clonaggio mediante sequenziatori high- throughput Sequenziamento Assemblaggio e generazione ed elaborazione di un albero computazionale filogenetico. di informazioni relative ai dati di sequenza.

l

o o

o~Genomi

OQ Q/ Albero filogenetico di un singolo gen 1. Panoramica filogenetica comprendente la maggior parte del membri della comunità 2. Identificazione di nuovi filo tipi

da parziali acompletl

Insieme dei geni della co munit 1. Identificazione di tutte le categorie di geni 2. Scoperta di nuovi geni 3. Collegamento tra geni e filotipi

Figura 18.18 Confronto tra indagine su singo lo gene e approccio genomico nell 'analisi di comunità microbìche. Nell 'approccio genomico, viene sequenziato tutto il DNA della comunità, ma i genomi ottenuti per assemblaggio delle sequenze potrebbero essere incompleti. La quantità di geni effettivamente individuati è variabile e dipende da molti fattori, incluse la complessità dell'habitat e la quantità di sequenza determinata. Di solito, i risultati migliori si ottengono in habitat in cui la diversità è bassa e la ridondanza di sequenza è elevata.

ne di un

Nuove tecnologie metagenomiche ti

o

men te nuovi.

622

UNl TÀ 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl E NTALE

irca 5 trili ni di paia di ba i di D g nomi co batt rico (c n id rat un a dimen i ne m dia del genom a di un batl rio pari a 5 mil i nidi paia di ba i una den ità cellul are dell 'acq ua pari a l milion e di cellule} e ri hi derebb p rtant 5000 v lte qu Ilo forzo di qu nziamento solo per coprire in media una ola vo lta ia cun p io di ba i . n h no generar qu nze di c n l attuai i t c n l gie, eh po oltr 800 miliard.i di paia di ba i in IO gi rni ( • igura l . l ),

fì 13. 10, 14. 13 e l .6), indi iduati u un frammento di co nt n nte an h geni di rchaea, ha f tto ubit p n ar all' i tenza di Archaea ammonio-o id anti . Que ta ip t i onfermata n l' isolam nto da amb i nte Nitro opumilus maritùrw,\ ul M ar dei

arga i,

ni

Alcuni esempi di genomica ambientale ia di individuare

Il

ti di

raIso le genomiche

ISL1

in la-

ISL2

ISL4

ISL3

100

... · 0 •

•

t

..-

L .1, :, : ,

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1 •t.''

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·:·\~?'\: ::;~;::;:~~~~~~r~~r:~;:.

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ISLS

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"'":'

- 1,0

Cop rtura

- 0,5 - 0,25

2

4

6

8

10

12

14

16

Posizio ne lungo il genoma di Prochlorococcus (10 5 bp)

Figura 18.19 Analisi metagenomica. Sequenze (rappresentate dai punti verdi) del metagenoma del Mar dei Sargassi che si allineano con la sequenza del genoma di un ceppo coltivato di Prochlorococcus . Sono mostrate le region i in cui i geni del ceppo coltivato presentano un 'elevata similarità (alta

percentuale di identità) con le sequenze del metagenoma e quelle in cui sono assenti geni comuni (isole genomiche, ISL1- ISL5). Poiché si ritiene che le sequenze di DNA contenute nelle isole genomiche codifichino per funzioni specifiche riconducibili alla nicchia ecologica occupata, in natura il ceppo

coltivato probabilmente non avrebbe la stessa distribuzione ambientale dei ceppi che possiedono i geni compresi nelle isole genomiche in questione. La copertura è una misura di quanto le varie regioni del genoma del ceppo coltivato di Prochlorococcus sono rappresentate da sequenze simili nel metagenoma.

CAPITOLO 18 • METODI PER STUDI DI ECOLOGIA MICROBICA

pstS Trasporto di P1 ad alta afflnltà pstC!pstA

phoR phoU

Assimilazione del fosforo

As lmilaz:ione d ll 'az:oto

Pollfosfato

ppk

Fosfatasl alcalina

phoX p hoO p hoA

Fissazione dell 'azoto

nifK nifH nlfO

Riduzione assimilativanasAinarB nas~ del nitrato ":;~

8

amt narK narG narH narJ narl

Trasporto di ammonio

Resparazione anaerobica

Conservazione dell'energia

Riduzione dissimllativa del nitrato (a livello di membrana citoplasmatica)

Riduzione d lsslmllatlva del nitrato (periplasmatlca) Chemaolitotrofaa [

Ossldazlone deii'NH 3

i555555555~===

pilA , . . . • • • • • • • • • • • • • •

Trasporto di P1a bassa affinità

Crescita cellulare

623

Il

-=====:.-

!l

~--•••••••••••••••••

napA napB nspC napH napG napO napF amoA amoB amoC 8

6

7

t

Log 10 di transcrittillitro

9

9,4

Umile di rilevamento

Figura 18.20 Anali si metatrascrittomìca di acque superficiali marine costiere. Espressione dei geni per passaggi chiave nei cicli biogeochimici di azoto e fosforo in un campione di acqua marina, determinata mediante sequenziamento dell'mRNA ambientale.

Questi dati rivelano la presenza di una comunità microblca attiva nell'utilizzo di forme di fosfato (P01- l sia inorganiche (elevata espressione di trasportatori P) sia organiche (fosfatasi alcalina). l bassi livelli di trascritti di geni richiesti per l'assimilazione di N03 si frontegg iano

Metatrascrittomica e metaproteomica

quenzia-

con l'elevata espressione di geni per il trasporto dell'ammonio e per l'ossidazione chemiolitotrofica di NH 3 . Inoltre, come ci si aspetta per acque superficiali marine ricche di ossigeno, l'espressione di geni per la respirazione di N03 risulta scarsa. Dati: cortesia di Mary Ann Moran.

624

UN l TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMB l ENTALE

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Cos'è il metagenoma? • In cosa differisce un approccio di genomica ambientale da un 'analisi ambientale di un singolo gene, come quella basata sull'analisi del gene dell 'rAN A 168 per la caratterizzazione di una comunità microbica? • Come si possono individuare le popolazioni più attive di una comunità usando i metodi della genomica ambientale?

ornica

IV • Determinazione delle attivita microbiche in campioni naturali

mpi n rale sono una stima compie siva d Ile reazioni fi i R duzJon d el - olfato

Controllo b otlco tralt to con form l n

Cl&

8

tu-

Fotosintesi

;!

Luce

H2S

I

o

18.8 Saggi chimici, metodi radioisotopici e microsensori

.s

~

Tempo

Tempo (b)

(a)

R du:tion d l olf to

/

In p s nz

Respira~ione

8 di

i H2

Tempo

Tempo (c)

Hc-.g luco •o

;!

(d)

MI ure di ttività rmicrobica. (a) Dosaggio chimico dellattato e di H2S durante la riduzione del solfato. Uso di tecniche radioisotopiche: (b) attività fotosintetica misurata in presenza di 14C0 2 ; (c) riduzione del solfato misurata in presenza di 35SOj : (d) produzione di 14C0 2 da glucosio marcato con 14C.

Figura 18.21

Radioìsotopi

625

CA Pl T OL O 1 8 • M ET OD l PER STUD l Dl ECOL OGl A Ml CROB l CA Membrane

Oro

Vetro

Vetro Platino

411m 1 1 (8)

Figura 18.22 Mìcrosensori. (a) Rappresentazione schematica di un microsensore per la misurazione della concentrazione di ossigeno . L'0 2 diffonde attraverso la membrana di silicio nella punta del microsensore e reagisce

Batteri

l

Soluzione nutritiva

Catodo

(b)

con glì elettroni sulla superficie dorata del catodo, formando Ioni idrossido (OH - ); questo genera una corrente proporzionale alla concentrazione di 0 2 del campione. Si notino le dimensioni dell'elettrodo. (b) Micro-biosensore per la rìlevazione

del nitrato (N03 ). l batteri denitrificanti immobilizzati nella punta del sensore riducono il N03 (o NOi ) a N2 0, che viene a sua volta rilevato mediante riduzione elettrochimica a N2 al catodo. Basato sui disegni di Nlels Peter Revsbech .

Concentrazione (~J.M) di ossigeno (02)

o

100

·'~ J

Acqua marln

l

• ••

. ,

•

•

•

•

N03

Sed1mentt ossic

•

••• • • • •• • • Microsensori Micro n ori c stituiti da agh i in ne un sistema sen ibi l di rilevaz i

300

200

,

\

•

]

~ z~

•

.1

] ~:~~~ ~c

0

Sedimenti anossici

ID

10

o

8

4 Concentrazione

(~J.M)

12

di nitrato (No 3- )

Figura 18.23 Profili delle concentrazioni di ossigeno e nitrato in sedimenti marini. l dati sono stati ottenuti utilizzando il modulo illustrato nella Figura 18.24 equipaggiato con microelettrodi per l'analisi a distanza di sedimenti delle profondità marine. Si notino le zone di nitrificazione e denitrificazione. DANA, riduzione dissimilativa di NO:) a NH Basato su dati e grafici di Niels Peter Revsbech .

t.

626

UN l T A 4 •

ECOL OGl A M l CROB l CA E M l CROB l OL OGl A A MB l EN T A L E dimenti m rir11

Verifica ------------------~

• Perché i radioisotopi sono utili per misurare le attività microbiche? • Come cambierebbero i profili delle concen trazioni di N0 3 e di 0 2 illustrati nella Figura 18.20 se nei sedimenti venisse immessa una cospicua quantità di materia organica?

18.9 lsotopi stabili

Figura 18.24 Posa del modulo per indagini sottomarine. Il modulo è equipaggiato con un insieme di microelettrodi (freccia) per misurare la distribuzione di vari composti chimici nei sedimenti .

Frazionamento isotopico I du

CAPITOLO 18 • Substrati dell'enzima

"co,y 13

C0 2

•c

METODI PER STUDI DI ECOLOGIA MICROBICA

627

Carbonio fissato

Enzima che fissa

Carbonati marini

il

-

C0 2 atmosferico • Piante che effettuano il ciclo di CalvinCalvin-Benson

1 2corganlco

Petrolio • • •

====>

Metano

Figura 18.25 Meccanismo della ripartizione isotopica del carbonio. Gli enzimi che fissano il C0 2 utilizzano preferen zialmente l'isotopo più leggero (1 2 C). Ciò fa sì che il carbonio fissato risulti arricchito in 12C e impoverito in 13C rispetto alle proporzioni dei due isotopi del diossido di carbonio di partenza. Le dimensioni delle frecce indicano l'abbondanza relativa di ciascun isotopo del carbonio.

Cianobatteri Batteri rossi sulfurei Batteri verdi su lfurei Sedimenti marini recenti Rocce di 3,5 miliardi di anni -

esclu ivam nt

bio!

- 80

- 70

-60

-50

-40

- 30

- 20

- 10

o

+10

13

& C ~/ool

Figura 18.26 Distrib uzione geochimica degli isotopi del carbonio. Si noti che il C fissato dagli organismi autotrofi è arricchito in 12 C e impoverito in 13C. Il metano che si forma dalla riduzione del C0 2 con H2 attraverso gli Archaea metanogeni mostra frazionamento isotopico assai variabile fino a valori decisamente spinti .

nt :

La tes a f

i l frazionam n t utili zzat c m rite di anyon

tandard ) tand ard )

X l 0 O%o

Uso del frazionamento isotopico in ecologia microbica

l gica di

628

UNl TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl ENTALE Rocce magmatiche .Solfati marini Solfuri in rocce sedimentarle Solfuri da ambiente lunare . - - - - - - - - - -'--. Solfuri in fanghi da fo ndali marini Zolfo elementare

-30

-20

-1 0 &

34

o s {lloo'J

10

20

30

Figura 18.27 Distribuzione geochimica deg li isotopi dello zo lfo. Si noti che H2S e S0 di origine biologica sono arricchiti in 32S e impoveriti in 34S. Verifica Perché il rapporto isotopico 13 C/12 C di una sostanza può rivelare se è di origine biologica o geologica? Qual è la spiegazione più semplice del fatto che i solfuri lunari sono simili, per quanto riguarda la composizione isotopica, a quelli della Terra primordiale? Qual è la composizione isotopica del carbonio che ci si potrebbe attendere nei metanotrofi (batteri che consu mano CH.J?

18.1 O Associare geni e funzioni a specifici organismi: SIMS, citometria a flusso e MAR-FISH metodi i. otopici de crini lì n ra uti l iuano campi ni c nt nenti un el ato numero di · l lui p r dedurr qu~ li . p ilì i procc .. i biologici, c me l'a utotr lìa la riduli n d l so lfato, a engan all ' in tern di una c muni t, micr bi a. uesti m tod i con . entono di a re una panoramica d ll 'alli vi t, m tabolica di una comun ità mi crobi ca, ma non ri elano il ontributo al processo da parte di ·in gole cellule. Per questo scopo so no stati iluppati nuovi metodi che pcrmell no di mi surar l'ani i t c la co mposiLione, elementar e i ·otopi a, di ing le cell ule. coppiati ai metodi di sequ nt.i am nt del D più a anzat i, in grado di fornire la s quenLa di un int ro genoma a partire dal D co ntenuto in una singola ce llul a (c.+.:> Paranomi a, un a grafo 6. 1O ed " p l ra il m ndo microbico: cellu la al la vo lta" nel api t l ), que t t cni che rappre. entano la fr nti era odi rn a degl i tudi di e ologia micr bica.

Visualizzazione dell 'attività metabolica di singole cellule mediante SIMS La ' 1M ( econdary fon Mas pecrrometry ; letteralmente, "spcttr m tri a di mas. a di ion i ·ec ndari ") ba ata . ul ri 1 vamcnto deg li i ni rilasc iati da un ca mpi ne (ioni . econdari ) quand questo viene bombardato con un fa cio di ioni

anaer bi a del meta n a ai diffu sa nei sedi menti marin i il risu ltato d ll 'ass cia1.i ne sintrofì a fra Bacteria . lfato-riduttori e rchaea metano-oss id an ti ( metanotrofì) eh i riuni sco n in aggr ga ti n i qu ali i batl ri · lfat -ridutt ri , i, di sp ngono allorn o al nucle int rno cos tituito dai batt ri m tano eni (c.+.:> Paragrafì l . 15, l .24 e 20. 1). Poich il H4 di natura biogeni ca molto imp eri t in 13 , la t noi gia ano l pu . ere utiliuata per co n~ rmar l ' in ne del più leggero isotopo del carb ni o pre ( 12 ) da part d gl i rchaea m tan trolì. na aria nte del metodo l 1- IM eh cmp l ifìca n tevo lmentc l ' id ntifì cat.ione dcii ce l lul e c aminat con la 1 cni ca an l sfru tta la d po izione di un alogen (di lito, bromo o flu or ) med iante la onda, ia al tra er o l'inc r-

629

CAP l T OL O 1 8 • M ET OD l PER ST UDl Dl ECOL OGl A M l CROB l CA Spettrometro d1 massa

Sorgente di ioni

Magn te

Sebbene l'azoto sia fissato nell'eterocisti, questa cellula

è definitivamente differenziata e non in crescita. Perciò, solo l'epibionte (Rhizobium) e le cellule vegetat ive adiacenti (frecce bianche) sono marcate con 15 N.

Alto

l

Ioni-.__ ~ primari ~

/

Y l

l

Ioni secondari

u.. !!!

A B C D E Rivelatori multipli

o

l

z .s

':1

"l co E

.

tl t

Stadio d l campion

G>

:E

g ~ Basso

(a)

Figura 18.28 Tecnologia NanoSIMS. (a) Diagramma schematico di uno strumen to NanoSIMS che mostra il fasc io di ioni primari (rosso) e second ri (blu), e cinque diversi ri levatori, ciascuno dei quali identifica ioni con diverso rapporto massa/carie . (b-d) Dimostrazione

di trasferimento interspecie dei nutrienti da un cianobatterio filamentoso (Anabaena) a una specie di Rhizobium d sa all 'eterocisti del cianobatterio. La co-coltura è stata incubata con 15N2, e le immagini del trasferimento dei composti m reati con 15N

Citometria a flusso e analisi multiparametrica In rag ion sti tui con

da Anabaena a Rhizobium sono state riprese utilizzando una combinazione di L- FISH e NanoSIMS. (b) Abbondanza totale di 12 C. (c) Arricchimento in 15N. (d) Abbondanza in 19F conferita da una sonda che ibrida solo con le cellule di Rhizobium attaccate (EL-FISH).

630

UN l T A 4 •

E C O L O G l A M l C R O B l C A E M l C R OB l O L O Gl A A M B l E N T A L E

Cellule marcate mediante FISH

...... -------------------······:··· ··········· ···...j • ·························

Laser

l Piastre di deflessione

+

·

r

____

(a)

....-········

~ .......~C~o~n~fe~r~im~e~n~to~--" della carica alle goccioline selezionate

~

j

.

.

z

~

z

"'c z "'

l!! z

l

.

0..

!

Campioni raccolti

f

~

l

:E

(b) Rifiuti (cellule non marcate)

Figura 18.29 Selezione di gruppi di cellule mediante citometri a a flu sso. Man mano che il flu ido contente le cellule esce dall'ugello, viene frammentato in minuscole goccioline contenenti non più di una singola cellula. Alle goccioline che contengono il tipo di cellule di interesse (individuate mediante fluorescenza o luce rifratta) viene con ferita una carica elettrica che ne permette la raccolta, indirizzandole nelle provette mediante l'uso di piastre di deflessione cariche positivamente o negativamente. 4

Radioisotopi in combinazione con procedura FISH: microautoradiografia-FISH

mo trata un a mi hanno incorporato 14 . 2

l

~ ::E

(c)

Figura 18.30 MAR - FISH. Ibridazione fluorescente in situ (FISH) combinata con una microautoradiogr fia (MAR). (a) Una cellu la filamentosa di un microrganismo non coltivato app rtenente ai Gammaproteobacteria (come rivelato dalla FISH); l'assunzione di 14 C0 2 , rivelata dalla MAR, dimostra che si tratta di un organismo autotrofo . (b) AssunziorTe di 14 C-glucosio da parte di una coltura mista di Escherichia coli (cellule gialle) e di Herpetosiphon aurantiacus (cellule filamentose verdi). (c) MAR dello stesso campo di cellule mostrato in (b) . La radioattività incorporata impressiona la p llicola, evidenziando che il glucosio è stato assimil te prevalentemente dalle cellule di Escherichia coli.

CAPITOLO 18 •

METODI PER STUDI DI ECOLOGIA MICROBICA

eh

631

i degli or-

ti con ott

trarnbi i metodi. non

, ome abbiamo già i to

SIP me

ien

c nd tto un

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . , . Come potrebbe essere usata la NanoSIMS per identificare un batterio azoto-fissatore? Rispetto alla microscopia, quali sono i vantaggi e gli svantaggi del la citometria a flusso per la caratterizzazione di una comunità microbica? Attraverso la MAR-FISH come si possono collegare la diversità e l'attività microbica?

18.11 Associare geni e funzioni a specifici organismi: monitoraggio mediante marcatura con isotopi stabili e genomica a livello di singola cellula

Questa cellula metabolizza il substrato marcato con 13C

Campione ambientale

Esposizione al substrato marcato con 13

c.

Queste cellule non metabolizzano il substrato marcato con 13C

12

12 C·DNA

Separazione del DNA leggero ( 12 C) da quello pesante ( 13C).

C·DNA

Rimozione _13C·DNA. e analisi (PCR '! per l'amplificazione i dei16S rRNA i o di geni metabolici, _ _.,_.... Paragrafo 3.1 7) ne pos. ano in orp rare un a parl . lcuni isot pi l5 ntr ranno nel D dell 'organi . mo, ren !endolo i. ot pi am nte " più pcsant ". u . Lo D pu e.. er s parato da qu Ilo isot pi ca mcnlc più legge ro ( 14 ) mediani ultrac ntrifugaLi n ( igura 18.3 1) p i analiaato alla ri ·erca di g ni sp cifì i.

Genomica a livello di singola cellula

Cellule marcate secondo procedura FISH .

Isolamento delle cellule fluorescenti mediante citometria a flusso.

l

(Estrazione del DNA. )

~DNA (PCRJ

'

Ricerca di geni specifici (geni per I'RNA 165, geni metabolici ecc.).

Esecuzione della Multiple Displacement Amplification (MDA) e sequenziamento.

Primer

Polimerasi fag1ca

~~

~~

( Sequenziamento. J~

apaci t m Labo l ichc di mi r rgani m n n colti ati in precedcr11a posson essere utiliaate al fi n d1 svi luppare . trat gic p r il l' i olamento m dian t r dur d1 arri himento he conse ntano di ollencrc i ceppi d' in ter in co ltura axcnica. Figura 18.32 An alisi geneti ca di specif ici gruppi di cellule. Si estrae il DNA da specifiche popolazioni cellulari selezion te a seguito di marcatura FISH e separazione medi n te ci tometria a flusso (Figura 18.29). Il DNA viene caratterizzato mediante amplificazione per PCR e sequenziamento di geni specifici o mediante amplificazione dell'intero genoma mediante MDA seguita da sequenziamento . Per ottenere quantità di DNA sufficienti per il sequenziamento dell'intero genoma, per la procedura MDA si utilizzano corti primer di DNA di sequenza casuale, per permettere alla polimerasi fagica di iniziare la replicazione (A) . La DNA polimerasi fagica replica il DNA a partire da diversi punti del genoma e, contemporaneamente, spiazza l'elica di nuova sintesi (B, C) , rendendo quindi disponibili altri siti per l'appaiamento dei primer e per l'inizio di un nuovo ciclo di replicazione (D) .

CAP l T OL O 1 8 •

M ET ODl PER STUD l Dl ECOL OGl A M l CROB l CA

633

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . Come può la procedura SIP rivelare l'identità di un microrQuando derivante da crescita su 15N2 , il DNA di un batteganismo che svolge un determinato processo? rio azoto-fissatore sarà più leggero o più pesante di quello Quali sono i metodi chiave richiesti per la genomica a liveldi un batterio che non è in grado di fissare l'azoto? lo di singola cellula?

[CONCETTI FONDAMENTALI 18.1 • La t•'nt a d·ll• • llllr ' di arri ·chirn·nto c un1m.:tmlo p ' t tt •n •re mtcnHuani-.mi da

ampioni naturali.

L ' i \t~ lamcnto

di un indi ·ati1o ddla pr '•n ta n ·l amplllnc th organi-.mi dotati li \pecih ., ttpi tb metah li.,mo, ma non lorni' 'i nftti., ' IO '>u pia-,ua o il m •todn d·ll· dilu1 tio tH 111 tctrcno ltqtndo o '-Oildo. l .a mi ·romantpolatinn' cou '·'!! gi > 1:1\CJ · la c11omet11a a llu-.-.n pcnn ·ttouo di i,olan.: una '>ingoia c llula da un campion • O'>'>'' 1ato al mtcrone i~ot< pi ·a pu 111 ·lat• l'origt n ' hinlol!i ca tli di1cr' • matrici e/o il m • ·c~uw,m >l iochnni ·o coilllnlto nt:lla fonnation• til:llc \tCo,'>C. Il franonam •nto t\OWpico c il n-,ultato d•ll'attÌI ittt di cn timi c.: hc . 1uando \1 l ·ga no al -,uho,trato, di, 1imi nano l" i\otopo piu pc·,ante a fa1 ore di quello pitt legl!cro. 18.10 • Oggi. tnt co.,picuo numcm di t· ·nolo•ic a1antatc come la an> l 1 • la H lf . 1 R ftron l' pponunit< d t 'um mar • l'aui1 llà m taholi ·a, il < nt •nuto 'Cn ti o l' ·~prc~'> ion • gen i ca dt ·onwnita mi r t i h natur;tli. La l ano l 1 tmpi •a l:t t • nologia d ·Ila \petti omct 1ia di ma.,-,a di i 111 -,ccondari m•ntr • la l R t ~ t Il c mbina il rilc1 a m •nto di \llb,llati mar ati c n radtoi\Otopi ( 1 R all'idcntifì ·att n • fìlogcn ·ti ·a (H Il ).

18.5 • l a JCilttonc a catena della polimcra-.i (P ' R) pui1 c.,-,c.:rc uti lt11ata pct amplificatc ~cnt \fX:cifìci. come i geni che t:odificano l' R J\ d ·Ila 'uhunit:t pie o la del 1iho'>nma o gcnt londamcntali in alc uni proc ·~,1 m ·taboltct. L'clettrof< n:,t \U gel in gradicnt • d·nat UJant· (l (ì il ~) puo c.,'>cJC uttli11ata p 'l -,cp:uar ·l l' umi

o

bagn to

Apporti di energia nell'ecosistema

pH: 0 - }7 )14

0 2: aerobich Luce: inlen

mi crobiche int ragi n con co munità di rgani mi up ri ori e con ì fatt ri abi otici , determinand il funzionamento di qu l dato eco i tema.

> microaerotile

anaerob1ch

peno bra - > buio

Condizioni o motìche: acque dolci ' acque marine > acqu ip rsaJine

L 'en rgia entra neg li i t mi . otto fo rm a di lu c lare, di di c mpo ti in organi i rid tti. a lu carbonio org ni utili zzata dag li orga ni mi fot tr fì per produrr TP e . inte( igura 19.2), i l qual , oltr ti zar nuovo materia! rgani al carbon io. c nti n anch azoto. zolf . fo. fo ro . ~ rro m ILi

638

JN l l A 4 •

EC Ol OGl A M CRO8 l C A E M l C RO8 l O C ~ l A A M Eli F N TA [ Luce

L Comunità 1 Zona raggiunta dalla rad1az1one luminosa fototroh ossigen1ci 6C02 +6 H .O ~ H1 +60,

c ,o

Comunità 2 Zona aerobica: aerob1e anaerobi facoltatiVI

c H 120 6 + 6 o2 6CO + 6 H,,O

Comunità 3 Sed1ment1 anoSSICI 1 Associazione 1 batten den1tnfocant1 (N0 3 batten lerro-ndutton (Fe 1 ' .. Fe' ' > 2 Associazione 2 batten solfato-ndutton (SO;' batten solfo-nduttori (5° .. H 2 S)

..

i llu stra te le modalità attraver le qual i di ffer . i t m~ ni di micro rganismi innuenza n la himica di un lac ustre. L a sequ en; a delle ari at:i ni del chimi mo i n fun ...:i one dell a crescente pr fondi tà dei sedi m n ti corri p nd a iazion i mi difl"etenti . trati in cu i ri orron le di er. e a. crobi che. li po iLionam nt di og ni a s iazi n all ' in t rm dell ' eco. i tema dct rmin at principalmente dall a di . p ni bi litc di donatori e di accetlori di el ttroni, gli uni gli altr tenden;:ialmcnte dccre. ce nti all ' aumentare d Ila pr r ndit: del s dimento.

N2 )

.. H2 S)

3 Associazione 3 batten fermentanti 4. Associazione 4: metanogem (C0 2 CH 4 ) omoacetogeni (C02 acetato)

Figura 19.2 Popol azioni, associazioni, comunità. Le comunità microbiche sono composte da popolazioni di cellule appartenenti a varie specie. Un ecosistema acquatico potrebbe, per esempio, ospitare le comuni tà qui illustrate. La riduzione di N0 3 , Fe 3 ., SOf , S0 e C0 2 rappresenta la gamma di possibilità attraverso le quali si attua la respirazione anaerobica. Ognuno di questi processi respiratori presenterà un picco di attività a una diversa profondità del sedimento. Mentre gli accettori di elettroni energeticamente più favorevoli vengono rapidamente consumati nelle regioni più superficiali, le reazioni meno favorevoli avranno luogo in quelli più profondi.

altri elementi (et+' Paragrafo 3. 1). uest materi ale organi co di nuova si nte. i, insieme all a sostan;a organi ca che entra nell 'e os istema dall' est rn (. o. tan;;a organi ca alloctona). alimen ta le atti vi tà metabol iche dei microrga ni smi ter trofi , in grado di fermentare i co mpo. ti organi i o di oss id ar! i fi n a 0 2 mediante la re. pira;;ionc. l mi r rganismi chd niolitotroli, even tu almente presenti nell 'c osistema, possono conservare l'energia attraverso l' o. sida;;ione di donatori di elettroni 0 c in orga nici , come H 2, 2+ H 1 ( apitoli 13 c 14). c con tribui scono all a si ntes i di nuova sostan;a organi ca con il metabo l ismo autotro fo (Figura 19.2).

Cicli biogeochimici l microrgani smi svo lgon un ruol di estrema importan;a nei cic li deg li elementi, in parti colare nei cicli del ca rbonio, dell w lf • dell 'az.oto e del ~ rr . o . tudi delle trasforma...:ioni che un cl ment subi. c all ' int rn o del ciclo che lo riguard a è parte di un a di ci lina hc prende il nome di biog ochimi ca, una sc ienza interdi . ci plinare che comprend aspetti bi ologici , geolog ici e chimi i. ella igura 19. 2 sono

Verifica • Qual è la differenza tra un 'associazione e una co munità microbica? • Che cos'è un ciclo biogeochimico? Fornitene un esempio basato sullo zolfo. Perch é i cicli biogeochimici vengono anche chiamati cicli dei nutrienti?

Il • Ambiente microbico l microrgani smi dc fini con i lim iti dell a vita negli ambienti terrestri e acquati ci del n str pianeta. e condi zioni speci-

fiche p r un partic !are micr rganism o grupp di mi r r gani mi pos ono e cr oggetle a rapide vari azi ni d ut

C'A P l TOL O 1 Q •

a immissioni o a rilasci di materia ed energia dai rispettivi habitat, all'attività microbica stessa o a perturbazioni fisiche. In un determina! ambient vi possono perciò e. ser . variati habitat, alcuni dei quali relativamente stabi li mentre altri oggetti a rapide variazioni nel tempo e nello spazio.

639

t C OS l S TE M l M l CROB l C l

6

3

'E

19.3 Ambienti e microambienti

§. una misura " istantanea". l va lori dell a concentra1.ione di oss igeno mi surati dopo un peri odo di inten a r pi ra1.ionc mi crobi ca o dopo cale dal ento, dall a pioggia o dall ' a1.ionc p rturba1.ioni pr disgregatrice deg li animali he vivono nel suolo potrcbb ro differire grandemente da quelli riportati n Il a lì gura. el cor. o di eventi di qu sto tipo, certe popola1.ioni potr bbero temporan ament sv lgere un ruolo dominan t c raggi ungere elevate densità, m ntr altre potr bbero rimaner dormienti o quai . Tuttav ia, nel momento in ui dovessero ess re ristabil ite le condi;ioni illustrate nell a Figura 19.3, crrcbbero a loro volta ripri stinate l atti vità caratt risti che di ciascuna di fferente regione nell'ambito dell a parti ce ll a di suolo.

Concentrazione dei nutrienti e tassi di crescita L ' ingresso di ri . or. e (Tabe ll a 19. 1) in un e osi . tema avv iene tipi ca mente in modo intermittente. ' immi ss ione di un a ospi cua quantità di nutri enti , deri vante p r esempi dall 'a pporto di fog li morte o di una carcassa di anim ale, pu c.. re s guita da un periodo durante il quale l 'afflu ss di sostan1.e nutnll ve . ca rso. In condi;i oni naturali , i mi ·ro rganismi devono spesso affro ntare un 'es isten1.a contrassegnata dall 'a lternanl.a di p ri odi di abb ndan1.a c p ri di di care. ti a. Per questo moti v , molti micr rgani. mi produc< no, quand le ri sorse di sponi bili . no abbondanti , polim ri che servono com mat ri ale di ri serva cui far ricorso nei peri odi di cares tia. sc mpi di materi ali di ri s rva s no i poli -13-idrossialcanoati , i po li saccarid i i polifo. fati (c!~ Paragra fo 2. 14). i riti ene he, in natura, lunghi p ri odi di re. cita esp n nl.i alc siano piuttosto rari . Ti pica mente. in vece, si hanno brev i peri odi di ere. ita rapida, strettamente dipend nti dall a di sponibilità e dal tipo di nutrienti . Poich in natura4è molt raro che le co ndi~.i o n i chimico-fi siche siano tutte cont mporancament ottimali , di solito, i l tass di cresc ita d i microrgani smi n gli ambi enti naturali ri sul ta a ·sa i inferi ore ri spetto al tasso mass imo di cr sc ita ottenibil e in laboratori o. Per esempi o, il tempo di genera1. ion di Escherich ia coli nell ' intestin o di un a persona adulta in . alute, che si nutre rcg >larmcntc, di ci rca 12 ore (due duplica;ioni al giorn o). mentre in coltura pura la cr sc ita è molto più rapida, con un tempo di gcncra;ione che in condi ;ioni ottim ali può arri var a . oli 20 minuti . tudi spcrim ntali hanno c iden7i ato come, in natura, la magg ior parte d i batteri del suolo cresca ad un ta so inferiore all ' l % ri. petto al tas. o mass imo di ere. cita mi surato in l ab ratori o. Questi tas. i di cresc ita pÌLI ba .. i in natu ra ri . petto a qu anto ri . co ntrato in laboratori o riO ttono quanto . egue: ( l ) . pesso le ri sor. c e le co ndi;.ioni di ere. cita (Tabell a 19. 1) non . ono quelle ottimali , (2) la di. tribu;.ione di nutrienti nell ' habitat non uniform e e (3) negli ambi enti naturali , a ecce;i one di ra ri cas i, i mi rorgani smi non so no pre enti come co lture pure, ma come popola1.ioni mi . te. n organi. mo che in collocemcnle, potrebbe non es. ere altrettanto tura pura cresce

ffi ci nte in un ambi ente naturale in cui si trova a comp tl· re c n altri organi smi più adatti , nell e condi;.ioni ambi ntal dal , all o . fruttam nto d Ile risor. c di sponibili .

Competizione e cooperazione tra microrganismi La competi;.i ne tra mi crorganismi per le ri sorse di sp nibil in un cert o habitat pu sserc molto intensa. Il risulta! fìnal1 dipende da . ari ati fattori , tra i quali il tasso a ·ui un mi r Paragrafo .18.7) hanno dim Lrato che A l uni ctinobacteria co ntengono eni imi li a quell i eh difìcano p r la batt ri roclop in a, una pr t ina int grata di m mbrana che co nv rte la l'en rgia olar in TP (Paragrafo 19.1 1 et+:> Paragrafo 16. 1) negli Archaea trem -alofi li (l ana l go d gli ctinobacteria vi ne chi ama! actinorodopsina). Pertanto alcuni Actinobacteria p tr bbero utilizzare la luce com so rg nt eli en rgia. l Bacteroidet on b n rappre ntati neg li ecos i t mi lacu tri. ono organ i mi noti per la n tevo le di r ità m taboli ca e ono ritenuti import nti n i l ghi p rch p ono d gradare div r i biopo l im eri e comp ti umici. l Betapro/ obacteria, eh ricorr no i n numero abb ndant ono t nd nre ve l m nte ri p ndenzialm nte pecie in grad eli cr do in mani era rapida alla r pentina immi ion di nutri nti n più com ti organi ci, mentre gli Alphaproteobac1eria tivi in co nd izion i di ba · a di sp nibilità di nutri nti rga nici. Qu to è probabil ment il moti o p r cui tro iamo in maggior numero que t' ultimi nell acque p lag iche oli gotr fi che ( i v da la Fi gura 19.27).

In t rmini generali , po iam dir eh l'alla di v r ità pr 1 rioti a n i laghi di acqua d Ice ( igura 19. 1 ) riA ette il art 1 tere dinamic di qu ti hab itat. I l ghi ri no in fa tti i m mi ioni tagi nalm nt variabili di nutri nti e g ni d nd geni, una condi zi ne eh tiene un a c munit pr fil gen ticamente e metaboli ca m

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - Cos'è un produttore primario? In un lago di acqua dole dove possiamo trovare i produttori primari, nell 'epimilio o nell 'ipomilio? Perché? L'aggiunta di sostanza organica in un campione d'acqua fa aumentare il valore di BOD o ne determina la diminuzione? Quali sono i fattori che possono influenzare la diversi tà procariotica nei laghi di acqua dolce?

19.9 Ambiente marino: fototrofi e correlazioni con i livelli di ossigeno atta ccezion

d Il '

tlanti c Ti m - erie tucly (B ), prog tt di ri rea che ha una Loria di monitoraggi ochimi ntinu o d Ile acque ceani ch a partir dalla m tà degli anni '50 del eco l coro , ta ggi illl grando l ana lisi m lec lari cl Il a truttura d Ile popo laz ioni mi r biche in qu l co nt t marino. li B T ha identi!ìcat tre comunità micr bi ch ad andamento tagionale nell e acque d gl i ocean i: ( l ) l comun it h i f rma in ri p ta all a lì ritura prim ari! alla UJ erfic i d Ile acqu (co n la diffu ion di piec l algh u ari ti he, attin batteri marini e du gruppi di lphaproteoba teria) ; (2) la co munità e ti a n Ila porzi n pii:t al ta d Il a colonna d'acqu a a oc iata all a tratifìcazi n dell e acqu mari n ( omp r ncl ent i g n ri Pelagibacler, Puniceispirillum due gruppi di Gammaproteobacteria ); (3) la c munità più profonda e più tabi le (co mprendent itrosopumìlus, rappr ntanti d J grupp RJ l tra cu i g n ri affin i di Pelagibacter, un gruppo di e/taproteoba cteria p ci e di du gruppi a fin i a h/orojlexi Fibrobacter). • chiaro perci eh una co mpi a e scar amente interpretata

CAPITOLO 19 •

ECOSISTE M M CROBICI

657

in terazion tra l ariazi ni tagion ali d Ile qu ell e dei fattori bioti i contr co-chimi ch delle omunità mi cr bi ch o eani ch , con una ad n/a icl i-

llul ar , gli orga nismi necess itano di un piLI este. o bagagli o enzimati o per il tra port dei nutrienti laddove acq ui iscono le o. tan/e nutriti ve da un amb iente in cui queste so no molto diluit (o ligotrofico) rispetto all e cond iti oni di approv igionamcn to da un ambi ente ri cco di nut rienti (eutrifico) . Per e empi , gli 1\rclwea ammonio-ossidan ti ( itrosopumilus, c!p Paragrafo 16.6). i chem iolitotrofi dominanti nelle acq ue pelagiche, ..,ono forni ti di sistemi di traspono dotati di un 'e levata affin ità per l'ammonio, substrato che essi utili/t.ano come donatore di elettroni nel metabolismo en rgetico. ell e acqu pelagiche, la risalita dei nutrienti dagi i strati profondi e inferiore a quella che i osser a nei lagh i di acqua dolce, e, di consegu nLa, è in feriore anch la produttività pri mari a 111 dia. Tuttavia, a cau a d Ila va tità degli ceani , compie sivamcnte la captaLione di dios ·ido di carb n io e la prod uzio ne di os igeno da pa1t e d i f totrofi o sige nici eh vivono in questi amb ien ti so no tra i principa li fattori che influenLano i l bilancio del carbon io su ll a Ten·a. a salini tà più o meno cos tante ncll .wne pe lag iche, ma varia consid revo lmente nell e aree costiere. L ' immi ss ione di sostan.w orga ni ca ed elementi minerali da ambi enti terrestri , l'accumulo di qu sti componen ti e lari ..,al ita di acq ue ricche di nutrienti ono fattori che favoriscono lo sv il uppo di abb ndanti p p lu i ni di microrganismi ~ totrofi nell e a que co. tiere piutt t che in quelle pelagiche (Figura 19.19). l ro lta, le acqu c . tier , più pr dutti e, permeu no ai batt ri chcmi rganotr ne agli animali acquatici, come pe ci e mollu. chi, di raggiungere più ele ate densi t di popolat.ionc. Ile acq ue marine poco pro fonde, c m in certe baie o insenature, l' immi ssione di nutri en ti pu addirittura ponare a condit.ioni in termitt nti di anossia, do ute al n umo di os:-.igeno a scguit della rcspirat.ione e all a pr dut.ione di H 2 da parte dei batteri sol fato-riduttori. el olf del cssico es iste un 'estesa regione (ci rca 15 000- 1 000 km 2 ) int re. sala dall'esaurimen to di oss igcn a s ciato ag li ing nti carichi di amt e fosforo portati dal fiume Mi . issippi com onsegu nLa del drenaggi dell acqu di in·igaLi ne d Ila va ll e p rcorsa dal m de. im fiume. uest'ar a, chiamata ulf of Mexico Dead Zone (Zona na del l del e sico), c ntribui sce alla dra tica ridu.d ne di p sca t e allo squilibrio nell a ca t na alimen tare bentonica che sos ti ne le principali ssic sta purindu tri e ittiche della r gione. Il o l fo d l troppo sperimentando anch altri problemi eco log ici che di segui to ci accingiamo ad ana li uar .

Figura 19.19 Rilevamento satellitare della distribuzione della clorofilla nell' Ocea no Atl antico nord-occidenta le. La linea tratteggiata mostra la costa est degli Stati Uniti dalla Carolina al Maine settentrionale. Le aree ricche di plancton fototrofo sono mostrate in rosso (> 1 mg di clorofilla/m 3); le aree blu e porpora presentano concentrazioni inferiori di clorofilla(< 0,01 mg/m3). Si noti l'elevata produttività primaria delle aree costiere e dei Grandi Laghi.

Catastrofe della piattaforma petrolifera Deepwater Horizon In aggiunta al degrado cronico a arico dell'ecologia del lfo del es. ico dovuta alle acq ue di irri gat.ione, l 'aumento delle trivellaLioni per la ricerca di petrolio rappresenta un seri o aggravio dei rischi ambientali . La più gra e cata. trofe a ven uta nel olfo è stata l'e plosione e l'affondamento della piattaforma di tri cll aLi ne Deepwat r H rit.on avvenut a nell'aprii del 20 10. li malfunLionament del controll o della pres. ione ali' interno del d tto di pcrf ra/ionc determinò in qucll' casione la rottura del la trivella a una profondità di l ,5 km e la disper ion di oltre 4 111ili ni di barili di gr ggio, prima eh la c ndotta eni · e riparata e chiusa circa tre mesi dopo l 'e ent (Figura 19.20). i trattato del pitl cospi cuo rilascio a mare di petrolio mai registrato. reso unico dal fatto che la gran pal1e del greggio vcn i a lib rata in forma di denso p nna chio al fondo della co lonna d'acqua. i so lito, gli v rsam nti a mar di petrol io determinano la con tam in at.ionc soprallull dell acque di superficie, con conseguente rapida latiliLLaLi n dispersione in atmosfera dci composti a bas · pe m l (come naftalene. eti l-bcnLene, toluene e il ne). Purtr pp il di astro della Deepwatcr Horiwn ha cau. at la disp r-.ion composti a basso peso molecol c d l ga. natura! (m tano, etano, propano) in profondità. Que ti c mp sti rapprcs nta· vano circa il 35Ck d l penna hi di idr ar uri l mi nt si per m lte miglia nel olf d l ssi , dalla upalici fin 1 a pr fondità superiori a 00 m tri ( i ura l' Oh). La rispos ta m icr bica alla c mtamma1ion da tdr x:arhu ri è . tata studi ata p r di ersi 111 si con 111 todi sia coltura-di-

658

NITA '

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u G M t.' Il 11 OBl CA E Ml ... R L l

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{a)

l A A ;1 'l l N AL E

(b)

Figura 19.20 Sversamento di greggio dalla piattaforma petrolifera Deepwater Horizon nel Golfo del Messico. (a) Il paesaggio infernale dell'incendio della piattaforma di trivellazione. (b) Immagine ripresa dal satellite "TERRA" ripresa della NASA relativa al Golfo del Messico v1cino a New Orleans, Louisiana, il 24 maggio del 201 O. Un esteso pennacchio di petrolio è stato rilasciato a circa 1500 metri di profondità e una parte di questo ha raggiunto la superficie, dove la luce del sole viene riflessa dalla chiazza oleosa (frecce).

pendenti sia molccolari. quali il sequen;iamento dci geni per l'rR 16 . il sequcn;iamento metagenomico. c le ana li si con microarray fì logenctici (~p Paragrafi 18.5- 18.7). Questi metodi hanno e idcn;iato come la risposta microbica ini;iale (tra maggio e giugno 20 l 0) sia consistita nella fioritura di specie di Gammaproteobacteria affini ai generi del gruppo Oceanospirillales capaci di degradare gli idrocarburi, nonché dei gen ri o/wellia c ycloclasricus. L'aumento del numero di olwellia c d Ile spec ie appartenenti alle Oceanospiril/ale.\ è stato attribuito al la peculiare capacità di utiliuare gli idrocarburi gassos i, in quanto i batteri appartenenti ad entrambe queste categorie tassonomiche hanno cviden;iato b~ona crescita a seguito dell'aggiunta di etano o propano nelle co lture di arricchimento (~p Paragrafo 18.1 ). e spec ie di o!H·ellia contribuiscono anche alla dcgradatione di una variet· di al tri idrocarburi , come dimostrato dalla capacità di crescita in colture di arricchimento contenenti petro lio gregg io pri\O dei componen ti del gas natura) c per meuo di esperimenti con sonde isotopiche (~P Paragrafo 18. 1l ) che hanno ev iden;iato l'i ncorpora7i ne di carbonio proveniente da ben1.cne 13 . onostante es i. ta ancora incerteua sul destino degli idrocarburi rilasciati durante il rilascio dalla Decpwater Horiwn. sembra che la stim ola1.ione primaria della crescita di batteri capac i di tras formare gli idrocarburi in compo!-.ti più fac ilm en te degradab ili , so lubili e a basso peso molecolare abbia aiu tato a ridurre l'impatto ambientale di questo immen. o s ersamento di petrolio in mare.

Zone a minimo contenuto di ossigeno n· altra situa1.ione caratteristica nelle acque marine è rappresentata dalle zone • minimo onten uto di o ige no (OMZ. O:r:ygen Minimum Zones), aree quasi prive di 2 ricorrenti a pr fondità intermedie. di solito tra 100 e 1000 metri. che si

estendono per vasti tratti sia in mare aperto sia in pros!-.imità delle coste. Queste arce si formano quando la domanda respiratoria di ossigeno supera la disponibilità di questo element e sono associate a regioni altamente produttive c ricche di nutrienti . i tratta perciò di un a cond itione '>imile al fenome n di esaurimento dell'ossigeno causato dall'apporto di acqu di drenaggio provenienti dai terreni agricol i, come nel ca. o della Zona Morta del olfo del essico. uttavia le Z rappresentano situationi che precedono le att ivi tà antropic he e che si originano naturalmente in regioni in cu i si registra una grande produ;ionc primaria superficiale c uno scarso ri mescolamento con acque ricche di ossigeno. l alori di satu ratione di ossigeno della più grande O Z conosciuta. situata al largo della costa pacifica del Perù. sono inferiori del 1()'/c rispetto a quelli di superfic ie. l livelli di ossigeno in alcuni intervalli di profondità degli OMZ del Go lf del Benga la c del Mare Arabico ~ono pro~simi allo 1.ero. Per questo motivo. le OMZ sono state rico nosciute come luoghi in cui si concen trano perdite significative di a;oto fissato com conseguen;a della dcnitrifica; ione (etp Paragrafo 13. 17) c dci processi anammox (o~sidationc anaerobica dell'ammoniaca) (~p Paragrafo 13.1 0). ltre a ontribuire per una fra; ione importan te di que l 50% di perdita di a;oto fissato imputabile agli oceani , queste regioni sono anche una sorgente di ossid n itroso ( 20), un potente gas serra prodotto dagi i oceani per un ter;o circa del totale liberato in atmosfera. li studi in corso sulle OMZ hanno dimostrato che queste regioni di progressivo esaurimento di ossigeno sono in espansione, quasi sicuramente a causa d l riscaldamento globale. iccome gl i oceani assorbono una maggiore quantità di calore, il riscaldamento delle acque di superficie incremen ta la stratificaJ.ione delle acque superficiali stesse e riduce il trasferimento di ossigeno alle ;one più profond . L'espansione delle O Z

CAPTO O 19 •

[COSISTEMI MICROBICI

659

fa v ri ce i proce i mi robici ana r bici a spes di qu Ili aerobici hc sostengono i cicli alimentari ceanici. ue ti cambiamenti po. sono ult riormente influen;:are la chimica d ll 'atm sfera, aumentando il ri la io di 2 , e avere ricadute negative su lle ramificate cat ne al im ntari marine, riducend i li eli i di azoto fi ato. Il a fine, que te al tera;:ioni finiranno di ert per riper uoter. i negativamente anche ulla pesca. Verifica Che cosa ci ha insegnato il disastro della Deepwater Horizon circa i processi di degradazione delle miscele di idrocarburi in natura? L'aggiunta di sostanza organica a un campione d'acqua farà aumentare o diminuire i valori di 800? Cos'è una zona a minimo contenuto di ossigeno e perché J l'espansione di queste zone rappresenta un problema per l'ecologia marina e per quella globale?

19.1 O Principali fototrofi marini Gli ocea ni ospitano un grande numero di microrganismi fotosintet ici, comprendenti fototrofi o. sigenici eucarioti e procarioti non hé un numcr ignifì ati o di batteri rossi foto intetici (ano. sigenici). ac iam ra il punt su questi organismi com preme a all' e. plorazi ne de l mond pr ariotico marino eh affr nterem in generai nel paragraf successivo.

Produttività primaria: Prochlorococcus In mare aperto, la maggi r parte della pr duttività primaria, an he a profondità ignifìcative, imputabile all a fotosintei delle proclorofi te, piccoli fototrofì procarioti filogeneticamente corre lati ai eia n batteri (~+"' Paragrafo 14.3) contenenti clor fìlle di tipo a e b, ma privi di fìcobiline. ra questi batteri, Prochlorococcu rappresenta un produttore primario di partico lare importanza negli ambienti marini (Figura 19.21 ). Poiché in que to rgan i mo non ono pre en ti fìcobiline, pigmenti acce ori caratteri tici dei cianobatteri (~+"' Paragrafo 13.2), so. pen i ni den. di cellule di Prochlorococcu.\ appaiono di colore vcrd oli a, imi le a quello d Ile alghe verdi, piuttosto che di co lore blu-verd , c me quell tipico d i cianobatteri (si confr ntinole igure 19.1ce 19.18). Pro lzlorococcu r ponsabil di cir a la m tà della bi ma a della pr duzione primaria nelle z ne eaniche tropi ali e ·ubtropi ca li d Ila Terra e pu raggiungere den ità di popolaLione pari 105 cellule/m L. ono tati id ntifìcati almeno quattro ceppi di Prochlorococcus e iascun di e si occupa un d term inato int rvallo di profondità delle a que p lagiche. l diversi ceppi di Prochlorococcus sono con iderati ecotipi di stinti , cioè vari anti geneti che di una stessa specie che presentano alcun piccole differcnLe fì iologichc e, pertanto, o upano nicchie leggermente differenti. f diver. i ecotipi di Prochlorococcu . fruttano, per la foto inte i, differenti inten ità lumi no e e u ano differenti fonti di fosforo e di a/.Oto, organico o inorganico, per le bio inte i. Prochlorococcus sì distribuisce perci sia nelle acque superficia li sia nelle acque fino a 200 m ma, laddove ia pre ente una zona a minimo con tenuto di osigeno (Paragrafo 19.9) la diffu ione è lim itata agli strati so-

Figura 19.21 Prochlorococcus, il fototrofo ossigenico più abbondante negli oceani. La bottiglia contenente una coltura di Prochlorococcus mostra il tipico colore verde oliva delle cellule che contengono clorofilla a e b ma mancano di ficobiline Nell'inserto: cellule di Prochlorococcus colorate mediante procedura FISH (Fiuorescence ln-Situ Hybridization) in un campione di acqua marina (èi) Paragrafo 18.4 e Figura 18.19).

vrastanti tale zona. Quest'ultima si tr va vicina al fondo della ;:ona fotica dove l'intensità luminosa è molto bassa (si veda la igura 19.24). Dal confronto delle sequen;:e dei genomi di una doaina di diversi ecotipi di Prochlorococcus è risultato come. sebbene ciascun ecotipo p ssegga all'incirca 2000 geni, solo prcssapoco Il 00 risultino comun i a tutti i ceppi anali/lati. Ogni ecotipo possi d circa 200 geni in maniera esclusiva e che, pre. umibilmente, hanno un significato adattativo per la crescita nella relativa nicchia realitt.ata. Questo argomento ha costituito materia del apitolo 18, in cui è stato analiuato il confronto tra il genoma di un singolo ecotipo di Prochlorococcus disponibile in coltura e le sequen;:e del metagenoma ottenute da acque p lagiche ( ~p Paragrafo 18.7 e igura 18.19).

Altri fototrofi ossigenici pelagici ei mari tropicali e subtropicali è molto comune, e occasionalmente abbondante, il cianobatterio marino planctonico fi lamento o Trichodesmiwn (Figura 19.22a). c cellule di Trichodesmilllll formano colonie il cui aspetto è . im ile a un ciuffo di filamenti . Ogni colonia contiene parecchie centinaia di filamenti e ogni ti lamento è composto da un num rodi cellule variabile da 20 a 200. el ardei arabi, la densità delle colonie di questo microrganismo pu raggiungere al ori di l 00 colonie/m' . Triclwdesmium è un cianobatterio a1oto-fissatore e la produtione di atoto fissato da parte di questo microrganismo si ritiene sia uno dei pa saggi fondamentali del ciclo dell'atoto negli ambienti marini . Trichodesmiwn contiene fì cobiline, che sono invece a.. enti nelle proclorofite, e perciò differisce da que ti mi r rganismi nelle proprietà di assorbi mento della radiaLi ne luminosa( ~+"' Paragrafo 13.2).

660

J N TA 4 • l COLOGl A Ml CROBl CA E Ml C ROBl OLOGl A AMBl ENTAL E.

(a)

Fototrofi anossigenici aerobi

(b)

Figura 19.22 Trichodesmium e Ostreococcus. (a) Foto al microscopio ottico di un ciuffo di cellule del cianobatterio Trichodesmium . l filamenti sono costituiti da catenelle di cellule, ciascuna delle quali ha un diametro di circa 6 f.l.m . (b) Foto al microscopio elettronico a trasmissione di una cellula di Ostreococcus, una piccolissima al~ verde (eucariote), ricorrente soprattutto nelle acque marine costiere. La freccia indica il cloroplasto . Una cellula di Ostreococcus ha un diametro di circa 0,7 f.l.m .

Le acque costiere e pclagiche l-.ono POI olate anche da organism i fototrofì eucarioti di dim n ioni m IL pie le h rappresentano addiriLtura le c llul e eucario ti che più picco le a oggi conosciute. Tre gen ri assai com uni , Bat!tycoccu. , 1icromonas e Ostreococcu , contengono un so lo mito ondrio c un l-.o lo cloroplasto p r ·ellul a. uesti generi sono stati assegnati alla famiglia di alghe rdi Prasinophyceae , distaccatas i precocemente dalle altre l inc evo luti ve li algh d Il stesso tipo( ~+> Parag rafo 17.16). e llul di streococcus sono di forma cocco id e hann un diam tro di s li 0,7 JJ.m ( - igura 19 . 19b ), eh persin o più picco lo di quell di un a cellu la del baucrio Escherichia coli. onostanle le cellul e di treococcu e quelle di Prochloroco 'CIIS abbiano all ' incirca le . Le se dim nsioni cd entrambi siano folotrofì o sige ni ci, i ri p Lti i genomi risultano assai di ersi . Il genoma di treococcll corri ponete infaui a 12.6 bp (mega paia di ba. i, distribuii in 20 cr m som i ),

Figura 19.23 Batteri fototrofi anossigenici aerobi (AAPB, A erobic Anoxygenic Phototrophic Bacteria).

Foto al microscopio elettron ico a trasmissione di cellule di Citromicrobium (colorazione negativa). Le cellule di questo fototrofo anossigenico aerobico marino producono batterioclorofilla a solo in aerobiosi e si dividono sia per gemmazione sia per scissione binaria, producendo cel lule di morfologia irregolare assai inusuale.

CAPITOLO 19 • ECOSISTEMI MICROBICI

quindi uppl m nt al

Su~erficie

Il

erlt

661

l

Archaea Bacteria

r oallololml)

Bacteria

Archaea

roch/orococcus, il fototrofo ossigcnico più abbondante negli oceani ( igura 19.2 1 c Paragrafo 19. 10), contcngon geni che codificano proteine necessarie per la fotosintesi, suggerisce che persino fun1ioni metaboliche fondamentali possano cs'>crc codificate dai irw.. onoMantc gli studi sulla diversità genetica dei virus marini siano ancora in una fase ini1iale. si ritiene che la biodivcr!-.ità di questi microrganismi non cellulari possa superare persino quella dei procarioti. rendendo gli oceani un vero crogiolo di diversità genetica.

Panoramica filogenetica della diversità dei procarioti nelle acque marine aperte umcrosi studi hanno tentato di fornire un quadro della diversità dei procarioti marini planctonici mediante analisi dcll'rR 16 ottenuto da campioni di acqua di mare. La prcscn1a di abbondanti popola1ioni di alfaproteobatteri, cui appartiene anche Pelagibacter, c stata di fallo evidcrviata proprio dallo studio delle sequen1e codificanti per gli rR 16 . o n gli stessi metodi è stata rilevata anche la prese n/a di rclraea mesofìli correlati a Nitro.\ opwnilus maritimus (è.:> Paragrafo 16.6).

Figura 19.26 Viru s nelle acque di mare. Campione di acqua, prevramente filtrato attraverso pori di 0,02 f.l.m e colorato con SYBR Green, osservato al microscopio a eprfluorescenza. l minuscoli puntini verdi corrispondono a partrcelle virali mentre quelli più grandi a cellule di procanoti dr circa 0,5 f.l.m di diametro. Nelle acque marine, i virus sono di solito 10 volte prù abbondanti dei procarioti a trasmissione. Le foto al microscopio elettronico a trasmissione nell'inserto mostrano vari virus battenci marini (barra di riferimento in tutti i riquadri dell'inserto corrisponde a una lunghezza di 100 nm).

l principali gruppi procarioti a oggi riconosciuti quali componenti batteriche pii:r abbondan ti nelle acque pclagichc sono lp/w- e Cammaproteohacteria, cianobatteri. Bacteroidetes c, in minor misura. Bewproteobacteria c ctinolwcteria. mentre i Firmicutes rappresentano so lo una fraLione minoritaria (figura 19.27). ome nel ).Uolo, anche nelle acque marine e presente una cospicua componente di gruppi batterici non classificati

Altri

Proteobacter~a

Alteromonada/es

Oceanospmllales Pseudomonada/es Vi briona/es

Grupp1 battencr minon e non class1ficatr

Altri Proteobacteria

Figura 19.27 Diversità dei procarioti nelle acq ue pelagiche ocea niche. Lo schema è il risultato dell'analisi di 25 975 sequenze di geni codificanti per I'RNA ribosomale 16S ottenute a partire da campioni di acque oceaniche pelagiche, nel corso di svariate campagne di studio. Le caratteristiche di molti dr questi gruppi sono state illustrate nei Capitoli 14 e 15 (Bacteria) o 16 (Archaea). Sono indicati 1 pnncipali sottogruppi dei Proteobacteria . Si noti l'elevata quantità di sequenze di cianobatteri e dr Gammaproteobacteria. (Datr elaborati e analizzati da Nicolas Pinel.) Si confronti la diversità procariotica delle acque marine con quella delle acque dolci riportata nella Figura 19.18

664

UNITA 4 •

~COL OGIA MIC.f10BICA l MICROBIOl OGIA AMBI[ NTALf

o appan nenti a cat g ri e minori. no d i prin ipali gruppi ammaproteobacteria marini , identi fìcato c m "grupp R 6", p r il quale non on ancora di p nibili olture di laborat ri , rappre. enta cir a il IO% del totale dell a co munità pr ari ti ca deg li trati uperfì iali degli ceani . 'a ltra parte, nell acqu pelag ich , la di ver. ità degli rc/wea rapprc. cntata da un gruppo piuttosto ri stretto di Eurya rchaeota, renarchaeota e Thaumarclweota , la maggior part dei quali n n son : tali anco ra ttenuti in coltura a cnica. Fatta eccezione per i cianobatteri, i riti n eh la maggior part dei Bacteria marini sian h mi organotro fì adattati ad ambi nti in cui la di sponibi lità di nutri enti es trern am nte sca r. a, alcuni d i quali sono in grado di in rem ntarc la co nscr azione di en rgia grat. ie al la present.a di prot or dopsina o medi ante fot sintes i anoss ig ni ca in condi1i oni aerobi che (Para grafo 19. 10). La sco p rta d l chemi olit trofo itrosopumilus ha suggerito la possi bili tà che molti A rclwea mari ni siano spccial iua ti nell' oss ida1ione dell'ammoni o, sebbene si ritenga molto probabile anche la prcsent.a di specie eterotrofe. frutt and o il metodo delle " dilui t.ioni seri ali del l ' ino ulo" c t rreni di cresc ita mol to diluiti (c!+> Parag rafo 18.2), si è riu sc iti a c lti va re in labora tori alcuni pro arioti p lag ici. cm bra che la maggior parte di questi rgani smi si sia e Iuta adattand os i all a ·rcsci ta in ambi nti caratl ri1 t.a ti da c n cntrat.i oni di nutri enti molto bass '; pertan to, ri . ulta molt diffì cile o addirittura imposs ibile riusci re a ottcnerli in oltur ad alta dcnsit[l cellul are. i fatto, nell e co lture di lab ral ri o la densità ce ll ulare ottenibil c co n gli oligotroli marini simi le a quel la che qu esti mi ·rorgani sm i raggiungono nei risp tti i ambienti naturali ( l 05- 106/m ). i fa sì che molti d i met di pi LI co muni impi egati per mi sura re la cresc ita (torbidità, cont ggio al mi cr scop io) siano inutili Z!abili laddove in prccedent.a non si sia pr ceduto al la conccntra1ione del ca mpi ne. iononostantc, il mel do dell e diluit.i oni scri al i ha av uto un notevo le successo per la co lti va1ione dei batteri marini , come è stato dimostrato dall a co lti va1 ionc del s prac itat Pelagibacter (c!+> apitolo 18, " spl ora il mond o micr bi ohi are il non co lti vab il e"). Verifica Che cos'è la proteorodopsina e perché ha questo nome? Perché la proteorodopsina rende un batterio come Pe/agibacter più competiti vo nel proprio ambiente? Come sono correlati il numero di virus e il numero di batteri pelagici? Quali sono i phyla e i sottogruppi di batteri dominanti nelle acque marine pelagiche?

19.12 Abissi oceanici e sedimenti abissali Ile acque p lag iche, la lu ce p netra so lo attraverso i primi

300 metri dell a co lonn a d'acqua, i qu ali co. titui scono perci quel la che viene de fini ta -:.o11a fo tica ( igura 19.24 ). l di sotto dell a t.o na f(ni ca, tin o a un a profondità di l 000 m, c ancora presente un a considerevo le atti vità bi log ica. Tuttav ia, al di sott dci l 000 m, cioè a pro fondità definite abi.1-

sali, l 'atti ità bi ologica è in vece n ttam nte in feri ore. Più d l 75% di tutt le acqu oc ani ch si trova a profondità sup riori a l 000 m, in parti co lare a profondità co mprese tra l 000 6000 m. e acque oceaniche in asso luto iù profonde si tr va no. lino al di sotto dei l O000 m, ma rappresentano solo una pie oli ss ima frat. ione dell e acque p lag iche, poiché abi s i di tal profondità s no molto rari .

Condizioni ambientali negli abissi li organi smi che ivo no nell e acque abissa l i dc ono affrontare tre condi t. ioni ambientali estrcm : ( l ) bassa temperatura. (2) pressione cle ata (3) basse co ncentrat. ioni di nutri enti. Inoltre, le acq ue ab issa li so no completament pri ve di lu e, pe rtanto, la fo tos intesi imposs ibil e. Perci , i mi crorga ni smi lì pr se nti devono gioco fofl a possedere un metaboli sm chemiotro fo ed essere capac i di cresc re al freddo, a press i ni el at e in condit.ioni ol igotro lì ·he. l di sotto d i l 00 m di pro f ndità, le acque occani ch hanno una temperatura cos tante di cir ·a 2- 0 ( la ri sp ta dei mi crorgani smi al l vari at.i nidi temp ratura . tata trat5. 12). ome atteso, i batteri i. o lati tata nei Paragra fi 5. 1l p ida acqu e marin e al di s tto di IO m . n psicr fi li crotoll eranti . l microrganismi abi. sa l i d on anche es. cr in grado di affrontare l ' norm pressione idrostatica a · i, ta all e grandi prof ndit . In un a • l nna d'a qua, infatti , la pr si ne aum nta di l atm gni I O m di pr f ndit.. i c n guenLa, un rga ni. mo ·he i ve a un a prof ndit di 50 d ·v sserc capace di sopp rtar una pression di 50 atm. L microrgani ·mi so no, in genere, m lto toll eranti alle press i ni elevate e m lte p cie p sso n ·opp rtar pressi ni an he up ri ri ali 500 atm .

Bacteria e Archaea piezotolleranfi e piezofili In di ers i mi crorgani smi abi ssa li,. ono stat o ser at dif~ ­ rellli ri sposte fis iologiche al la pressione. lcuni mi ·rorgani smi . i limitano a toll erare press i ni idrostati ch elevate, ma in queste ondi1i oni la resc ita non o t ti mal : i tratta perta nt di mi -ro rgani smi pi zotoll er anti (Figura 19.28). Itri mi cr rgani smi , i nvece, crescono al 11/e~: lio a pr ssioni idrostati ch elevate: quest' ultimi sono p rc ic d finiti pi zofì li . icrorgani smi iso lati da acque superfi cia li lino a 3000 m di pro fondi t< sono tipi ca mente pi ct.otol lcranti . In qu esti mi crorgani smi piu ele ato a pr ss ioni il tasso dell e reat.i ni metaboli h di l atm che non a 300 atm, anche se i tassi di cres ita ali due di verse pressioni ri. ultano so. tant.ialm nte si mili ( i ura 19.2 ). In gcn r , i microrganismi pieLOt Il rallli non cr scono a press ioni superi ri al le 500 alm. Di co ntro, le olture ottenute a partir da campi oni di acqu a marin a prele ati a profondità magg iori , va le a dir 4000-6000 m, so no tipi ca mente costituite da mi crorgani ·mi pi e101ìli , che presentano un a cresc ita ott i male a press ioni di circa 00-400 atm , anche se è p ssibil ossc r arn e la cr sc ila a prc. si ni di l atm ( igura 19.28). In acqu anco ra piu pro fonde (per c empi o, qu Ile prelevate a l O000 m) si tr va no mi crorgani smi piczo fìli e tr mi che, per poter ere cer ri chi edono pressi ni estremamente elc ate (Figura 19.29). Per esempi o, il piet.Oii lo estremo Morire/la, iso lato dall a o. a dell e M ari annc (Oceano Pac ifi co, profondità > 10 000 m) (Fi-

c A p l ol o T

5

19 •

Ec osl s TEM l M l cRoB l c l

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Piezofilo estremo

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• Methanococcus jannaschii

• shewanella MT-2

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• cotwellia MT41 • Shewanella KT99 • cotwellia KT27 Colwel/ia BNL1 Montella MT-5

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200

400

600

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1000

1200

Pressione (atm) Figura 19.28 Crescita di batteri piezotolleranti , pi ezofili e piezofili estremi . Il piezofilo estremo (Morite/la) è stato isolato dalla Fossa delle Marianne, Oceano Pacifico, al largo delle Filippine (Figura 19.30). Si noti il tasso di crescita assai ridotto del piezofilo estremo (asse delle ordinate di destra) nspetto a quello dei batteri piezofili e piezotolleranti (scala delle ordinate di sinistra). Si noti inoltre l'incapacità del piezofilo estremo di crescere alle basse pressioni.

• • shewanel/a 086705 Shewanella PT99

60

Methanococcus • thermoflthotrophicus Shewanella F1A Thermococcus PE3~ 40 WHB Monterr ewane la beni ìca • • baroph1/us Shewanella DSS12 Manmtoga plezophl/a . • •Photobacterium profundum SS9 20 Carnobacterium AT7 • Shewanella SC2A • Pyrococcus abyss/ • Desulfovibrio profundus Colwellia maris Desulfurococcus sv• Py GBD Morite/la manna rococcus

• CNPT3

r11

0

O

20

40

60

BO

100

120

0

Temperatura ( C)

Figura 19.29 Press ioni e temp erature ottimali di Bacteria e Archaea piezofili disponibili in coltura. (a) La pressione è riportata in pascal (Pa), l'unità standard internazionale di misura della pressione. Un megapascal (MPa) corrisponde approssimativamente a 1O atmosfere. Si noti che le diverse specie dello stesso genere possono avere optima di pressione differenti. (Dati elaborati da Doug Bartlett.)

gura 19.30), pres nta una cr s ila ollima le a pre . ioni di circa 700atm; re. ce tutt a ia quasi altreuanl b ne a pressioni di l O 5 atm, la pressi ne del pr pri habitat natura !

Effetti molecolari delle pressioni elevate

Figura 19.30 Campionamento negli abiss i m arini. Il sommergibile privo di equipaggio Kaiko in fase di raccolta di un campione di sedimenti dal fondale della Fossa delle Marianne a una profondità di 1O897 metri. Il campione di sedimenti è stato poi utilizzato per l'arricchimento e l'isolamento di batteri piezofili.

m mbr, na . tern a), a

l alm d i

pre. i ne. ' mp H un ti ne che fo rmano ca nali altra er:o i qu ali l m n nel p rip las m a (~.:::> Paragrafo 2. 11 ). Pr umib ilmente, l porine pr s nti n Il c llul di pi ;.ofil i cr sc iuli a l atm non sono in grado di fun;. ionare corre ttame nte alle alte pressioni ed perci ind i. pensabile che venga inteliLZata una porina di ersa. ' interessan t notar eh la pre .. i ne c ntro ll a la tra. crizione di ompH , i l g n eh c d i fica per mp H . l n questo pie1.0fìlo, è prese nte un co mp ie ·. o proteico di membrana sensibile alla pr ssion in grad di atti are, indirettamente, la trascrizione di ompH s l quand le ndizioni di eleva-

666

IJI'A4

•

l-COLOGIAMC.RL.BICAE MCt

B

OGIA

AM~IEN

A [

Pompa per pressurizzaz1one

DISpoSitiVO

d1 bloccagg1o Tub1 d1 coltura

l Testata • d1 ch1usura ad aw1tamento ermet1co (b)

(a)

Corpo strutturale della cella

l

Figura 19.31 Celle di coltura pressurizzate per la crescita di microrganismi piezofili in condizioni di elevata press ion e. (a) Celle di coltura pressurizzate incubate in camera fredda (4 •q. (b) Rappresentazione schematica di una cella pressurizzata. Questi dispositivi permettono di mantenere pressioni di 1000 atm . (Illustrazione basata su un disegno di Dough Bartlett.)

ta pressione lo richiedono. Le analis i trascritiona li (~p Paragrafo 6.7) suggeriscono come, nei pi tofili, anche modeste variationi della pressione idrostatica alteri no l 'espr ss ione di un cospic uo numero di geni . Pertanto possibi le che in questi organismi esistano molte altre proteine, oltre a quell a sopra citata, che fungono da sensori d Ile variati oni di pression .

Sedimenti abissali Mollo al di solto del

(B)

Figura 19.32 Trivellazione dei sedimenti nelle profondità marine. (a) La nave per trivellazioni nelle profondità marine JOIDES Resolution. Sulla mappa geografica in sovrimpressione, con il punto rosso è indicata la localizzazione del sito di campionamento dei sedimenti nel

La maggior parte degli studi sin qui cond olli si so no con nlrali sui sedimenti marini relat i va mente ri cchi di sostanLa organ ica, quali qu Ili ri rr nti ai margini d Ile piauaf rm con tinen tali . In questi cas i, si assist a una diminuti n d Ila densi tà cellul are da ci rca l o ponibdita di nut r i ~.: nt 1. (ìli organi , mi pi ~.: t o hli cr ''-t:onn prcl c1ihilmcnt · a prc"ioni clc\atc. ma tale co nd i t1 o n ~.: n o n ~.: i ndi '> pcn,ahilc. D'a lt ra part '. i pi ct olili c'> tr..:mi nchi •dono p ·1 l ;.~ crc,ri ta pr .,,ioni d •c i-

19.13 • Le horchc idroterm ali ~oo tt om a rin · ~oo n o '·aturigini calde '> illlate laddm c l 'att i' i til gcutcrmi ch ·o parti ·nlari rcation1 chimi 'rh • g ·nerano lluidi contenenti ·l ' ' atè quantitil di co n1po~o ti inorgani ci eh· po.,.,ono e'>'>Cr ' utili11ati ·om • lonti di energia da part e di ba tt t.! ri cht.!miolitotroli .

clevat ._ di

~oo lit o

dell' ordine di

div e r~oc

ce ntinaia di atmo-

~o fc re.

DOMANDE DI RIPASSO l.

2.

3.

4.

5. 6. 7.

8.

· lencarc i fatt ri chiave in termini di risorse e di condi ti oni ambientali di cui necessitano i microrganismi per p tcr pr lifcrarc nei ri petti vi habita t. (Paragrafo 19. 1) In quali forme l 'energia potcnt.iale entra in un ecosistema microbica? In che mod le varie categorie fisiologiche di microrganismi posson sfruttare queste forme di energia? (Paragrafo 19.2) piegate perché dallo stesso campione di suo lo si posson isolare ia batteri anaerobi obbl igati ia batteri aer bi obbl igati. (Paragrafo 19.3) a uperfi cie di una roccia nel letto di un cor d'acqua c rren tc pc so aperta da un biofìlm . Qual i ono i ntaggi deri anti a un batteri che cresce al l 'in tem di un bi film ri pett a una cellula batterica liberamente natante? ( Paragraf 19.4) uali complicat.ioni pos. ono creare i bi film nel trattamento di una malattia infetti a? ( Paragra~ 19.4) hc differen7c i son tra biofilm e tappeti mi r bici in termi ni di dimen ioni e biodiversit,? (Paragrafo 19.5) In quale trat di un uolo . i riscomra la ma si ma atti vi tà microbica c il numcr di mi rorganismi risulta più le at ? P r hé? (Paragraf 19.6) o a no le cr te biologiche del su lo e quali fun zi n i . v 1gono nelle regioni aride? (Paragrafo 19. )

9.

piegate come viene riforn ito di nutrienti il sottosuolo pro~ nd< rispetto a quant avviene negli strat i più superfi ciali . (Paragra fo 19.7)

IO.

Il

12

rappre ntati n gli

13

a m:

14.

15.

PROBLEMI l.

2.

Immaginate un impianto di depuratione di a que renue che ri lacia un nu contenente ele ate on entra7i ni di ammoni aca c di f sfat e bas i li velli di carbon i organico. i quali tipi di me differirebb microrga ni mi p trebbe indurre la ere ci ta. il profìl della c ncentrati ne di 2 nel le i~inante del punt di ari e di que to effluente da quell mostrato nella Figu· ra 19. 17a . Ri cordand che le a que dei mari aperti ono ben o sigenate, provate a predire il tipo di metab li ~mo che potrebbero avere i

in qu to ambien te più abb ndante l

Cavi elettrici microbici Un nuovo interessante ambito dell ricerca microbica · in centrato sui meccanismi i riduzione d gli accetton di elettroni insolubili, come gli o sidi di ferro e m n nes , in ha i tat nossic1. S bene s1a amp1amente d1ffus la convinz1one che sulla superfici cellulare d i tteri esistano strutture in gra o di condurre l ttncita che tr sf nscono elettroni all'ac cettor insolubile, 1dettagli molecolari non sono ancora st ti chi nt1. Tuttav1a, uno studio recente relat1vo a un accettore di elettroni solubile potre be aver fatto luce su questo mistero. S1 è scoperto 1nfatt1 che un atterio filamentoso morfologic ment peculiare, 1mpar ntato con batt ri che riducono il solfato, e 1n grado di ossidare 11 solfuro di idrogeno (H 2 S) nei s d1monti marini us ndo l'oss1g no (0 2) com accettore di el ttron1 1. Tuttavi , po1ch n Il' sp nm nto l distanza tr solfuro e oss1g no era superiore a un cent1metro, i ncercatori si sono giust mente ch1esti in che modo foss ro accoppiate le reaz1on1 tra donator e accettore. Lo analisi realizzate con m1croscopi e microsensori h nno rivel to ct1e i b tt ri filam ntosi si allun vano v rticalmente come f1lam nti singoli che collegavano la superfiCie ossica alla zona anossica, ricca di solfuro. La c pacita dei filamenti di tr sferire gli elettroni a grand distanza è st ta verificata pass ndo un c vo molto sottile tr la zona ossic e quella anoss1c : in u sto modo sono st ti tr ncìati i filamenti e si è interrotta l'ossidaz1one d l solfuro. Ou sto straordin rio sistema di trasferimento elettronico dipendeva da struttur simili cavi che form vano un anello intorno ci scun fil mento e si estendev no per tutta la sua lun h zz (fotografi ). Si ns che queste strutture funzionino come "cav1 lettrici viventi" che trasferiscono gli elettroni da un'estremita del filamento, dove viene ossidato il solfuro, all'al tra estrem1tà, dove v1ene ndotto l'ossig no. Il mecc nismo alla base di questa incredibile prodezz met bolica e il suo rapporto con i si temi adottati da1 batt n che riducono gli ossidi metallici sono ancora da ct1imir . · tutt via ev1dente che il tr sferimento elettronico m d1ato da1 batteri può estendersi su distanze piuttosto lunghe p r un1r don tori e accettori.

1

Pfeff r, C., et al. 2012. 11 m ntO\.J b et metre 1st ne s. Nature 491: 218-221

tr n

ort cl ctrons ov r c nti·

Cicli del carbonio, dell'azoto e dello zolfo 674 Il Cicli di altri nutrienti 682 111 Uomo e i cicli dei nutrienti 688

67 4 UNIT A 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl ENTALE

l • Cicli del carbonio, dell'azoto e dello zolfo

Serbatoi di carbonio

20.1 Ciclo del carbonio

Principa li orbatoi di carbonio sulla Terra Serbatoio

Porcentuai d 1C total •

Rocce e sedimenti

99,5b

Oceani

0,05

Idrati di metano

0,014

Combustibili fossili

0,006

Biosfera terrestre

0,003

Biosfera acquatica

0,000002

•carbonio totale, 76 x 10 15 tonnellate b80% inorganico

Figura 20.1 Ciclo del c arbonio . Il ciclo del carbonio e dell'ossigeno sono intimamente connessi, poiché la fotosintesi ossigenica rimuove co2 e produce 02, mentre la respirazione produce co2 e consuma 0 2 . Come mostra la tabella, le rocce e i sedimenti rappresentano il più grande serbatoio di carbonio sulla Terra, la maggior parte del quale è in forma inorganica sotto forma di carbonati.

CAPI~OLO 20 •

soprattutto tramite la fotosintesi delle piante terrestri e dei microrganismi marini, e torna all'atmosfera gra.de alla respiratione degli animali e dei microrganismi chem i rganotrofì (Figura 20.1 ). Il contributo più importante al rit rno del 0 2 in atmosfera è fornit dalla degrada.r.ione microbica di materia orga nica morta. Tuttavia, a partire dalla Ri volution Industria le, le atti vi tà umane hanno provocato un in r mento del livello di 0 2 atmosferico di quasi il40%, soprattutto a causa del la combustione dei combustibi li foss ili . Quest incremento di 2, uno dei principa li gas serra, ha dato inizio a un periodo di aumento globale della temperatura, n to come riscaldamento globale (si veda la igura 20.18). onostanle le conseguente del riscaldamento globale sui cie l i dei nutrienti ~iano ancora imprevedibili, le nostre conoscenze su lla biologia dci microrganismi suggeriscono che le atti ità microbiche in natura si m difìchcranno in risposta all e temperature più cle ate. apire se queste modifìca1ioni saranno favore oli o sfavorevoli per gli organismi superiori , incluso l 'uomo, è oggi una delle principali aree di att i a ricerca.

CICLI :Jfl Nu TRif ~~l

675

Respirazione

Metanotrofia Os leo Anossico

Respirazione anaerobica e fermentazione

Fotosintesi e decomposizione Su ll a erra, nuovi comp !>ti organici possono essere biosintctillati s l mediante la fissazione del 2 da parte di organismi f totr lì e chemiolitotr fì. La maggior parte dei composti organici vien prodotta dai pr es ·i foto. imeti i e pertanto gli organismi f totr lì s no fondamentali nel ciclo del carbonio (Figura 20. 1). In natura, questi organi mi sono per abbondanti s lo negli habitat in cui sia disp nibil e luce. li ab i si mari ni , il s u suolo terrestr e altri habitat perennemente bui sono naturalment pri i di rganismi fototrofì indigen i. . i'>tono due gruppi di rganismi r totr fi ossi genici : piante e microrganismi. Le piante sono i fot trofì dominanti negli ambien ti terrestri , mentre negli ambien ti acquatici predominano i microrganismi fototr lì. Il cic lo di ossid ridut.ione del (Figura 20.2) ini.r.ia con la fissati ne fot sintetica del 2• mediata dalla lu ce:

dove l 12 rappresenta la materia organica al li vel lo di ossidation del materiale cellulare. li organismi fototrofì compiono anche la respiratione, sia alla luce sia al buio. 'equationc complessi a della respirati ne è l'inverso di quella della fotosintesi ossigen ica: ( H2 )

+ 02

Perché i compost i organici si accu mulino necessari che la velocità della fotosintesi sia maggiore di quella della respiratione. In questo modo gli organ ismi autotr ti produc no nuova biomassa dal 2 e questa nuova biomass fornisce agl i organismi eterotrofi il carbonio di cui necessitano. nchc i fototr lì anossigenic i e i chemiol itotrofì produc no c m posti organic i in eccesso, ma nella maggior parte degli ambienti il loro con tributo è irrilevan te se compara to a quell dci fototrofì ossigenici. Questo perché il riducente usato dai fototrofì ossigcnic i, 1-1 2 • virtualmen te non ha limiti di di. ponibilit . l compos ti rganici sono degradati per ia biologica principalmente a H 4 e 0 2 ( igura 20.2). Il diossido di carbo-

Figura 20.2 Ciclo di ossidoriduzio ne del carbonio. Lo schema mette a confronto i processi autotrofici (C02 composti organici) e quelli eterotrofici (composti orgamc1 C02) . Le frecce gialle indicano le ossidazioni, quelle rosse le riduzioni.

nio, la maggior parte del quale e di origi ne microbica, viene prodotto dalla re!-.pira.r.ione aerobica e da altre f rmc di re!>pinvione (~+> Paragrafo 16.6). Il metano viene prodotto in ambienti anossici, mediante il pr cesso della mewnogenesi. che prevede la ridutione del 0 2 con idr geno molecolare ( 11 2 ) o la scissione dell'a etato in H4 c 2 . Tutta ia, qualunque composto organ ico presente in natura pu essere ridotto a metano gratie all a cooperazione tra metanogeni e batteri fermentanti, come edremo nel prossimo paragrafo. Il metano prodotto negli habitat anossici c insolubile e diffonde negli ambienti ossici, dove viene ri lasciato nell'atmosfera o ossidato a 0 2 dai metanotroji ( igura 20.2). La maggior pa11e del carbonio dci composti organici. quindi, alla fine torna sotto forma di 2 e i l ci lo del carbonio si chiude.

Idrati di metano ebbene nell'atmosfera sia presente a li velli inferiori rispetto al 0 2• H4 un potente gas serra, con una capacità di intrappolare il ca lore circa venti volte superiore a quella del 0 2. Parte del 1-1 4 che entra in atmosfera viene prodotto dai metanogeni, ma non Lutto il metano di origi ne biologica viene immediatamente consumato o rilasciato in atmosfera. Infatti, cospicue quantità di 1-1 4 prodotte dall'attività microbica rimangono intrappolate nel souosuolo o sotto i sedimenti marini come idrati di metano, cioc molecole di 11 4 congelato. Gli idrati di metano si formano quando si accumulano ingenti quan tità di 11 4 in ambienti caralteriuati da ele ate pressioni c basse temperature, come al di sotto del permafrost nell' rtico c nei sed i menti marini ( igura 20. 1). Questi depositi posso-

676

UN l TÀ 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl ENTALE

+

Incremento di un processo Decremento di un processo

[Fissazione di N2J

( P pari di al mi di carb n io) e H 2 (Tabella 20.1 Fi gura 20.5 ). ltre specie di yntrophomona u ·an ac idi gras. i di lunghezza fino a 18 atomi dì in clu i al unì acidi gra. si insa tu ri. yntrophobacter ll'olinii è sp cia li zza to nella fe rm e nta~:ion e del prop ionato ( 3) c n produz ione di acetato, 0 2 e H 2, yntrophu. gentianae degrada compo. ti aromatì i m il benzoato ad acetato, 2 e H 2 (Tab Il a 20. 1). n stante la l r n te le vari età dal punto di i ta metab li co, i batteri intr fìci ono incapaci di effettuare qu . l reazi n i in c !tura pura: hanno bi sog no di un partner eh c n umì idr g no, a au a degli in oliti m cca ni smi bi n rg tic ì lega ti al pr e . introfico . m de critto nel Paragra~ 13.1 5, il co nsumo di H 2 da parte dì un rga ni ·m partner indi pensabile per la ere cita

678

UN l TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml C ROBl OLOGl A AMBl ENTALE

Tabella 20.1 Principali reazioni della conversione anossica di composti organici a metanoa Variazione di energia libera (kJ!reazione)

Tipo di reazione

Reazione

Fermentaztone di glUCOSIO ad acetato, H2 e co2

Glucosio t 4H 20

2 acetato

Fermentazione di glucosio a butirrato, C02 e H2

Glucosio 1 211 20

utirrato + 2HC03 • 2H 2 + 3H+

Fermentazione di buttrrato ad acetato e H2

Butirrato- 1 2H 20

2 acetato +W

Fermentazione di propionato ad acetato, C02 e

H2

2 etanolo + 2H20

Fermentazione di benzoato ad acetato, C02 e H2

8 nzoato - + 7H 20

Metanogenesi da H2 + C02

4H 2

Metanogenesi da acetato

Acetato- + H20

Acetogenesi da H2 + C02

4H2

+ HCOj

207

-3 19

2H 2

acetato-+ HCO:) +W+ H2

Propionato - + 3H 20

Ferm ntazione di etanolo ad acetato e H2

+ 2HCO:) + 4W + 4H 2

2 acetato + 4H2 + 2H+ --+

3 acetato- + 3H + + HC03 + 3H 2 CH 4 + 3H20

W

CH 4 + HC03

+ 2HC01 + H1

"Oatt adattati da Zinder, S. 1984. M1crobiology of anaerobic conversion of organ1c wastes lo methane: Recent developrnents. Am. Soc. Microbtol. 50:294-298. bCondtzionl standard: solull, 1 M: gas, 1 atm: 25 ·c. cconcentrazioni de1 reagenti in 11pic1 amb1en1i anossici di acqua dolce: ac1di grassi, 1 mM: HC03 , 20 mM: glucosio, 10 mM: CH 4 , 0,6 atm: H2, 10-4 atm. Per calcolare :.G da si veda I'Append1ce 1.

:.ao·

d i batt ri sintrotìci (in assenza di altri accettori di lettr ni) e l 'associazione tra il prodult re e il onsumatore di idr g no può essere m Ilo stretta. i ritiene infatti che il tras~ rimen to di H 2 in alcun associazion i sintrofì che avvenga mediant conduzione dire/la, in cui gli elettroni vengon trasferiti tra specie div rse grazie a strutture imi l i a avi capac i di condurre el uricità (si veda la scheda " . pl ra il mondo micr bico" di questo apitolo). lndip nd ntement dal m c anism di trasferiment , per , proprio qu sto passaggio di 1-1 2 a far funzionar l'associazion sintrotìca. I n che modo? c l reazioni rit ortate nella Tabella 20.1 per l f rm ntazi n i di butirrato, propi nato, etan lo o benzoato fo. ser scritte con tutti i reagenti in condizi ni standard (s luti, l gas, l atm; 25 o ), fornir bb ro una variazi ne 'di en rgia conswnereblibera (ùG0 ', c!i) Paragrafo 3.4) positiva, ci bero energia anziché libera m e. propri il consumo di H2 che inAuenza drasticamente l 'energeti ca della reazione, ren dendola favorevole e p rmcttend la conservazi ne di nergia. iò risulta evidente dalla Tab Ila 20. 1, in cui i va lori di D.G (le variazioni di energia libera mi. urate nelle reali condizioni dell'habitat) sono n gativi quando l concen trazioni di 1-1 2 . on l nule prossime a ze ro dall 'organism partner consumatore di H2. Questo c ns nte al batt ri sintrotìco di conservare piccole quantità di nergia eh è utilizzata p r TP. produrr l prodoui finali dell ' int razione tra metanogeni e batteri sintrofìci sono quindi H4 ( igura 20.5); virtualmente, qualunque composto organico arrivi in un habitat metanog nico all a fine sarà convertito in qu . ti prodotti. tale de. ti no vanno incontro anche co mposti organici c mplessi, come idr carburi aromatici e alifatici. In qu ti pr si d gradativi possono essere coinvolti anche al tri organi mi, oltre a quelli illustrati nella igura 20.5, ma, alla fine, sara nn c munque prodotti acid i grass i e alco li che verrann ulteri rm nte con-

Metanogeni simbionti e acetogeni nelle termiti ni

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2

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Rl~ N Tl

679

Figura 20.6 Met abolismo del carbonio nelle termiti. (a) Una larva di termite operaia sotterranea e, sopra, la dissezione dell'apparato digerente di un 'altra operaia. L'insetto è lungo circa 0,5 cm. Due immagini dello stesso campo, al microscopio a contralo di fase (b) e a epifluorescenza (c), che mostrano i protisti dell'intestino delle termiti. Gli endosimbionti metanogeni presenti nelle cellule dei protisti emettono luce blu-verde per la presenza del coenzima F420 (si confronti con la Figura 13.48). Il diametro medio delle cellule dei protisti è di 15-20 IJ.m .

20.3 Ciclo dell'azoto L"a;oto ( ) è un elemento essen;iale per la vita (c.t+J l aragrafo 3. 1) ed es iste in di ersi stati di ossida;ione. Finora sono state illustrate quattro delle princ ipa li trasforma; ioni dell'aloto: la nitrifìca;ione, la denitrifì ca;ione, l'anammox e la fìs !-.Ono riassunte nel ciel l di ossido ridu;i one illustrato nella · igu ra 20.7.

Fissazione dell'azoto e denitrificazione

Verifica Perché Syntrophomonas necessita di un organismo partner per fermentare gli acidi grassi o gli alcoli? Che tipi di organismi sono usati nelle co-colture con Syntrophomonas? Qual è il prodotto finale dell 'acetogenesi?

L'a;oto gas!>oso ( 2) c la forma più stabile di a;oto c il principale serbatoio di questo elem nto sull a Terra. olo un numero piuttosto ristretto di procarioti è in grad di sfrutt are l' 2 ome f nte di aLato c llul are, tramite il processo di jìssa~ione del/ 'a ~oto ( 2 + 8H ~ 2 H1 + H2 ) (c.t+J Paragrafo 3. 17). 'awto che viene trasformato ne l cic lo e per lo più in r rma già comb in ata, cioè legato ad altri clementi , come nell'ammoni aca ( H1 ) o nel nitrato ( ~ ). In molti ambienti, tuttavia,

Nitri ficazlone

Processi e procarioti fondamentali nel ciclo dell 'azoto

N02

Ì/rOSOI/IOIIaS,

itrosopumìlus (Arclmen) itrobncter Bncillu~. Pnrncoccus, Pseudomo11ns

2 -

D n it rifi az. i n Fi azion di 2 ( 2 + H ---+ A vita libera, a robi

113 + 112)

A:otobaclt•r, eia n batteri

(

C/ostndium, batt ri fototr fi

anaer bi

verdi c ro si Methm~obncterium

imbionti

mm ni fi az io n (

( Arclrnen)

Rlrizobium Bradyrlrizobium Frmrkin organico -+-

De nitrifi cazio ne

Figura 20.7 Ciclo di ossidoriduzione dell'azoto. Le ossidazioni sono indicate dalle frecce gialle e le riduzioni dalle frecce rosse; in bianco sono indicate le reazioni nelle quali non avvengono variazioni dello stato di ossidoriduzione. La reazione dell'anammox è: NH 3 + N02 N2 + 2H 20 (c:++' Figura 15.11 ). ORNA, riduzione dissimilativa del nitrato ad ammoniaca.

680

UN l TA 4 •

EC OL OGl A M l CR OB l CA E M l CA OB l OL OGl A A M B l ENT A L E

Nitrificazione e anammox

ità agrari a.

Ammonificazione e flussi di ammoniaca Il proc . . di ammonificazione razione di ammo ni aca durante i l pr ss di degradazion di c mposti organ ici azotati ( igu ra 20.7) co me amin a idi e nucl tidi . n altro pr e. che ontribui ce all a pr duzion di H 3 una partico lare re pirazi n ana robi ca eh prevede la ri uzione del 0 :1 a H3, la riduzione dissimilativa del nitrato ad ammoniaca (DR , Di similative Reduction of itrate to Ammon ia; Fig ura 17.7 ). La DR r pon sab ile d Il a ridu zi ne del nitrato ) d l nitrito ( Oi ) in ambi nti an ici ri cchi di ridu 3 centi come i dimenti marini ri chi di co mp sti rgani i il tratto gastroinle. ti naie d ll ' uomo. i riti n eh i batteri d ni trifìcanti utili zzino questa via 111 tab li a oprattutto qu and :1 ' limitante perch la R elettroni, contro i 4 e 5 co n. um at i quando mente a 2 2 dall a denitrifi azi n .

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - ---.. Cos'è la fissazione dell 'azoto e perché è importante nel ciclo di questo elemento? • Qual è la differenza tra il processo di nitrificazione e quello di denitrificazione? Qual è la differenza tra denitrificazione e anammox? Perché la nitrapirina favorisce le pratiche agricole e in che modo beneficia l'ambiente?

CA Pl T OL O 2 O •

20.4 Ciclo dello zolfo

C Cl l DEl NU TRl E"l Tl

681

co me i . edimenti dell e acqu d l i molti . uoli , la ridu zi Inoltre, ne d l so lfato lim itata dall a di . p nibi l ità di p i h per la ridu zi n del so lfato son n es. ari donatori di elettroni organici (o, in alt rn ati a, 1-1 2, eh d Ila erm ntat.ionc di comp sti organi ci), qu . t pr c . so ha lu g . l quand s no disponibili qu antità . ignifì ati ve di co mposti organi i. i . ed i menti marin i, in vec , la ridut.i one d l . l fato tipica m nte lim itata dalla di sponi bilità di , c pu aum mare note olmente in seguito all'immi ss ione di mal ria organi ca . Il solfuro di idrog no tossico per molte pi ante animali , quindi la sua form ai'i n potenzialm nte dann osa (i so lfuri sono t s. i i p rché si co mbinano con il f rro dei cito romi e in ibi s ·on la respira7 i ne). In natu ra, di solito, i so lfuri so no d t ssi fì cati m di ant combin azion con il r n·o, che por1a all a forma1.i ne dei mineral i inso lubi l i pirouite ( c ) c pirite (Fc 2 ) . Il caratteri stico olore n ro dei sedim nti co ntenenti s lfuri o d Ile co lture di balleri sol fato-riduttori pro pri o douto all a f rm a1.ionc di qu esti minerali (c!p igura 14.2 g).

J.

e tras forma1.ioni micr bi che dell o w lf ( ) s n più pl csse di quel! del l'azoto. poich lo w lfo es i. te in par stati di os idat. ione e molte re t.ioni che lo ri guard an p sson a venir anche spontaneamente (ab i ti am n t ). L ' ss id ai' ione eh mi olitotrofì ca di e la ridu t.ione del so lfato ( ~ ) sono state trallate rispeui va ment nei Paragrafi l . 13. 18, 14.9 c 14. 1l . Il ciclo di oss idoridu1i onc per le tra. form a1.ioni microbi che dello il lustrato nel la Figura 20.8. cbb ne lo w lfo possa es istere in parecchi lati di o.si dat.i onc, quelli eramcnt signi ficati i in natura . ol tre: -2 (sulfìdrile, R1-1 , w l furo, H ); O (zolf tar , 0 ) + 6 ( J , sol fa to). ull a erra, gran parte d Ilo 10lfo si tro a nei sed im nti c nelle rocce soll f rm a di so lfati , . oprallullo g . so ( a 4), e di so lfuri (pirite, e 2), ma rappr . elllato nell a bi s ~ ra il principale serbai io di w lf dal s l fato pr . nte n gli cani . na con. ist nt quantità di 1. l , in parti lar di di s. id di 1. lfo ( 2, gassoso), vi n imm . sa n l i lo dell o w lf dali alli it antropich , soprattutt dall a c mbusti on di c mbustibi l i fos. ili .

Solfuro di idrogeno e riduzione del solfato l.

lf

no un gruppo ampi o e m lto di anismi (c!p l aragrafi 13. 1 e 14.9) m Il diffu. i in natura; i nono. tant , n gli ha i tal ano.. ici,

Ossidoriduzione dei solfuri e dello zolfo elementare In condi zioni aerobi he c a pH neutro, il solfur di idr geno o. sid a . p ntanea mente, ma la sua o. sid a1ionc pu anch ss re ca taliuala dai s lfo-baucri eh mi olitotrofì , la magg i r parte dei qu al i so no aerobi (c!p Parag rafi l .. 8 14. 11 ). uttav ia, a causa dell a rapidità della r a1ione spontanea. l 'os. idaLi n micr bi a . ignifì ca ti a so l all ' int rfa eia tra gli gli ambienti o.sici qu Ili ano. sici dai quali 1' 1-1 2 ri sa le. ambi nti in cui arriva lu e, può avve nire l 'ossi daòonc anaer bi ca dei sol furi , ca tali uata dai ballcri fototrofì ano. sig n ici sulfu rei ro.. i e verdi (c!p Parag rafi l .3, 14.4 14.6). o w lfo elem ntarc chimi ca mente stabile, ma può enire fac ilmente o.. idato da . olfo-ballcri eh mi litotrofì com Th iohacillus e cidithiohacillu .. Poich 0 inso lubi le, i batl ri che lo o. sidan d vono aderir ai cri . tal li di w lf le-

Processi e procarloti fondamentali nel ciclo dello zolfo 0 --+- so2 ·) ri chemio~it trofi (Tiriobncillus, Beggiatoa e m Ili altri) Batteri fot trofi rossi e verdi, e al uni hemiolitotrofi

ol fu o· /zolfo (I l

Anaerobica

---+-

~fo-balt

Gruppr SH nelle proteme

l

(an a •robi a) ( ---+- H2 ) Dt·su/fozoibno, Dt>sulfobncter

DMSO Riduzione del solfato

Arclraeoglobus (Archai:a) Ridu zi n d Il o zol fo (ana r bi a) (

0

---+- I l

) Dcsulfuromorras, molti Arclraea ipertermofili

i proporzi nam nt dell o zolfo (~ l ~ H2 + Desrtlfor•ibrio c altri

Ossi co Anossico

DMSO ~ DMS

/ ·)

id azio n o riduzion di omposti organ i i olfora ti ( H

(D

I l+-

2 + II;P) DM )

c olfori l azion (

Figura 20.8 Ciclo di ossidoriduzione dello zolfo. Le ossidazioni sono indicate da frecce gialle e le riduzioni da frecce rosse; in bianco sono indicate le reazioni nelle quali non avvengono variazioni dello stato di ossidoriduzione. DMS. dimetilsolfuro; DMSO. dimetilsolfossido.

682

UN l

A4 •

Lcll•ll\ 1-IICRCf•ILA f M, 11t bi

menta re per poter accedere al substrato (èi) igura 13.2 1). L'ossidazione di. 0 produce acido solforico (H2 4 ) e quindi provoca la diminuzion , a volte anche molto drastica, del pH dell'ambiente. Per questo motivo, 0 viene, a volte. aggiunto a suo li alcalini come sistema naturale e poco costoso di abbassamento del pH, affidandosi, per il processo di acidificazione, all'allività degli ubiquitari solfo-baltcri chcmiolitotrolì. Lo wlfo elementare può venire sia ossidato sia ridotto. La riduzione di 0 a solfuro (una forma di respira;.ionc anaerobica) è un importante processo eco logico di alcuni Bacteria e degli Arclwea ipertermotìli (èi) Paragrafo 14. 1O c apitolo 16). Sebbene i balleri solfato-ridullori possano ridurre anche 0 , negli habitat ricchi di questo elemento la riduzione di 0 avviene per lo più a opera di riduttori fisiologicamen te specializzati, organismi che non sono in grado di ridurre J (c!i) Paragrafo 14. 10). li habitat degli zolfo-riduttori so no sostanzialmente gli stessi dei solfato-riduttori, pertanto, da un punto di vista ecologico. i due gruppi formano un 'associazione metabolica deputata alla produtione di H2S.

1

l" ,,M l l N "L •

Composti organici dello zolfo

versi microrganismi come fonte di carbonio e donatore di elettroni ed essere metabolizzato a dimetil solfuro ( H3- - H3) e acrilato ( H2= H 00 ). L·acrilato, un derivato dell 'ac id grasso propionato, è utilizzato per sostenere la crescita. Il dimetil solfuro rilasciato in atmosfera subisce del! ossidat.ioni fotochimiche che producono metunsulfonal ( I-1 3 O,). 0 2 e SO} . In vece. il H, - - CI-1 3 prodott negli ambienti anossici. può essere trasformato in tre modi diversi : (l) mediante mctanoge nesi, con produtione di H4 e H2 ; (2) come donatore di elettroni per la fissazione fotosintetica di 0 2 dai batteri fototrofi anossigcnici ross i, c n produzione di dimctilsolfossido (DM 0 ); (3) come acccttor di elettroni nel metabolismo energetico di alcuni chemiorganotrofì e chemiolitotrotì, sempre con produzione di DM Il DM può essere usato come accellore finale di elettroni nella respirazione anaerobica (èp Paragrafo 13.21) pr ducendo nuovamente H3- - l-1 1. Vi sono m ILi altri composti organici dello wlfo che ne influent.an il cic lo, come il m tanotiolo ( H1 H), il dimctil disolfuro ( H3- - - H3) c il di solfuro di carbonio ( 2 ). ma. complessi amente, il dimctil solfuro è il più significativo.

In natura, oltre alle forme inorganiche dello , entrano nel ciclo anche numerose fom1e organiche. Molti di questi maleodoranti composti sono volatili e quindi entran nell'atmosfera. Il composto organico dello più abbondante in natura è il dimetil so(furo ( H3- H3), presente soprattutto negli ambienti marini come prodollo di degradatione del dimetilsulfoniopropionato, il principale soluto osmorego latore delle alghe marine (c!i) Paragrafo 5.15). Il composto può essere utilizzato da di -

Verifica Per i batteri solfato-riduttori, 1'1-1 2 8 è un substrato o un prodotto? E per i solto-batteri chemiolitotrofi? Perché l'ossidazione batterica dello zolfo provoca un abbassamento del pH? • Qual è il composto organico dello zolfo più abbondante in natura? ---

Il • Cicli di altri nutrienti In questa parte esploreremo le interat.ioni dei microrganismi con i metalli, in particolare fen·o manganese, e con alcuni non metalli le cui trasformazioni operate dai mitrorganismi sono di importante significato globale.

20.5 Cicli del ferro e del manganese Il ferro ( c) è uno degli elementi più abbondanti della crosta terrestre. u Ila su p rficic della Ternt il ferro esiste in due stati di ossidazione: ferroso [ Fe 2 +, d tlo anche e( Il ) l e ferrico l eH, dello anche e( lll )j; un terzo stato di ossidazione, -c0, è abbondante nel nucleo della erra ed ' anche il principale prodotto delle attività antropiche di fusione di minerali ferrosi per ottenere ferro metallico. In natura, nel ciclo del ferro sostanzialmente si alternano le due fo rme Fe 2 + e FeH, e queste transizioni rcdox comportano le ossidazioni e le riduzi ni a un elettrone. Il ferr ferrico può essere ridotto sia per via chimica sia tramite un tipo di respirazione anaerobica; il ferro ferroso può es ere ossidato sia per via chimica sia mediante un metabolismo chemiolitotrofo (Figura 20.9). Benché la sua presenza sia da 5 a l O volte inferiore a quella del ferro negli ambi nti prossimi alla superficie, il manganese (Mn) è un altro meta llo redox-attivo importante

dal punto di vista microbiologico ed esiste pr alentement in due stati di ossidazione (Mn2+ e MnH, igura 20.1 0). aratteristica fondam ntale dei cicli d l ferro e del manganese è la diversa · lubilità di questi m tali i nelle forme sidate rispell a quelle ridotte. Il ferro e il manganese rid tti ( e2 + e Mn 2 +) sono solubili. l minerali ossidati del ferr come ossidi idr ssidi e ossi-idrossidi [p r esempio e( H)3, Fe H Fe 2 3 [, c l'ossido di manganese (M n 2 ) sono invece insolubili e tend no a sedimentare negli ambienti acquatiCI. i conseguen;.-a, questi potenti oss idanti possono costitu ir una pere ntualc considerevol del peso totale dei sedimenli delle acque dolci e sa late e p rciò rientrano potenzialmente tra i più abbondanti accettori di elettroni in molti sistemi anossici ( igura 20.1 0)

Riduzione batterica degli ossidi di ferro e di manganese Alcuni Bacteria e alcuni Archaea possono usare il " 3+ c m accellore di elcttr ni nel la respirazione anaer bica (èi) Paragrafo 13.21 ). l n genere questi organ ismi possono anche u. ar Mn4+ come accettore di elellr ni e alcuni sono in grad di ridurre l'uranio ossidato (c!p Paragrafo 2 1.3). La riduzione dell'ossido ferric e dell'ossido di mangane. e avviene comunemente nei terreni impregnati d'acqua,

3 H2 0

Fe3

Ossidazione del ferro ferroso (batterica o chimica)

Fe(OHb + 3 W

+Y

(Ferrico)

Riduzione del ferro

Mn2•

F 2+-....a--

A. ... l l l

l

l

l

l

l

co, Fusione di

Acetato

Mn 4 • Fe3 •

\.. /

/FeO

mineral~j

Ossidazione chimica

Fe2 + (Ferroso Figura 20.9 Ciclo di ossidoriduzione del ferro. In natur le principali forme di ferro sono Fe2+ e Fe3+; Fe 0 è prodotto dalla fusione di minerali ferrosi. Le ossidazioni sono indicate da fr cee gialle e le riduzioni da frecce rosse. Il Fe3+ può form re v ri minerali come l'idrossido di ferro, Fe(OH) 3 .

Figura 20.10 Cicli di ossidoriduzione del ferro e del manganese in un tipic o sistema di acque dolci. Gli ossidi di ferro e di manganese presenti nei sedimenti vengono usati come accettori di elettroni da batteri metallo-riduttori. Le forme ridotte risultanti sono solubili e diffondono nelle regioni ossiche del sedimento o della colonna d'acqua, dove vengono ossidate microbicamente o chimicamente. Successivamente, la precipitazione dei metalli ossidati insolubili restituisce i metalli ai sedimenti, completando il ciclo di ossidoriduzione.

Ossidazione microbica delle forme ridotte di ferro e manganese p am nt

abi tia H acid

idat n ti

Humus ridotto

A VR OH

o

()A o

Humus ossidato Figura 20.11 Le sostanze umiche fungono da vettori di elettroni nella riduzione microbica dei metalli. l gruppi funzionali di tipo chinonico presenti nell'humus vengono ridotti da batteri che ossidano gli acetati. Successivamente, l'humus ridotto dona elettroni agli ossidi metallici, con il conseguente rilascio di ferro ridotto solubile (Fe2 +) e humus ossidato. Il ciclo continua quando l'humus ossidato viene nuovamente ridotto dai batteri.

ESPLORA l[ MONDO MICROBICO Indipendentemente dal tipo di accettore di elettroni che usano, quando i batteri respirano compiono ossidazioni e ridu zioni che generano elettricità. Questa elettricità viene prodotta quando i batteri ossidano un donatore di elettroni organico o inorganico e separano gli elettroni dai protoni durante le reazioni di trasporto di elettroni che generano la forza proton-motrice. Gli elettroni alla fine riducono alcuni accettori di elettroni e i protoni generano la forza proton-motrice. In qualunque forma di respirazione, per poter generare energia è necessario scaricare gli elettroni su un accettore fi nale. Quando l'accettore deg li elettroni è l'ossigeno (0 2), il nitrato (N03 ) o qu !unqua altro composto solubile che i batteri siano in grado di utilizzare per questo scopo (c+.:> Paragrafi da 13.16 a 13.21 ), il prodotto della riduzione viene allontanato dalla cellula. In condizioni anossiche, molti batteri, come Geobacter sulfurreducens (Figura 1}, utilizzano come accettore di elettroni il ferro ferrico (Fe3 ), riducendolo . Diversamente dagli accettori di elettroni solubili, in natura il e3 è solitamente presente sotto forma di minerali insolubili, come, per esempio, un ossido di ferro (Figura 20.11 }, e quindi la riduzione del Fe3+ awiene al di fuori della cellula. In queste condizioni il ferro fer-

Figura 1 Cellule di Geobacter adese a precipitati di ferro ferrico (frecce) riducono Fe 3+ a Fe 2+.

rico funziona come un anodo elettrico e la cellula batterica facilita il trasferimento di elettroni dal donatore all'anodo 1 . Alcune ricerche hanno dimostrato che Geobacter forma connessioni elettriche dirette con sostanze insolubili che ricevono oppure cedono elettroni. Il trasferimento elettronico coi nvolge citocromi localizzati lungo i pili che in genere si estendono per 10-20 micrometri (Figura 14.35c). Essendo strutture conduttrici, i nanocavi possono formare sia connessioni elettriche con materiali insolubili , che accettano oppure donano elettroni, sia connessioni tra le cellule. In questo modo, gli elettroni ottenuti da Geobacter dall'ossidazione di donatori organici di elettroni o da H2 possono essere trasferiti a un accettore adegu to. Anche se per l'effettivo tr sferimento degli elettroni sono necessari i citocromi, per esempio nel c so della riduzione dell'accettore di elettroni dell'ossido di ferro, gli studi effettuati su questo proc sso indicano che lo stesso materiale org nico che costituisce i pili conduttore di lettrici! ' . Curiosamente, il trasferimento elettronico mediato dai batteri può coprir distanze spaziali piuttosto ampie, di gran lunga superiori alle dimensioni della cellula stessa. Le ricerche sull 'ossidazione del solfuro di idrogeno (H 2S) in sedimenti marini anossici (il solfuro è il prodotto dei batteri che riducono il solfato), hanno rilevato che l'ossidazione di H2 S l'Iella parte profonda dei sedimenti rilasciava elettroni che riducevano l'ossigeno presente nella zona di interfaccia tra sedimenti e acqua, situata a circa 20 cm di distanza (si veda Cavi elettrici microbici, pagina di apertura di questo capitolo} 2 . l conduttori elettrici nel sedimento sono batteri filamentosi affiliati a una famiglia di batteri che riducono il solfato, denominata Desulfobulbaceae {c+.:> Paragrafo 14.9). Seppur affiliati filogeneticamente ai riduttori del solfato, i batteri filamentosi in realtà operano come ossidanti del solfuro e usano 0 2 come accettore finale di elettroni.

(pH < 4), 2+ non . i .. id a sp ntane m nl . i con guenza, gran pane dell a ric r a sull' ·idazi n mi r bi ca del ferr i con en tra . ugli habitat ac idi , ri chi di fcn· , in ui chemiolitotrofì a id fi li c me ·idithioba illu f errooxidans e LepIOspirillumferrooxidans . idan F 2+ a eH (Figura 20.12).

684

Cablaggio microbico Sulla superficie delle cellule batterich filamentose sono presenti creste che s estendono per l'intera lunghezza. Osser vate al microscopio, queste creste son molto simili a cavi: ciascun filamento mi crobico è circondato da 15-17 struttur larghe 400-700 nm che si estendono pe l'intera lunghezza del filamento. Quest strutture sono coinvolte nel trasferimen to degli elettroni da un'estremità del f1 lamento, dove viene ossidato il solfuro , all'altra estremità, vicino alla superfici del sedimento, dove viene ridotto l'os sig no. Benché simile a quello dei na nocavl di Geobacter, il meccanismo dt trasf rimento degli elettroni su una di stanza così elevat è sconosciuto. ~ possibile che, in natura, la com u nicazione elettric tra cellule batterich sia uno dei modi princip li per far arri v re alle zone ossiche gli elettroni ge nerati dal metabolismo microbico negl habitat anossici. Le ricerche condott sugli aspetti microbiologici del proces so, inoltre , sugg riscono che l'elettrici!' microbic potrebbe ess r imbrigliat gr zie a ' celle energetiche" microbiche in cui i micror anismi potrebbero ossi dare composti tossici e rifiuti org nici i ambiente anossico, ccoppiando la ge nerazione di ele roni Ila produzione d energia. In uno scenario di questo tipo, batteri potrebbero essere sfruttati com catalizzatori per indirizzare gli elettron generati d ll 'ossidazione dei donator direttamente ad anodi artificiali, e la cor rente elettrica risultant potrebb esser usat per supportare, almeno in picco! p rte, le necessit' umane.

1 ovley, D.R. 2006. Bu Juice. Harvestin electricity wlth mlcroorganisms. Nat. Rev. Mi crobiol. 4:497-508. 2 Pfeffer, C., Larsen, S., Song, J., Dong, M.D. Besenbach r, ., Meyer, R.L. , Kj ldsen, K. U. Schreiber, L., Gorby, Y.A. , EI-Naggar, M.Y. Leung, K.M., Schramm, A. , Risga rd-Peter sen, N. e Nielsen, L.P.. 2012. Filamentou bacteria transport electrons over centimetr distances. Nature 491:218-221 .

P ieh l' o . idazion di e2+ a ra un uni l tlr n pu e . er con. r al a pochi s i ma n rgia (~+> Paragrafi l . e 14. 15) e di on egu nza qu ti bau ri de no idar ran di 1uantità di e2+ p r p t r re cer . In qu . ti ambi enti an he un a pop !az ione di c llu le r lati am nt pi e la pu

CAPITOLO 20 •

CICLI DEl NUTRIENTI

685

Figura 20.12 Ossidazione del ferro ferroso (Fe2 +). Un tappeto microbico del Rio Tinto (Spagna). La comunità microbica è composta da alghe verdi (eucarioti) acidofile e vari procarioti chemiolitotrofi ferro-ossidanti. Le acque del Rio Tinto hanno un pH di circa 2 e contengono elevate concentrazioni di metalli in soluzione, in particolare Fe 2 +. l precipitati rossastri contengono Fe(OH) 3 e altri minerali di ferro.

Verifica - - - - - - - - - Qual è lo stato di ossidazione del ferro nel minerale Fe(OH)3 ? E in FeS? Come si forma Fe(OHb ? Perché l'ossidazione biologica di Fe 2 + in condizioni aerobiche avviene soprattutto a pH acidi? Perché l'escrezione di materiale organico è important e per molti ferro-ossidanti?

20.6 Cicli del fosforo, del calcio e del silicio lti altri l m nti cr rgani mi e qui

himi i ngon ri i lati a p ra di mi ncentreremo su tre di qu Ili fonda-

j

j ~ (a)

~ (b)

(c)

(d)

j l (e)

Figura 20.13 Tappeti di microbi ferro -ossidanti. (a) Tappeto microbico in un corso d'acqua dolce a lento scorrimento, in cui acque freatiche ricche di Fe2 si mescolano con acque superficiali ossigenate, innescando la crescita di batteri che ossidano Fe2 e la precipitazione degli ossidi del ferro. (b, c) Fotomicrografia a contrasto di fase e a epifluorescenza di Leptothrix ochracea, batterio ferro-ossidante con guaina (la guaina è larga approssimativamente

(f)

(g)

2 IJ.m). (d) Gal/ione/la ferruginea , batterio peduncolato che ossida Fe2 +. Nell'immagine sono visibili le cellule a forma di fagiolo durante il processo di divisione cellulare. Sono situate all'estre ità del peduncolo ricoperto da ossido di ferro (ciascuna cellula è lunga circa 2 IJ.m). (e) Tappeto di organismi ferro-ossidanti in corrispondenza di una sorgente idrotermale marina (a 1000 m di profondità) presso il vulcano sottomarino Loihi.

mentali: il f . ~ r (P), il alci ( a) e i l sili io ( i). l icli di questi el m nti . n imp rtanti negli ambi nti acquatici, in particolar n gli ani, che s no i principali . erbat i di calcio e di :ilici . eg li cani, grandi quantità di calci e di si li io sono immagazzinai negli e scheletri di certi mi rorganismi . Tuttavia, a differer11.a di quanto accade p r i cicli di carbonio, atoto w l fo, nei cicli del fo5foro, del calcio del si licio non avveng no variationi red n vi sono f rme ga sose eh sfuggono dalla bi . f ra e alteran la chimica dell'atmosfera terre. tre. i nonostan t , c m dr mo, il mant nimento dell'equilibri di questi ci li, . prattutto per quanto riguard il alci m lto importante per la . t nibilità d Ila vita sulla Terra.

Fosforo organ i i e in dai mineral i di iolti nell

(f) Immagine TEM di ossidi biog nrcr prodotti sul vulc no Loihi: si noti la varietà di peduncoli elicoidali e fi lamenti tubolari simili a p duncoli (la larghezz dei fil menti vari d 2 a 4 IJ.m). (g) Fotomicrografia a contr sto di fase di organismi marini Fe2 +-ossidanti che crescono alle estremità di filamenti di ossido di ferro (cellule indicate dalle frecce) in un'incubazione sperimentale sul vulcano sottomarino Lo'ihi (i filamenti sono larghi circa 2 IJ.m).

CAP l T OLO 2 O • Cl CLI DEl NUTRl ENTl egli oc ani, una parte del P disciolto è organica, . ott forma di est ri dell'acido fosforico efosfonati. l fosfonati s no mposti di organofo fati che c n tengono un legame dir tto tra gli ato mi di P e di . l f sfonati sono prodotti da alcuni micr rganismi e costituisc no circa un quarto del f sf ro rganico prese nte in natura. Tuttavia, p r molti organi. mi i fosfonati ~ono una fonte meno acccs. i bile di P rispetto a HP 4, p iché la loro degradazione richiede la pre. enza di partico lari enzimi . li fosforo può dunque esercitare un eff tto limitant . ugli orga nismi privi di tali enzimi pur essendo pr . ente in quantità sufficiente nei fosC nati . In ltre, la d gradazione d l metilfosfo nato ( H 5 da parte di alcuni micr rgani . mi marini - pro e.. che libera H 4 - potrebb piegare la pre enza, altrimenti incomprensibile, di livelli relativament elevati di eani (gli metano nelle acque superficiali os. igenate degli Archea metanogeni sono anaerobi stretti; c!;:> Paragrafo 16.2).

(a)

(b)

l)

Ca2• + 2 HC03- ~==~ CaC0 3 + C0 2 + H20

t._tt..:_j

W+ HC03 ~==~ H2C03 Ca2 • disciolto HC03-

t~h"~

Calcio Su sca la globale, il più grande se rba! io di calcio è rappresentato dalle rocce calcaree e dagli oceani. egli oceani il Ca disciolto esiste sotto forma di ione bivalent ( a2+ ) e il cic lo del calcio è molto dinamico, nonostante la concentralione di a2 + n Il acque marine, circa l O m M , rimanga costan t . ar chi mi rorganismi eucarioti fototrofi marini, tra i quali s n in l usi i coccolitofori e i foraminiferi (Figura 20.14; c!;:> Paragra~ 17.7), as orbono a2 + per co. truire il loro e. oschelctr calcar o. Il rici lo del calcio da parte di qu sti fototrofi plan tonici streuam nt ace ppiato a quello di c mp ncnti in rganich del ciclo del carbonio. l) per la La pre ipitazi ne de l carbonato di alcio ( a formazi n d i gusci calcarei di alcuni organismi fitoplanctonici control la ia il flu sso di 2 nelle acque oceaniche superficia li sia il trasporto di carbonio in rganico nelle acque oceani hc prof nde e nei sed imenti . In !tre, la formatione di a 3 imp verisce gli strati sup rtìciali di bicarb nat 3) e incrementa la quantità di 0 2 di. ciolto disci lt (H (Fig ura 20. 14c); qu st' ultimo determin una riduzi ne del passaggi di 2 dal l'atmo. ~ ra alle acque ceaniche sup rticiali e ci aiuta a manten re il pH leggermente alcalino caratteristi o del le acque oceaniche. Quando gli organi mi dotati di guscio ca lcareo mu i ono e . ed i mentano v r. o il fond , il C e il a2 + organici e inorganici vengono trasportati nelle profondità oceanich , dali quali sono lentam nte rilasciati solo in tempi lunghi. La f rmazione degli eso eh letri di ~ :volge un ruolo importante n l delicato equilibrio tra a2+ e ed è un proce. so sen. ibi le alle variazioni dei livelli di sfera. i è d uto al fatt che elevati livelli di 2 i n atm sfera fav riscon la f rmazione di acido carb ni (H 2 ~) c. non appena questo . i dis. ocia in H 3 e H +, il si so lubilizza il pl-1 delle acque marine diminuì ra 20. 14c). i prevede che la maggi re acidità d 11 acque oceaniche he i pr durrà come c n guenza dell ' innaltamento dei livelli di 2 nell'atmosfera ridurrà la velocità con cui i gusci alcar i di que ti organi mi i f nn no, il che, molto p roba i lment , p tr bbe av re degli effetti u altri cicli micr bici dei nutrienti e quindi ull comunità di piante e animali (Paragrafo 20.8).

687

••

/

CaC0 3 detritico

/r-

Esoscheletri calcarei

(Affondamento

:

J:

...•

(c)

Figura 20.14 Ciclo m arino del ca lcio (Ca). Foto al microscopio elettronico a scansione di cellule del fitoplancton calcareo (a) Emiliana huxleyi e (b) Discophaera tubifera. Gli esoscheletri di questi coccolitofori sono composti di carbonato di calcio (CaCO:J. Le cellule di Emiliana e di Discophaera hanno dimensioni rispettivamente di circa 8 f.Lm e 12 f.l.m. (c) Ciclo marino del calcio; i pool dinamici di calcio sono evidenziati in verde. Il CaC0 3 detritico è contenuto nelle feci e nella materia organica degli organismi morti. Si noti come la formazione di H2C03 riduca il pH delle acque marine quando si dissolve a formare H • e HC03 .

Silicio Il ciel marino d l . i l icio è controllato principalmente da eucarioti unicellulari (diatomee, silicoflag llati e radiolari) che produc no elab rati es sc hel tri cellulari chiamati frustoli (Figura 20.15a) (c!p Paragrafi 17.6 e 17.7). Que te strutture n n . ono costituite da a 3 come quelle dei coccolitofori, ma da o. sid di ilicio ( i 2, opale), la cui f rmazione inizia con l'assunzione di acido silicico ( igura 20.15b). Le diatomee son eucarioti fototrofi a crescita rapida c spesso sono gli organismi dominanti nelle fioriture algali che . i v ri fìcano i n acque o ani che costiere e pelagiche. Tuttavia, diversamente dai principali gruppi di rganismi che costituiscono il fìtoplancton, le diatome neccs itan di i e la l or ere. cita nell e fioriture alga! i può e ere l imitata dalla carenza di quest elemento. lnoltre, a cau a delle loro dimensi ni piutto t levate, le diatomee tendono a s dimentare più rapidamente delle altre particelle organiche; in tal modo contribuiscono significativamente al ritorno di i e nelle acque o eanich pr fonde. Il tra porto di materia rganica derivante dalla pr duzi ne primaria dalle a que più sup rficiali a quelle più prof nde mediante la sedirnen-

·-

'

-

~~~-

• ----

~------

688

UNITA 4 •

-

--

ECOLOGIA MICROBICA [ MICROBIOLOGIA AMBIENTALE

(a)

(Crescita di diatomee J

...• •

: (Risalita J

H4 S104

S10 2 + 2 H20

(Morte di diatom.:;} /

F

ru to 11

di d i tom (Si0 2}

:

/""~amento):

{b)

Figura 20.15 Ciclo marino del silicio. (a) Foto al microscopio in campo scuro di fru stoli , costituiti da Si0 2 , di diatome . {b) l pool dinamici del ciclo marino del silicio sono evidenziati in verde.

Verifica In che modo la formazione di scheletri di CaC0 3 da parte di un certo tipo di fitoplancton rallenta l solubilizzazione della C0 2 nelle acque marine e con tribuisce a mantenerne il pH? • In che modo il consumo di Si nella zona fotica influenza la pompa biologica?

Ili • L'uomo e i cicli dei nutrienti

Ossidoriduzioni microbiche nel ciclo del mercurio

20.7 Trasformazioni del mercurio

CA Pl T OL O 2 O •

r

Ossidazioni fotochimiche e altre ossidazioni HgO

A

Hg2•

689

Codifica MerR, repressore e attivatore trascrizionale O

\

T

P

A

Regione operatore

Almo fora

Cl CL l DEl NUT Rl EN T l

B

D

4-- Codific MerO, regolazione

(a) Opero ne mer

Acqua Hgo _ _ __

l

Sedimenti Hg 0 - - - - - H q

HgS

+Hichc del mercurio. come quelli che codificano •ntimi che dcto\\ifìcano o e'portano il metallo fuori dalla cc.:llula. '>ono Paragrafo 13 .22) nel processo catabolico.

Succinato

+ 1

Acetato

1

Al ciclo dell'acido citrico

702

l N Tf\ 1 •

ECOL OGl A M l CROB l CA E M l C ROB l OL OGl A A M B l EN TA L E

[-cH2-cHCI-] n

n Polietllene

Polipropilene

Cloruro di polivinile (P VC)

[-CH 2- CH(C 6H5)

Jn

Polistirene

Figura 21.12 Plastiche sintetiche e plastiche microbiche. (a) Struttura monomerica di diverse plastiche di sintesi. (b) Struttura del copollmero di pol i-~-i drossibut irrato (PHB) e poli - ~ - idrossivalerato (PHV). (c) Uno shampoo venduto in Germania e confezionato in un contenitore prodotto con il copolimero PHB/ PHV.

Teflon

Poliuretano

(a)

tr lio, non p r la produzi ne. PHV CH 3 l

PHB

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . .

op CH 3 o l Il c c CH 'c~2 ' cl CH 2 o

CH 2 l

o (b)

CH

.._...... j (c)

• Perché l'aggiunta di nutrienti inorganici potrebbe stimolare la degradazione del petrolio, mentre l'aggiunta di glucosio no? • Cos'è la declorurazione riduttiva e in cosa si differenzia dalle reazioni mostrate nella Figura 21 .11? • Qual è il principale vantaggio delle plastiche microbiche rispetto a quelle di sintesi?

Ili • Trattamento delle acque reflue e potabili L' acq ua è la rg nte potenzialmente principale per il tra porto e la diffu ione di malatti infettiv , ol tre che una p ibile ~ nt di intossicazi ni da comp sti chimici, p iché un ' unica risor a idri a pe so rifornì ce un numer l ato di per ne, come avviene per e empio nelle grandi città. gni abi tante con. urna l'acq ua che gli vien re a di 1onibile e un 'acqua contaminata pu potenzialmente diffond r malatti tr tutti quelli che ne fanno u . Di co n eg uenza, un ppot]un tratnziale p r alvaguardar la tamento delle acq u reflue qualità dell 'ambient e ridurre la diffu i ne di pat l gi . L'epidemia di c !era pio a ad Haiti dop il terr m to del 20 l O induce a riflettere ull ' importan za di una corr tta manuten zi ne dei i tem i di trattam nto d Jl e acque r flue e potabi li ai fini della alute pubblica. ui di eguit e ami nerem i metodi es i tenti per il trattam nto chimico e bi l gico delle acq u e per la di tribu zione d Jl acque trattate ai consumatori . sa min remo inoltre l'imp rtanza, p r la alute umana, dell 'ecologia micr bica eh i iluppa all' int rn delle tubazioni de l] reti idriche municipali degli impianti idraulici privati .

21.6 Trattamenti primario e secondario delle acque reflue Le acque reflue no le acq u di carico d me tich o i rifiuti liquidi ìndu triali che n n po n e ere caricati come ta li in laghi o cori d'acqua in base a con iderazioni di anità pubblica, per m tivi eco nomi ci, ambi entali o e tetici. Il

Acque reflue e liquami

re i c ntaminanti . In media, negli tati niti il con um pr di circa 3 0-760 litri al gi m ; l'acqua tutto p r la are, cuci nare, ber e p r nec ità igienich . L acqu reflu pr v nienti da que te attivi t d vono e trattate per rimuovere i co ntamin anti prima di p t r e ri la ciate n Ile acq u uperficiali. gli tati mt1 p ran circa 16 000 imp ianti pubbli ci di trattamento (POTW, Publicly Owned Treatment Work ). a maggior patte dei P piutt t pi cc la trattando 3,8 milioni di li tri o meno di refl ui ogni giorno. el compie o, co munque, qu e ti impiat1 ti tratt. no circa 121 mi liardi di litri di reflui al giorno. li impianti di oli to, ono co truiti p r ge tire reflui ia dom tici ia indu

CA P l TOL O 2 1 •

M l RO[li O l O r, l A D f Gl l A M 8 l f N T A N T R(l P l 7 l A l

703

ACQUE DI SCARICO

Selezione

J

~~~~~~~to

' Sedimentazione

• • l

Digestione anaerobica

Fanghi digeriti: essiccamento ; incenerimento; uso come fertilizzante o interramento

Ossidazion~ Fanghi attivi/aerazione

aerobica

~

Filtro per percolamento

J

Trattamento SECONDARIO

Disinfezione . . . Effluente trattato da scaricare

Figura 21.13 Processi per il trattamento delle acq ue reflue. Gli impianti in cui avviene un efficace trattamento delle acque usano i metodi di trattamento primario e secondario qui mostrati. Per ridurre i livelli di 800 nell'acqua effluente fino a livelli non rilevabil i può essere usato anche il trattamento terziario .

grat i all'at.ione di microrgani. mi capac i di ncu traliaare, ssidar , pr 1p1tarc olatili1.1.arc quc~t i rifiu ti. l d p il r -trattam nto, i reflui po.. n

Trattamento delle acque reflue e richiesta biochimica di ossigeno G li

bi etti i di un impian t Il i di ridurr i l · inorgani crobi a L'effi i n1.a d l trattamento dell a rich i e ta bi

rio, secondario c, a vo i t , ter;:iario, e eia. un li mento impi ga t cnol gi . mpr pitl ompl s .

nu

Trattamento primario delle acque reflue Il trattam ento primario delle acque reflue utilitt.a so lo met di fi. i i p r . eparare materiali s lidi c partico lat organio. c acque rcfluc in ingrcss nel l ' impianto passano attraverso una . ri e di grate e sctacci eh rimu v n i detriti più grandi. 'e ffluente viene lasciato dc antarc per qualche ora p r far sì che i sol idi sedimentino sul r ndo della cisterna di s parat.ione e l'effluente iene all ntanat per essere scarica to o trattato ulteriormente (Figura21.14).

Figura 21.14 Trattamento primario delle acque reflue. Le acque reflue sono pompate in un bacino (a sinistra) dove i solidi sedimentano. Appena si alza il livello dell 'acqua, questa fluisce attraverso le grate ai successivi livelli inferiori. L'acqua al livello più basso, praticamente priva di solidi, entra nel canale di scarico o sfioratore (freccia) ed è pompata al sistema di trattamento secondario .

704

U N l TA 4 •

EC O L O Gl A M l C RO B l CA E M l CR OB l O L O Gl A A M B l E N TA L E

Uscita del gas

Potimerl compl essi (polisaccaridi, lipidi, proteine)

l

Idrolisi da parte di enzimi microbici

Monom ri (zuccheri, acidi grassi, aminoacidi) (Fermentazione WFermentazion )

Acetato '

H2 + C02 [ Metanogenesi J

'

Q

1-

(a)

(b)

Uscita dei fanghi

Figura 21.15 Trattam ento second ario a naerobico d ell e acqu e reflu e. (a) Digestore anossico di fanghi . È visibile solo la sommi tà del contenitore; la parte restante è interrata. (b) Fun zionamento di un digestore a fangh i. (c) Principali processi microbici che avvengono durante la digestione anaerobica dei fanghi. l principali prodotti della biodegradazione anaerobica sono il metano (CH.J e il diossido d i carbonio (C0 2).

Trattamento secondario aerobico delle acque reflue

Trattamento secondario anaerobico delle acque reflue Il tra tta rn nlo c onda rio

CA P l TO L O 2 1 •

M l CA O8 l OL OG A D EGLI A M 8 l ENT l A N T A OP l lZ A l T

705

t

o

1 . i

Figura 21.17 Flocculo da acque reflue formato dal batterio Zoogloea ramigera. Il flocculo, formato durante il processo a fanghi attivi, è costituito da un gran numero di piccole cellule a bastoncello di Z. ramigera circondate da uno strato mucillaginoso polisaccaridico, organizzato in caratteristiche protuberanze a forma di dita. Il campione è stato colorato con inchiostro di china.

t Ritorno dei fanghi attivi (b)

-

Fanghi in eccesso al digestore nossico

Figura 21.16 Processi di trattamento secondario aerobico delle acque reflue . Un impianto di depurazione per una piccola c1ttà, Carbondale, Illinois (USA). Le parti (a) e (b) mostrano il metodo dei fanghi attivi. (a) Vasca di aerazione di un sistema a fanghi attivi in un impianto metropolitano di trattamento delle acque re flue. La vasca è lunga 30 m, larga 1O m e profonda 5 m. (b) Flusso delle acque reflue attraverso un impianto a fanghi attivi. Il ricircolo dei fanghi attivi nella vasca di aerazione mtroduce i microrganismi responsabili della degradazione ossidativa dei composti organici delle acque reflue. (c) Metodo del filtro drenante. Le pale ruotano distribuendo le acque reflue lentamente e su tutto il letto di sassi. l sassi hanno un diametro di 10-15 cm e il letto è profondo 2 m.

re quindi er. i ne a

Verifica - - - - - - - - Che cos'è la domanda biochimica di ossigeno (800)? Perché è necessario ridurre il valori di BOD nel trattamento delle acque reflue? In cosa differiscono i metodi di trattamento primario e secondario delle acque reflue. • Descrivete i principali sottoprodotti del trattamento delle acque reflue e quale potrebbe essere il loro utilizzo.

706

lJ N l T A 4 •

EC OL OGl A M l C H O B l C A E M l C H O A l O l O Gl A A M B l E N T A l E

21.7 Trattamento avanzato delle acque Per "trattamento avanzato delle acque" t tnt nde qualunque processo v lto a produrr un effluente di qualità superior a quella oll ni bi l c n un normale trallamento secondari e pu comprendere un trattamento ter. dari , fìsi o-chimico fisic -biologico ombinato. 11 trattam nto t rziar io d li acque reftue comprende le diverse perazioni unitari supplementari effelluate sull'effluente del trattament . e ndari . Di n rma, gli obiettivi del trattamento avanzat s n la rim zione aggiuntiva di mat ria organica e di sol idi so p si, di nutri nti inorganici indisp nsabi li all a crescita microbica (tra cu i ammoniaca, nitrati, nitriti, ~ sfor o carbonio mpo. to organico disciolto) e la degradazi ne di qual iasi potenzialmente tossico. Il traltamento avanzato il mel d più comp leto per traltarc le acque di scarico, ma non viene adollato in modo esteso a causa dei costi elevat i. Di seguito approfondiremo il tema della rimozione bi logica del fosfor e d i contaminanti in tracce, du ambit i in cui il trattament avanzato acquisisce sempre maggior importanza.

Rimozione biologica del fosforo Il trattamento biologico secondari convenzi naie rimu ve solo i l 20% circa del fosf ro presente nelle acque r nue, che pertanto devono essere sottopost a un procediment chimico o biologico supp lem ntare. La precipitat.ion chimica è i l

Q)

c o ·~

proc sso più usat e permett di rimuovere fin al 90% d l fo f ro di ciolt nell'afnu nt . La reazi ne avv ien grazi al l 'aggi unta di sa li di e o l (cloru ri o Jfati ). r ali di e2+ Fe 3 ~ son i più diffusi. pH quasi n utr , e3+ forma f P 4 ) o compie si di idrossido e fo fat ferric i ins lubili , eh pr cipitano e veng no eparati me fangh i. Il pr c ss di pre ipitazione chimi ca c mp rta un aumento dei fa nghi fino al 95%, che gen ra prob l mi di sm, lti mento aggi untt vt. na sol uzione al tern ativa l a dal trattamento terziario, che pr mu vend la cr sci ta eli batteri ac umulatori di fo. f ro permette di rimuo 90%: questo processo è d tl rimozione biologica potenziate

del fosforo ( ~ BPR, nhan · d Biologica/ Pho phoru Remo val). Il pr cedimen to consi . te nel pas aggi dell acque attr, verso bioreall ri anaerobici e successivamente aerobici (Fi gu~ ra 21.18). el reattore anaerobico, gli or}!_anismi accumulitori di Jmjoro (PA , l hosphorus-Accumularin}!, Or}!_anism usano l'energia proveniente dai polifosfati immagazzinati p 1 assimi lare acidi grassi a catena corta e producon poliidro sialcanoati (PH ) intraccllulari ( igura 2 1. 1 a; c!;J Parag r fo 2.14); que lo pro ·esso libera ort fosfato so lubile (P ~ - ). Durante la sue es iva fase a robica d l trattament , i H imn agazzinati v ng no mctab lizzati e qu ·to f rni. ce en r~ gia e carboni p r la crescita cellulare. ' nergia erve p r f rmar p lifosfat intracellu lare, in mod da . ttrarre ort f . fato alla luzi ne ( igura 21. 1 a). L a nuova bi ma. (fanghi) a elevato c ntenuto di po li fosfato viene quindi . eparata e sotl p sta alla rimozione ciel fosforo ( igura 2 1. 18b).

Fosfato intracellulare

c Q)

o

c o

()

(a)

Acque reflue da trattamento secondario

::=====~,)o- aEffluente basso contenuto di P

(b)

Figura 21.18 Processo EBPR. Durante il passaggio attraverso il reattore, la comunità microbica passa da un'area di crescita anaerobica a una aerobica. Nella zona anaerobica vengono inglobati

gli acidi grassi a catena corta e vengono rilasciate le scorte interne di polifosfato sotto forma di ortofosfato extracellulare. Nella zona aerobica il fosfato extracellulare viene riassimilato come polifosfato

e vengono metabolizzate le scorte intracellulari di poliidroalcanoati (PHA). l fanghi ad alto contenuto di fosforo vengono quindi raccolti per essere smaltiti.

CA P l TOL O 2 1 •

Il trattamento BPR tal vo lta falli. ce a au. a dell a r ita e ce . i a di p p !azioni mi r biche concorrenti : in genere . i tratta di mi rorgani smi che accumul ano glicog n anzi hé fos foro, riduc ndo l' ffìcac ia del pr ·esso. P r p rfe;i nare la . ario comprendere megl i l 'c l gia c la fi siologia dei P . Di r cente . i s no compiuti pr gre . i in quest'ambito raLie all ' identificazi ne di un dei P O principali , Accumu libacfer p hosphmis. . p hosphmis apparti ne a un ciad di Be1ap ro1eoba ·feria identifica ti in di er. i si temi B PR e tra l r fì logeneticamente correlati che accumul ano il fos f ro (~;::> Paragra fo 15.2). nche se n n esistono ancora collllre pure, i reau ri da laboratori o arricchiti c n questi organi smi stann aiutando a mprend re le condit. ioni operati ve nece. sa ri e p r un fun t.ionament sta bi l dei sistem i BPR.

Contaminanti emergenti Fino a non molto tempo fa, gli stud i sul destin o am bi entale dell sostarve chimi che si concentrava no sugl i inquin anti principali , tra cui prodolli agri c li e c m posti chimici di asto impi go, caralleri aati da elevati li ve lli di toss ici tà o ca ncerogeni cità. orm ai evidente per eh nell 'ambi ent vengono i mme i nuov i i nquinanti bi oatti vi hc probabilmente porranno nuove . fid e al bi ori sa namento mi crobico . ques to gruppo di mp sti c ntamin anti apparteng no sostante farm acologich , ingredi enti ani i pre. enti nei prodoui p r la cura dell a pers na, profumi , pr d tti p r la pu li t.ia d Il abitat. ioni, filtri s lari m l te altr molec l in so l i te n bi oti ch . diff rent dei p . ticidi , questi inquinanti " nuo i" vengon imme. si in mani era piullosto co ntinuati va nell 'ambiente, prattutt altra ers le acque di scari co ( ·ia qu Ile trattate ~ i a qu Ile n n trallate) per qu sta rag ione n n necessario eh abbi ano una lunga p rsi terua nel tempo perché incidano sull 'ambi ente. Per esempi , noto h gl i estrogeni si ntetici, esc r ti nel l urin d Il donn che as. um no pillole anticon zi nali su ess iva m nt immess i nell' ambiente dag li i mpianti di trattament del le acqu reflu e, possono atti var i geni h ri. p ndono ag li estrogeni n gli animali acquati ci, com i peci, c ntribu ir all a f mm inili zzaLi one dei mas hi. In ri gine, gli impi anti di depuraLi ne eran progettati per ag ir su sostan z naturali , oprattutto r flui um ani e industriali . ggi la ri erca him i -farm a ~e mprc più sull a progeuazi n di struttur ne, c di nscgu nt.a la depurazi ne d i ncrementare il bi ri sanamcnt di questi inquinanti m rgenti . P ich sp sso qu esti contaminanti . ono presenti in concentrat.ioni molt bas e e ri entrano in nuove cat g ri e di so. tarue chimi he xen bioti hc, po. si bi l che non favori scano la ere. ita mi crobica e che p ssano essere deg radati soltanto mediant proccs i co-metaboli ci o da specie altamente pec ialia at . P n anto, in futuro i l biori san amento degli inquinanti emergenti di nt rà presumibilmcnte oggello di inten e ricerche microbiol ogi hc e di pol itiche di pub lico intere. se. Verifica - - - - - - - Quali sono i vantaggi deii 'EBPR risp etto ai procedimenti chimici tradi zionali di rimozione del fosforo? Esistono anche svantaggi ? Fate un esempio di inquinante "emerg ente".

M l Cfl OB l OL OGl A D r GL A M B l EN Tl A N TROP l/l A l T

707

21.8 Depurazione dell'acqua potabile e stabilizzazione e acqu reflu trallate c n met di sec ndari, di . olit , p ss no essere scarica te nei fi umi o nei torr nti. utta ia, quest'acqua n n potabile (c i , sicura per il con um umano). a pr duLione di acq ua potabi le ri hi ede ulteriori tra ttamenti per ri mu vere potentiali patogeni , el iminare il sapore l ' d re, ri durre gli elementi dann o. i come il ~ n·o e il mangane. e e diminui re la torbidità, che è una mi sura d i . olid i ospes i. l olidi o p i s no picc le parti elle di inqui nanti sol idi che non son . eparati mediante gli ord in ari metodi fi si i. in fui ni intestinal i pr vocate da patogeni pres nti nell 'acqu a . no tutt ra di ffu se, anche nei pae i sv iluppati e econd alcune stime s l negli tati niti le malattie trasmcs ·e dall 'acq ua lpi scono gni ann diversi mi l ioni di persone. Le prati che di depurati one del le acq ue, tuttavia, hanno aumen tato in modo significati vo la pe rcen tuale di accesso ad acq ue sicure a par1irc dag li i ni; i del secolo, gra;ie all a p roge tt a ~:i o n e di ope re pu bbli che e all o svi luppo e all'appl ica; ione deg l i stud i di microbiolog ia delle acque. n seco lo fa, quando i trattament i dell 'acq ua neg li tati ni ti si limi tavano all a jilmòone per rid urre la torbid ità, il tasso di patologie contratte a causa dell 'acq ua i mpura era molto elevato. ebbene i fi ltri dim inu issero signi ficati vamente la carica microbica dell 'acqua, non riu sc ivano com unque a bi cc are i l passagg io di m lti microrgani smi. Intorn o al 19 13, però. entrata i n uso la clorazion , che prevede a l ' uso di 12 come disin fettante per le forni ture idriche più ingenti . Il cloro gassoso era un disin fe ttante gen rico efficace c poco cos toso e il suo impiego ha ridotto rapidamen te l ' inc iden; a dell e malatt ie trasmesse dall 'acq ua. L a progetta; ione di opere pubb li che assoc iata ag l i stud i microbi ologici ha dunque contri buito in maniera determinante al notevole migl ioramento del la sa lute pubblica nel seco lo. sia negli ta ti niti sia in altri paes i svi lu ppati.

Depurazione chimica e fisica ella Figura 21.19a è mostrat un tr prco impianto cittadi no per i l trattamento di acq ua potabile, mentre la igura 25. 1Ob mostra il processo di dep u ra~:i ne di acq u non depurate (chi amate anche a que non trattate ) che nuiscono attraverso l ' i mpianto di trattamento. L 'acqua non depurata è prima pompata dall a risorsa idrica prim aria, in questo caso un fi ume, a un baci no di sedi mentat.ione dove . ono aggi unti poli meri anioni ci, allume (solfato d'allumini o) e cloro. l edim nti , ov er terreno, sabb ia, partice lle min eral i c altre parti ce ll e più grossolane. come descri ve i l termi ne, sedi mentano. 'acqua pri va di sedimen ti viene quindi trasferita in un chiarificato r o bac ino di coagu la;i one, che è un grande co ntenitore in cui avviene appun to la coagulazione. dove ci l 'allume e i p l imeri an ion ici forman partice lle pi ù gro se a parti re dai so lidi sospes i di di mensioni più pie ole. D p il mescolamen to, le particell e continuano a interag ir formando grandi masse aggregate: questo pro esso è detto fi o ulazion . Quest grosse partice ll e aggregate ( fl culi ) si dcp si tano per gravi tà, in-

708

UNl TA 4 •

ECOL OGl A M l CROB l CA E M l CROB l OL OGl A A M B l EN TA L E

Rimozione di sabbia, ghiaia e altri particolati grossolani

Acqua non trattata ~!!!!!!~~-J- Sed i mentazione

Formazione e rimozione del flocculato contenente materiale insolubile e microrganismi. Rimozione dei particolati residui e della maggior parte dei composti organici e inorganici. Inattivazione dei microrganismi residui e trattamento di prevenzione di nuova crescita microbica . . , - --

Acqua trattata tributlon

(a)

(b)

Figura 21.19 Impianto di purificazione dell 'acqua. (a) Vista aerea di un impianto di trattamento idrico a Louisville, Kentucky (USA). Le frecce indicano il flusso dell'acqua attraverso l'impianto. (b) Schema di un tipico impianto comunale di depurazione idrica.

mat riai

organ ic

la

Disinfezione

uropa p i LI di r en t nel Paragraf 5. 18, l niti. m di eu . rad iazion i . on utili zzat per trattar le cg u eftlu nti trattam nto seco ndari negli impianti di depurazi ne d Ile acq ue di scarico. Per la di si nfezi ne, l rad iazi ni prad tte medi nte l mpade a vapori di mercuri .

CAP l TOLO 2 1 • Ml CROBl OLOGl A OEGLI AMBl ENTl ANTROP l ZZ ATl

709

al la lungh zza d' n-

iardia

Raccolta e immagazzinamento

Verifica Qu l è lo scopo della sedimentazione, coagulazione, filtrazione e disinfezione nel processo di trattamento dell'acqu potabile? • Quali procedure generale sono utilizzate per ridurre il numero di microbi (carica microbica) nelle forniture di acqua? Quali sono i vantaggi della disinfezione mediante UV rispetto alla, o come integrazione della, disinfezione chimica con cloro?

21.9 Sistemi pubblici e privati di distribuzione delle acque

Figura 21.20 Sistema di distribuzione dell'acqua potabile. Un sistema di distribuzione comunale comprende un serbatoio di superficie, un impianto di purificazione dell 'acqua, una rete di distribuzione principale e le condotte secondarie per uso residenziale che, in una tipica comunità, comprendono molti kilometri di tubature.

Microbiologia degli impianti pubblici di distribuzione delle acque La ere. ci ta microbi a n i i temi di di tributione d Il a qu n d compi p tabi l i pu e . er s ongiura ta oltan t ri mu tament i nutrienti (ov er i ub trati di cr s ita, d ri anti sia dall'acqua al la sorg nt sia dai materia li struttural i d gli

(tra cui Mycoba terium avium, M. intra ·el/ulare, M. kansasii e M. fortuitum) a . iati gni ann a m lte migliaia di ca. i clinici n gli tali niti; (2) Legionel/a pneumophila (respon-

710

UNITA 4 •

ECOLOGIA MICROBICA E MICROBIOLOGIA AMBIENTALE

e M •cobacterium .

Microbiologia delle strutture residenziali di distribuzione delle acque

ate, i can i. m nt rare (tra cui

Figura 21.21 Protisti come serbatoi di Legion e/la. Due cellu le del protista Tetrahymena contenenti catene del patogeno bastoncellare Legione/la pneumophila (frecce). Nelle condutture dei sistemi idrici residenziali, i protisti possono persistere e trasformarsi in serbatoi di batteri patogeni.

IV • Biocorrosione a danni a infra truttur in m l re di m lti mili ardi di a c rr i ne un pro compie h pu e s r influ nzat e acce lerato dal l ' atti vità mi r bi gani smi acce lera n la corrosione alt rand i va l att i ando reazioni di · id riduzi n , la produ zi

Verifica - - - - - - - - Ricostrui te le fasi del trattamento dell 'acqua potabile, dal punto di immissione nell 'impianto di trattamento al punto di distribuzione finale (rubinetto). • Quali caratteristiche degli impianti residenzi li di distribuzione dell 'acqua possono favorire la crescit di Legionella? Quali invece possono sopprimerla?

cA P1r oL c

21 •

Qu sto paragraf descri e alcuni ca. 1 m cui il ntributo microbico al la corrosione è stato studiato in mani ra r lativamente approf ndita. Tuttavia, e probabile che in futur i modelli generali che de crivono la l subis an ulteriori moditich , graòe a una maggiore compren. ione d i pr c ssi attraverso i quali i micr rganismi intcragiscon c n i di ersi materiali Mrutturali e li m dificano.

21.1 O Biocorrosione dei metalli Il ferro il metallo più usato nel l 'edilizia. l m ndo, milioni di kilometri di tubature p r la distribu1ione di acqua, gas e petro lio sono rea litLati in m tallo la l ro corr sione pro oca i danni più ing nti alle infra. truttur c truite dal l 'u mo. i riti n eh la c rr sione d l ferro causata dali' sigen pr scnt ne l l ' aria sia un processo di natura esclusi am ntc l ttrochi mica. uttavia, poi h molte infrastrutture indispensabili . ono interrate sommers , l'c p sizi ne all'ossigeno c limi tata. pii a qua. i neutro, in as.· n7a di ssigeno, la orrosi ne di f rr a 1a1 i n a celerata in mod significati d·Ji l'atti ità mi robica . l gruppi microbici implicati nella l compr nd n i ridutt ri d l . olfato (et+' Paragrafi 13 . 18 e 14.9), i batt ri he riduc no il ferr ferri o (et+' Paragrafi 14.14 e 2 . ), i batteri eh ossidan il r rr f rr . (et+' Paragrafi l . , 14. 15 20. ) i m tanogcni (et+' Paragrafi l .20, l .2 20.2).

Corrosione dei metalli a opera di batteri solfato-riduttori e trutture m talli h imm rsc n gli ambi nti marini e le c nduttur usate r il trasp rto d l greggio son particolarmen t s gg tt Ila i orr sione a causa dell ' attività di alcuni mi r rgani'imi che riducono il so l fato . La corr si n pr v ata da questi batt ri d uta in pa11 alla natura chi mi amente corro. i va dell'a id . olfìdri o (H 2 ) pr dotto dal lor m tab lism (et+' Paragrafo 14.9). l greggi che . i c mp ng n p r più dello O, % in pc da zolfo engon definiti Battano solfato-riduttore

sol-

'v11

~'< oB 1c L o G1A

oEGL 1

A M B 1EN r 1 A N RoP 1zzA r 1 T

"acidi" (sour) e pos ono e . ere naturalm nt c rr : i vi p r la presenza di 11 2 . i campi p troliferi ed i oriente e in laska. viene i m me . a a qua di mar per mantenere la pressi ne nei giacim nti e pingere il p trolio all ' intern dei poui produttivi . Poiché l 'a qua marina contiene quasi 30 m di solfato, que. t' p razi n pro oca un ulterior aumento dell ' acid ità, i n quanto stimola la res ita dei microrganismi che riducono il solfato. na strategia oggi impiegata dall 'indu. tria petr lif ra per arginare questo aumento di acidità con . iste nell 'aggiunta di nitrato ( 3 ) nell'acqua in iettata, al fine di stimolare la cr s ~:ita di microrganismi che lo riducono . Poiché la resp irazione mierobica che usa il nitrat come accettore di elettron i piC1 fa ore ole dal punto di vista energetico rispetto a qu Ila eh usa il s lfat (et+' Paragrafi 13. 17 c 19.2). i batteri nitrato-ri dullori . ono avvantaggiati sui solfato-riduttori . Il nitrato sti mola inoltre la crescita di microrganismi ~:he oss idano il sol furo (et+' Paragrafi 13. e 14. 11 ), invertendo così il pr cesso di a ·idifica1i n grazi alla rimot.ione del solfuro.

Meccanismi di corrosione dei metalli D finire i meccani mi c n cui i batteri so lfato-riduttori contribui scono direttamente alla con·osione più omple. s , ~:ome si pu de. umere dai due principa l i modelli d scritti i attualmente e:istenti . I l prim incentrato su ll a "teoria d Ila dep lariuazione catodica", second cui il n. umo di idrogeno da parte d i riduttori del solfato accelera la vai latura elettro himica della superficie del ferro (Figura 21.22a). uest modell si basa su lla capacità di mo lti batteri solfat -ridutt ri di usare l ' idrogcn ( 11 2) c me d nat re di elettroni, accelerando la produ1ione di H 2 - energeticamente fav revole ma cineticamen te l nta - gra1ie all'o. sidazione chi mica d l ferro ( e + 2H + e2 + + H ~ ). secondo la rea1.i ne descritta di s guito, la cui varia1ion d-i energia libera ( G-o' ) altamente fa re l 2 4

,=

+

H 3 925 kJ)

Batterio solfato-riduttore

+ 5H +

+

HS

j

FeS

3FeC03 4F

Regione catod1ca

0

Trasfenmenlo di l troni e compi sso solfato-ridotto che attraversa il periplasma

Poa tlo

di corro ion

Regione anodica

(a)

Figura 21.22 Corrosione del ferro a opera di batteri so lfato-riduttori. La figura mostra due diversi modelli che ricostruiscono il ruolo dei batteri solfato-riduttori nella corrosione del metallo. (a) Accelerazione dell 'ossidazione del ferro mediante

711

(b)

il consumo di H2 prodotto abioticamente dalla riduzione dell'idrogeno sulla superficie del metallo. (b) Trasferimento elettronico diretto dal metallo mediante strutture conduttrici della parete cellulare esterna connesse a un sistema di trasferimento elettronico distribuito

l.

Pozzetto di corrosione e prodolti della corrOSIOne

~J

!

(c)

sul periplasma. (c) In alto : fotografia di una superficie di ferro soggetta a corrosione da solfuri. In basso: sezione laterale computerizzata della superficie metallica ritratta nella foto, che svela le aree in cui si sono verificate la corrosione e la vaiolatura della superficie metallica.

712

J Nl TA 4 •

ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl ENTALE tato p r

si

me

l are . on duttrici, ce llu la.

i run ghi nd liti i a lgon gh quel! d i li hen i.

i rototrotì in

Corrosione della calotta delle condutture di raccolta delle acque reflue

Verifica In che modo l'aggiunta di nitrato impedisce l'acidificazione del greggio? Perché si ritiene che la corrosione del ferro, acceler ta dagli organismi microbici, richieda un'interazione diretta tra i riduttori del solfato e la superficie del metallo?

21.11 Biodeterioramento di pietre e calcestruzzo

biodererioram

Regioni della calotta soggette a corrosione

Regione di zolfo-ossìdazìone chemiolitotrofa

- -r--

Regione di riduzione del solfato

1110 .

Mal nal organico n t liqu mt

Biodeterioramento dei materiali lapidei da costruzione la posso n co loniaar la sup lim tri all' int rno, a seco nda d Il pi tra (per . mpi , ruvidi t sup Lione della luce). Po .. ono anch

ta simbi ticam nte,

+~,.----

Figura 21.23 Corrosione dell a calotta dei tubi in ca lcestru zzo per fogn ature. La corrosione è il risultato di un ciclo microbico dello zolfo che si sviluppa all'in! rno dei tubi. l batteri solfato-riduttori consumano il materiale organico presente nei liquami anossici, producendo H2S. Quest'ultimo viene quindi ossidato da batteri chemiolitotrofi zolfo-ossidanti che aderiscono alla superficie superiore aerata (calotta) del tubo, accelerandone la corrosione mediante la produzione di H2 S0 4 (acido solforico).

CAP l TOLO 2 1 • Ml CROBl OLOGl A DEGLI AMBl ENTl ANTROP l ZZ ATl

713

na

ntll , 1ue Li ~ n m ni c n·o 1 1 • 1 Lraa annua di m Ili miliardi di d Ilari p r la il m nit raggi Lrultur c rnprom s. e dell ' a anzam nl della co rrosion .

c si oma-

Verifica • In che modo la produzione di acido ossalico da parte dei funghi contribu isce al deterioramento dei materiali lapidei da costruzione? • Prima che venissero introdotti maggiori con trolli su l rila scio di metalli nelle fognature domestiche, la corrosione della calotta dei tubi in calcestruzzo era un problema di entità minore. Perché?

CONCETTI FONDAMENTALI o La capacita k:i ha11c.:ri di m~idarc.: l·c.: _ ac.:rohicum:nlé a pii ac1do 'icn · u~ala dall'indu\lria c.:~tralli, · a. in pani olarc po.:r i m..:tallt conh.:m:nll rame.:. uranio c.: oro. l!l:tlic.: a un prm.:.:~~o chiama 10 li'CI\ 1at1nno.: micmhic.:a. l.'o"idation · hallenca di 1·.:2 a F..: 1 l' la n.:anone fondamentale nella mag)!ior pali • de1 proc..:,~i di li'ci' 1.11ione, in quanto h.: può o~' idar..: i Il leitrai bili pre,c.:n 11 nei 1111nc.:rali in condi1inn1 ~ia 0'>\1 ·hc.: -.ia ano,-,ich ·.

21.1

o Il tratta m ·n to a' antalo delle acque rdluc. come p..:r e~cm ­ pio l' I:BPR. 'iene U\:tlo per migliorare la quali la delle acqu · tralla l '. Su~t:ilano crt.:\C ' nlC pr 'OC 'llfla!ÌOilè l' ~0\lante farmacolog i ·hc è i con1pom:n1i dci pmdolli perla cu ra della pt.:r\ona che IH n \èngono dt:)!radati dai ,i,lcmi di ltallamcnw cnn' c.:n1ionali c pm'oono :t\ ·re c.:tkui noci' i !>Cl l'ambiente an ·hc a concentra/ioni molto b~h'-C.

21.7

l · 0\\1d.11innc.: llllclohl l< modo ~i co

21.8

21.2

o

21.4 o (ìli idtn ·arbun '>i ·o-chimi ·i. l) p il trattamento \c ·ontlario 'l ·r1iari . il B l tlell 'c fllucntc ., 'oignifi ·ati,am·nt • 1idollo ·l'a ·~apu C\\ 'l ' rila'ociata n•ll'aml i ·nt .

fo-O\'oidanti ·h· crc.:>cono 1'1\fll'lll\ ;~nt,·nt,· liso di depurati one dell'acqua potabi le. Quali importanti contam inanti vengono eliminali in ciascuna fase del processo? (Paragrafo 21.8) 9. Descrivete gli habitat microbici che si formano nei si•aemi di distributione dell'acqua potabile c negl i impianti idrau lici privati . ome riescono a sopravvivere gli organ ismi in preserva di cloro? Quali carallcristiche degli habitat nei si~ t erni di di•aributione possono comportare rischi per la salute'! (Paragrafo 2 1.9) l O. Perch la presenta o l'assenta di solfato ( ~ ) osl importante ai fini de ll a corrosione dei metalli'! (Paragrafo 2 1. IO) Il . Quali tipi di struuu re sono soggcui all a corrosione della caloua? Perch anche in questo caso. come nell a corrmione dei metalli, è importante il solfato'! (Paragrafo 2 1. Il)

PROBLEMI l.

2.

La forma t ione dei drenaggi acid i di miniera e un process in parte ch im ico e in parte biologico. Descri cle gli eventi chimici c microbiologici che portano allo svi luppo di questi rcflui acidi e indicate le principali reationi di natura biologica. In che m d si può pcmare di prevenire la forma1 ione di drenaggi acidi di miniera'! Perché la ridutione del valore di B nelle acque refl ue

3.

l'obi ui o primario del loro trauamento? uali sono le cons gucnte dell'immissione delle acque reflue n un alto valore di B D nelle ri s r\c idri he loca li come lag hi o corsi d'acqua '! esc ri et l'ecologia microbica eh c ntribui sc alla c rr sione della ca lolla dei tubi in calcestru11 delle fognature . ua li wategie di interv nto p trebber essere utili per ridurre o eliminare la rr si ne'!

Un trio simbiotico sostiene gli ecosistemi di piante marine e praten di piante mann fungono d importante habitat er i v ri animali che a itano le zone costiere, tra cui pesci, coralli m1gratori, uccelli acquatici e tartarughe. Le piante arine (fotografia 1n alto) rot ggono anche le coste dall'e ros1one e sono importanti fonti di carbonio organico e nu rient1. Tuttav1a, il notevole successo delle piante marine nelle eque temperate o tropicali e enigmatico: come fanno quete piante a evitare l'awelenamento da solfuro di Idrogeno, ltamente toss1co, prodotto da1 b tteri solfato-riduttori particolarmente attivi nei sedimenti costieri? Uno studio ha nsolto uesto m1stero. Il successo degli ecosistemi d1 piante marine è legato alle t11v1ta d1 un piccolo mollusco (foto rafia in basso). appartenente a una specie di lucinidl b1valv1 che v1vono in prossimità e1 sistemi r d1c li delle piante marine . Le vongole funz1o nano diminuendo Il solfuro, usando l'ossigeno rilasc1ato dalle radici elle alghe per ossidarlo. La capac1ta del mollusco di ossidare il solfuro è a ua volt il nsultato della sua associa Zion s1 bio ica con ba teri solfuro· ossi an i che risiedono nel prop1 tessuto r nchiale. Questi batteri chem1ohtotrofi sintetizzano zucchen che sostengono se stess1 e le vongole. Gli esperimenti in cui la pratena è stata coltivata in ISOlamento o in associaz1one con le vongole hanno confermato il ruolo chiave delle vongole nella deplezione del solfuro, rafforzando così la crescita delle piante. Le praterie di piante marine sono state oggetto di ncerche sul campo che hanno confermato un'associazione glo b le tra lucinidi e pratene, e le paleo-reg1strazioni mostrano che questa associazione esiste d quando le piante marine SI sono evolute, mca 100 milioni d1 anni fa. Il successo ecologiCO delle p1ante manne puo quindi essere attnbuito a una partnership di lunga data e molto prof1cua tra piante, an1mali e batteri, un trio simbiot1co. La comprens1one dell'importanza di questa partnership unica è essenziale per il ripristino delle praterie di piante marine nelle zone costiere in cui tali habitat cntici sono in declino a causa dell'inquinamento.

l Simbiosi tra microrganismi 716 Il Piante come habitat microbici 718 111 Mammiferi come habitat microbici 729 IV Insetti come habitat microbici 739 V Invertebrati acquatici come habitat microbici 745

716

UNl TA 4 • ECOL OGl A M l CROB l CA E M l CROB l OL OGl A A M B l ENT AL E

l • Simbiosi tra microrganismi du mpi di imbi hirui ti i anta gi p

22.1 Licheni

(B)

(b)

Figura 22.1 Lìcheni. (a) Un lichene che cresce sul ramo di un albero morto. (b) Licheni che ricoprono la superficie di una roccia.

i mutu li ti un d i p

p r l qu li

CAPITOLO 22 •

SIMBIOSI MICROBICHE

(a)

(b)

(c)

(d)

717

Ife fungine

al substrato, simile a una radice

Figura 22.2 Struttura dei licheni. Fotomicrografia di una sezione trasvers le di un lichene. Nel lichene lo strato di alghe è posizionato In modo da ricevere la maggior quantità di luce.

Figura 22.3 Disegni di alcuni consorzi fototrofi mobili trovati in laghi di acqua dolce. Epibionti verdi: (a) "Ch/orochroma tium aggregatum" , (b) "C. g/ebulum" , (c) "C. magnum", (d) "C. lunatum". Epibionti marroni: (a) "Pelochromatium roseum ", (d) "P. selenoides". Gli epibionti hanno un diametro di 0,5-0,6 JJ.m. Adattato da Overmann, J. e H. van Gemerden. 2000. FEMS Microb/ol. Rev. 24: 591-599.

p veri di a qu , in g n ral , i funghi on m lto ranti alla i ccità i quanto n n l ian i micr rganitr fi.

ra p ci

n

( in

rgani m ) la denominalogia di qu ti on rzi

Natura del consorzio

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . • Che vantaggi traggono entrambi i partner quando si associano a formare un lichene? Nell 'associazione mutualistica con Anabaena, oltre ai composti organici , cosa forn isce il partner fototrofo al fungo?

22.2 "Chlorochromatium

aggregatum'' ni micro-

on

orzi

tato a

l

.zon buie

718

UNl TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A AMBl ENTALE

Filogenesi e metabolismo di un consorzio

Figura 22.4 "Pelochromatium roseum" proveniente dal Lago Dagow (Bra ndeburgo, Germ ania) al microscopio a contrasto di fase. Il preparato è stato schiacciato tra il vetrino portaoggetti e il vetrino coprioggetto per poter osservare il batterio centrale a forma di bastoncino (freccia). Un singolo consorzio ha un diametro di circa 3,5 JJ.m. Riproduzione autorizzata da J. Overmann e H. van Gemerden. 2000. FEMS Microbiol. Rev. 24: 591-599. ( cot fobota

L 'epibionte di " hlorochromatium aggregatum" tato isolato ed è tal po sibile ottenere colture pure. nche se questo partic !are batt ri verde ulfureo, chiamato hlorobium ch/oro"chromatii, in !ab rat ri pu cr cere in coltura pura rvate cellule a vita libera, facendo ipotizzare che, in condizioni naturali, lo tile di vita simbi tic ia per que to rgani mo, obbligato. Il batteri p to al c ntro degli aggr gati di " h/orochromatium aggregatum" appartien ai Betaproteobacteria (c!;> Paragrafo l 5.2). intere ante notare che que to micr rgani mo nece . ita di cx-chetoglutarat , un int nn di d l ciel dell'acid citric (c!;> Paragra 3.12), eh pr ba ilmente gli vi ne f rnit dall'epibiont . La cel lul a ntral , comunque, pu a imilare lo carbonio fi ato in pr s nza di luce e di lfur , condizioni in cui gli epibi nti on attivi e po n tra f rir nutrienti al batt ri c ntral .

i, c!;> Paragraf 2. 1 ) e mo tran eh miota lfuri. lcuni batt ri erdi ulfur i a vita d tati

on circa un e di nuo

Verifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . • Quale dato suggerisce che "Chlorochromatium aggregatum" sia un prodotto stabile di un processo evolutivo? Che vantaggio fornisce la motilità a un consorzio fototrofo? • Come possono scambiarsi i nutrienti il partner fototrofo e quello chemiotrofo di un consorzio?

Il • Piante come habitat microbici Le piante tabiliscono interazio ni c n i micr rgani mi che c lonizza no le radici e la uperficie f gliare , in maniera ancora

più intima, con qu Ili che pen trana al l'intern d i t uti vacolari o delle loro cellule. La maggior parte d Ile interazioni

CAPITOLO 22 • SIMBIOSI MICROBICHE

719

Azorhizobium o ma Bartone/la Brucella

Ochrobactrum Rhizobium Sinorhizobium Shinel/a (a)

Phyl/obacterium Mesorhizobium \ m \ Devosia P .eudomonas

onas

Agrobacterium

Figura 22.6 Rapporti fìlogenetici di rìzobi (In grassetto) e generi correlati dedotti dall 'analisi delle sequenze dei geni che codificano l'rANA 16S. l rlzobl sono distribuiti in 12 generi e rappresentati da più di 70 specie di Aipha- e Betaproteobacteria .

(b)

Flgur 22.5 Micrografia al microscopio elettronico a scansione di " Chlorobfum aggregatum". (a) Epibiontl di Chlorobium chlorochromatil raggruppati Intorno a un batterio centrale flagellato. (b) Il batterlo centrale presenta numerose protruslonl della membrana esterna che vanno In Intimo contatto con l'epiblonte, probabilmente fondendo Il perlplasma del due organismi. Le cellule dell'eplblonte hanno un diametro di circa 0,6 f.l.m. Riprodotto per gentile concessione da G. Wanner et al. 2008. J. Bacterio/. 190:3721 -3730.

Figura 22.7 Noduli su radici di soia . l noduli si sviluppano in seguito all'infezione di Bradyrhizobium japonlcum . Il fusto principale di questa pianta di sola ha un diametro di circa 0,5 cm .

lrura

di

22.3 Simbiosi dei noduli radicali delle leguminose

720

UNl TA 4 • ECOLOGl A Ml CROBl CA E Ml CROBl OLOGl A A MBl ENTALE

Figura 22.8 Effetto della nodulazione sulla crescita delle piante. Un campo di piante di soia non nodulate (a sinistra) e nodulate (a destra) coltivate in un suolo povero di azoto. Il colore giallo è tipico della clorosi, effetto della deficienza di nutrienti (In questo caso azoto).

Figura 22.9 Struttura del nodulì radìcalì. Sezione dì nodull radicali della leguminosa Coroni/la variata. Si può osservare la colorazione rossastra conferita dalla leg-emogloblna.

ogni ann

Leg-emoglobina e gruppi di infezione incrociata

Tabella 22.1 Principali gruppi di infezione incrociata delle leguminose Pianta ospite

Stadi della formazione del nodulo

Nodulata da RlliZOb1um l gummosilrum b1ovar VICine''

Rh1Z0b1um trop1c1

ria unt l.

Mesorh1z0b1um 1011 Rhizob1um legum,nosarum b1ovar lnfolii"

2.

Smorh1zOb1um mefllot1

So•a

Bradyrh1Z0b1um japomcum

So•a

Bradyrhizobium elkanil

So1a

Smorh1Z0b1um fredn

Sesbanm rostrala

(l

3. 4. 5.

Azorh1zobium caulmodans

um1nosa tropicale)

•Esistono diverse varietà (biovar) di Rhizoblum legumlnosarum, ciascuna capace di nodulare un diverso legume.

6.

ttoindi cat .

Ric no ciment d l partner c rrett ia da part d Ila pianta ia da part del batteri e ade i ne del batteri ai peli radica li. egna! di cr zione da part del batteri di m le natura ol igo accaridi ca (fattori n d). In a ione del p l radicale tramit un tu bu i di infezi n . Penetrazi ne del batterio attr ver o i l tubu l di infezi ne fino alla radi e principal e. difì azione aJI 'i ntern d Ile cellule d Il radi ci, dell e cellul e batteri he (form azi ne dei batter idi) e i lupp delle c ndi zi ni nece arie alla fì azione del! azoto . Di i i ne co ntinua dell e cellul e dell a rad ice e dei batteri e formazion del nodul radical e matur .

CAPITOLO 22 • SIMBIOSI MICROBICHE Le cellule vegetali Infettate e quelle adiacenti vengono stimolate a dividersi

Pelo radicale Cellula di rizobio

1. Riconoscimento

e adesione (mediate da ricadesine).

2. Il batterio secerne i f attori nod che provocano il ripiegamento del pelo radicale

3. Invasione. l rizobi penetrano nel pelo radicale e si moltiplicano all'interno del tu buio di infezione.

Tu buio di infezione

4 . Nel tubulo di infezione i batteri si moltiplicano procedendo attraverso le cellule radicali.

5. Formazione dello stato di batteroide all'int erno delle cellule radicali.

Noduli

6. La continua divisione delle cellule radicali e dei batteri porta alla formazione del nodulo.

Figur 22.10 Stadi della formazione del nodulo radicale in una leguminosa infettata da Rhizobium . La transizione allo stato di batteroide è un prerequisito per l'azoto-fissazione. Si v da la Figura 22 .15 per le attività fisiologiche che si svolgono nel nodulo.

Adesione e infezione

Batteroidi

J

J

J.

J.

1

l

!•

!•

l

(a)

(b)

Figura 22.11 Tubulo di infezione e formazione dei noduli radicali. (a) Un tubulo di infezione indotto da Rhizobium leguminosarum biovar trifolii su un pelo radicale di trifoglio bianco (Trifolium repens) . Il tubulo di infezione è una cavità rivestita di cellulosa attraverso la quale

721

-l

l (c)

i batteri si muovono fino a raggiungere le cellule dell radice. (b -d) Noduli di erba medica infett ti d cellul di Sinorhizobium me/iloti a differenti stadi di sviluppo. Sia le cellule di R. leguminosarum blov r trifo/ii sia quelle di S. me/iloti sono lungh circa 2 f.l.m . Il tempo necessario p r il completo

(d)

sviluppo dei noduli dal momento dell'infezione è di circa 1 mese, sia per l soia sia p r l'erba medica. l batteroidi sono lunghi circa 2 f.l.m . Foto b-d riprodotte con autorizzazione da Nature , 351 : 670-673 (1991) , «:JMacmillan Magazines Ltd.

722

UN l TÀ 4

•

E C OL OG l A M l C R OB l C A E M l C R OB l OL OG l A A M B l E N T A L E

Formazione del nodulo: geni, proteine e fattori nod

Domini Domini della del recettore chinasi

,.............,

Oscillazioni delle concentr •

zion1 di C

2

•

nel nucleo

("piCchi d1 calcio")

Attivazione della proteina chinasi calclolcalmodullna· dipendente

CH20 - R1

o NH

o NH l

R2

lnduz1one dell' spresslone d i geni myc o nod richiesta per l'organogen si (formezlone d 1noduli o dell'arbuscolo)

C - CH 3 : Il ~n

o

NH

---..1

l

C - CH 3 Il

o

(a)

Rhtzob/Um legumtnosarum b1ovar vtctae (p1sello) Glomus tntraradtces (molte colture agncole) (b)

Figura 22.12 Fattori nod e Myc. (a) Struttura generale dei fattori nod prodotti da specie di rizobi (Sinorhizobium me/iloti e Rhizobium leguminosarum biovar viciae) e del fattore Myc prodotto da Glomus intraradices, un fungo micorrizico arbuscolare (AM) (Paragrafo 22 .5). {b) Tabella delle differenze strutturali (R1 , R2 , R~ che definiscono i corretti fattori di segnalazione di ciascuna specie. L'unità centrale di zucchero può ripetersi fi no a tre volte per i diversi fattori nod, e ripetersi due o tre volte per i diversi fattori Myc. C16:1, C16:2 e C16:3, struttura base di acido palmitico con uno, due o tre doppi legami, rispettivamente; C18:1, struttura base di acido oleico con un doppio legame; C18:1~9Z , isomero trans dell'acido oleico con un doppio legame al nono legame C- C; C18:4 , acido oleico con quattro doppi legami; Ac, acetile.

Figura 22.13 Vi e d ì segnalazione nod e Myc nella form azion e del nodulo radicale e dell 'arbu scolo. La segnalazione del f ttore nod (N F) coinvolge almeno tre recettori associati alla membran (NFR1, NFR5 SYMRK) che, insieme, innescano lo sviluppo della nodulazione tramite fosforilazione proteica. NFR 1 e SYMRK hanno domini chinasici attivi (blu), mentre la chinasi NFR5 è inattiv . Il leg me diretto del NF al complesso NFR1 -NFR5 sulla membrana citoplasmatica della cellula vegetale avvia la trasduzione del segnale mediante l'attivazione della chinasi NFR1. La risultante auto- o trans-fosforilazione dei domini citoplasmatici NFR innesca eventi che port no alla formazione del tubulo di infezione. La trasduzione del segnale SYMRK attraverso il complesso NFR1 - NFR5-fattore nod (o attraverso un recettore non identificato per il fattore Myc) è parte di un programma di simbiosi conservato, in cui l'induzione della segnalazione da parte del calcio nel nucleoplasma della cellula vegetale innesca cambiamenti nell'espressione genica e la produzione di ormoni della crescita della pianta (citochinine) necessari per la formazione del nodulo o dell'arbuscolo. Nella via di segnalazione Myc non sono stati stabiliti né l'identità del secondo messaggero né la partecipazione dei recettori N FA-simili. Per la discussione delle micorrize si veda il Paragrafo 22 .5.

CAPITOLO 22 •

OH

OH

HO

HO

o

o

lnduttore lnibitore

OH OH

OH

5,7,3' ,4 ' -tetraidrossiflavone

5, 7, 4 '· triidrossiisoflavone

(a)

(b)

Fig ura 22.14 Flavonoidi prodotti d Ile pi nte e nodulazione . Strutture molecolari di flavonoidi induttori (a) e inibitori {b) dell 'espressione dei geni nod in Rhizobium leguminosarum biovar viciae. Si noti la somiglianza della struttura delle due molecole. Il nome comune della struttura illustrata in (a) è luteolina. La molecola schematizzata in (b) è un derivato dell'isoflavone e si chiama genisteina .

SIMBIOSI MICROBICHE

Citoplasma della pianta

723

Fotostntest

Membrana del simbiosoma

+ +

Zuccheri

Battero= de- - - - - - t ·Succlnato Ciclo y.-Malato d !l'acido ( \ Fumarato citrico \-A J

+

G

Piruvato

rza ..,...----.....ATP\ !e·

otonotrlce

~ "v""

'o _

Nitrogenasl

~

N2 - + NH 3

Lb

0 2 + Lb

0 2 · Lb

Glutammina Asparagina

l Lb = Leg-emoglobinal Figura 22.15 Batteroide del nodulo radic le. Schema delle principali reazioni metaboliche e scambi nutrizionali nel batteroide. Il simbiosoma è l' insieme di batteroidi circondati da una membrana prodotta dalla pianta.

eg li nzimi c m milazi ne d Jl 'amm niaca, la glu tammi na int La i, eh v rt glutamm to H 3 in glu tammi na (c!;:> Paragraf proprio la glu tammi n,, in i m a pochi altri c mpo ti rganici zotati , che tra feri c l'az to fi s to dal batter ide ai te . uti della pianta.

Rizobi che nodulano il fusto

Biochimica dell'azoto-fissazione nei noduli

fu to produc no batteffettuar una foto int si

724

UNITÀ 4 •

ECOLOGIA MICROBICA E MICROBIOLOGIA AMBIENTALE

ull a uperfìci d pr ndono il to fì at eh

Figura 22.16 Nodulazione del fusto da parte di Azorhizobium. li lato destro del fusto della legumìnosa tropicale Sesbania rostrata è stato inoculato con Azorhizobium caulinodans . Il lato sinistro non è stato inoculato.

zi ne di lm no part dell'energie ri hie ta dal mi r rganimo p r il pr ce di azot -fì azione.

Simbiosi per l'azoto-fissazione con piante non leguminose: Azolla-Anabaena e Alnus-Frankia di

Verifica --------------------------------------.... • In che modo i rizobi dei noduli radic li favoriscono la crescita di una pianta? Cosa sono i fattori nod e qual è il loro ruolo? Che cos'è un batteroide e che cosa avviene al suo interno? Qual è la funzione della leg-emoglobina? • Quali sono le principali similitudini e le principali differenze tra i rizobi e Frankia?

.,

t (.

l

:i ~----~~~~~~

(a)

(b)

Figura 22.17 Simbiosi Azolla -Anabaena. (a) Una pianta intatta di Azo//a p inna ta . Il diametro della pianta è circa 1 cm. (b) Il cianobatterio simbionte Anabaena azollae che si può osservare frantumando le foglie di A. pinnata. Le singole cellule di A. azollae misurano circa 5 f.l.m. Le cellule vegetative hanno forma allungata, le eterocisti, sferiche (di colore più chiaro, indicate dalle frecce) , sono cellule differenziate per l'azotofissazione.

(a)

(b)

Figura 22.18 Noduli e cellule di Frankia. (a) Noduli radicali dell'ontano comune A/nus glutinosa. (b) Coltura pura di Frankia isolata dai noduli di Comptonia peregrina. Si notino le vescicole (i ndicate dalla freccia) alle estremità dei filamenti delle ife.

CAPl TOL O 2 2 • Sl MBl OSl M l CROBl CHE

Geni vir l.lJ -/. (codificano a .j. fattori di 0 t virulenza) ,

725

G ni p ril c l boilsmo d ileopine

20%

'6 .E

10%

200

400 Numero di geni, migliaia

Figura 22.35 Ridotta capacità funzional e del microbioma intestinale dei pazienti con malattia infiammatoria intestina le. L'analisi metagenomica del microbiota intestinale umano in persone sane e in pazienti con malattia infiammatoria intestinale (IBD) ha rivelato una tendenza verso un minor numero di geni batterici non ridondanti nei pazienti con (IBD).

Cambiamenti del microbioma umano associati a malattie l am iam nti d l mi r bioma umano . n lung tcm p ali

microbi< ma intestina! e l ' besità, la causalità deii'IB nell 'uomo ancora poco compresa. nalisi metagenomiche di sogg tti sa ni e pa7ienti con l hanno mostrato che la n ra inte. tinal d i pazienti IBD ha meno geni in omune con i . oggetti sani ri pett al numero di geni condivisi tra soggetti sa ni . La c munità microbica d i patienti I BD tend anche ad a ere una capa ità funLional signifìcati vam nte ridolla, c me d d tt dall a ridutione del numero di geni non rid ndanti ri spetto ai soggetti sani (Figura 22.35). ltre c ndizioni not p r l'a s ciaLione ai cambiamenti n l micr bi ma uman . n il diabete di tipo 2 (non insulin -d ip ndent ), l'asma, la d rmatite atopica, il cancr del colon- retto, i cale li renali , la parodontite e la psoriasi. umentand le con scenz su lla re lation tra i l microbioma uman , la alute e la malattia, potrebb diventare p ssib ile l'int r nt t rap utico, che p trebbe in lud r la pr m Lione della ere. ita di baneri . imbionti b n fì i c nt mp raneament l 'i nibiLion della cr . ci ta di . ingoli mi r rganismi (o di gruppi di micr rganismi) che comprometton la salute n nch il trapianto di ·omunità micr bi he d·llle p rs ne sa ne a quelle malate.

~ p it

l m d Il i murin i indi cano p r la malani a infiammatoria in t ·tinal un ' zi l gia omp l sa, ma tra. mis ·i bile. a condi i. i n d Il gabbia tra t pi sani topi pr di spo. ti all ' l B c suffì i nte causar l vilupp d 11 ' 180 n i t pi ~ani ed è ·tuta corre lata c n i l trasferimento d Il e :pecie di nteroha teriaceae Kleb iella pneumoniae Proteus mirabili dai t pi l BO ai topi . an i . utta ia, c me p r la relazione tra il

Verifica Quali sono i principali phyla di Bacteria che predominano nell'intestino umano? Come può un incremento del numero di metanogeni nell 'intestino contribuire all'obesità? Elencate alcuni risultati pratici che si attendono dalla caratterizzazione del microbioma umano.

IV • Insetti come habitat microbici n oltr un mi li ne d i spec i n te, gli insetti rappres ntano la la. e di anima l i attualm nt piLI abbondante sul n str

pianeta.

1 nllen che alm no il 2 Ck- degli 1nsctti ospiti miimbi nti eh instauran< un rapporto mutualisti-

crorga ni~mi

740

UN l T A 4 •

E C OLOGl A Ml C ROB l CA E Ml C R OB l OLO Gl A AMB l EN T ALE

d Lti endosimbionti, n batteri organi p cializz ti d ll 'o. pite.

al izzati in

22.9 Simbionti ereditabili

Tipi di simbionti ereditabili

l

l (a)

(b)

Figura 22.36 Simbionti primari e secondari in un afid e. (a) L'afide del cedro Cinara cedri, un organismo modello per lo studio delle simbiosi. (b) Micrografia al microscopio elettronico a trasmissione del batterioma di C. cedri in cui si possono osservare due batteriocit i. All 'interno di ciascun batteriocita ci sono cellule di Buchnera aphidicola , il simbionte primario, o di Serratia symbiotica, il simbionte secondario, più piccolo. Le frecce indicano il nucleo di ciascun batteriocita. Le dimensioni del batteriocita che contiene le cellule di Buchnera sono circa 40 1-1-m.

amp i -

CAPITOLO 22 • SIMBIOSI MICROBICH

741

ridotti . im

tR sia dall 'ospite sia da

Importanza nutrizionale dei simbionti intracellulari obbligati degli insetti

Riduzione del genoma ed eventi di trasferimento genico

inl re sa nt il c ntra t ist tra il tip di ridul.i ne d l genom a dei imbi nti primari e quello dei batteri

ESPLORA f[ MONDO MICROBICO

(a)

l simbionti microbici delle formiche coltivatrici di funghi

(b)

Figura 1 Formiche Attini. (a) Regina e operaie in un giardtno di funghi. (b) S1mbiosi mutualistlca con Actinobacteria che ricoprono buona parte dell'esoscheletro delle operaie (aree bianche). Le formiche della tribù Attini forniscono un interessante esempio di associazione simbiotica complessa tra varie specie microbiche e gli insetti. Queste formiche hanno stabilito una simbiosi mutualistica obbligata con un fungo che loro stesse coltivano come cibo nei "giardini di funghi", usando piccoli frammenti di foglie per pacciamare i giardini. L'esistenza di una stretta relazione simbiotica tra la formica e il fungo fu suggerita per la prima volta dall'osservazione che ogni stirpe di formiche coltivava uno specifico fungo. Le formiche e i funghi con i quali stabiliscono la simbiosi possono venire suddivisi in cinque diversi sistemi, ciascuno che riguarda una specifica linea di formiche e di funghi. Le formiche raggruppate nel "sist ma agrario delle Attini inferiori" stabiliscono associazioni con specifici gruppi di funghi che prelevano dall'ambiente. All'opposto, quelle raggruppate nel "sistema agrario delle Attini superiori" coltivano funghi che apparentemente non sono più capaci di vivere al di fuori della relazione simbiotica.

Oltre alla stretta relazione mutualistica

l tra le formiche e i funghi che coltivano,

è noto che la simbiosi comprende altri quattro simbiontl microbici: un piccolo fungo parassita dei giardini di funghi, batt ri azoto-fiss tori (c!t:J Paragrafo 3.17) associati a questi giardini, un attlnobatterio antagonista del fungo parassita e un lievito nero che interf risce con le attività dell'attinobatterio. Il fungo viene trasmesso verticalmente tra le generazioni di formiche dalla regina fondatrice della colonia. La regina raccoglie una piccola quantità di funghi prima del suo volo nuziale, conservandola in una tasca della cavità orale. Do1:>o l'accoppiamento, la r gina stabilisce un nuovo nido e usa il fungo che ha portato con sé per impiantare un nuovo giardino (Figura 1 a). Specie azoto-fissatrici di Kblebsiella e Pantoea associate al fungo arricchiscono la qualità nutrizionale del giardino, rifornendo di azoto il substrato di foglie che è povero di questo elemento. Una singola colonia di formiche taglia-foglie può contribuire alla produzione di azoto fissato con

patog ni. Mentre i simbion ti primari tendono a perdere i geni che codificano per proteine coinvolt nell vie cataboliche, i batteri patogeni tendono invece a con. rvarli, perdend preferenlialmente quelli n cessari per le vie anaboliche. iò riflette il diverso tip di rela1ione di questi ball ri con i l r ospiti : i simbionti forni cono all'ospit comp . ti biosintetici ess nLiali, mentr i patogeni li sottragg no. Poiché oggi sono di. p nibili le sequenz d i g nomi di un elevato numero di in etti e d i l ro . imbionti, i microbio-

742

1 ,8 kg per anno. Questo apporto di azoto combinato avvantaggia la colonia di formiche e contribuisce ad aumentare la biodiversità delle piante che crescono nelle vicinanze della colonia. Il giardino però può essere distrutto da un minuscolo fungo ascomicete parassita del genere Escovopsis. Per mantenere sotto controllo il fungo parassita, le formiche hanno stabilito un'altra associazione simbiotica con un attinobatterio (genere Pseudonocardia) che ha l'aspetto di una "fioritura" cerosa che cresce sull'esoscheletro della formica (Figura 1 b). Questo batt rio, ospitato in specifiche modificazioni delia cuticola d Il formica, secerne metaboliti second ri che inibiscono la crescita di Escovopsis. Probabilmente, Pseudonocardia utilizza come nutrim nto secr zioni ghiandol ri secrete attraverso pori loc lizzati nelle regioni in cui la cuticol è stata modificat . La comparazione delle sequenze genomiche ha rivelato un buon liv Ilo di congruenz tra le filogenesi delle formiche, delle cultlvar fun ine, di Escovopsis e di Pseudonocardia, sottolineando l'elevata specificit dell interazioni di questa complessa simbiosi tra i microrganismi e le formiche-. Il quarto e ultimo microrganismo identificato in questa simbiosi è un lievito che cresce nelle stesse regioni della cuticola colonizzate dal batterio Pseudonocardia . Si tratta di un lievito pigmentato n ro che interferisce con i sistemi di protezione chimic del giardino sottraendo nutrienti a Pseudonocardia, e quindi riducendone la capacità di inibire la crescita di Escovopsis. La simbiosi formiche Attini-microbi è quindi un complesso labirinto di interazioni tra formica, funghi e batteri. Un altro esempio di un trio simbiotico - in questo caso tra pianta, animale e batterio - è stato descritto nella pagina di apertura del capitolo.

gi possono 111111are a aiutare la frequent.a del trasferim ngeni · tra i due partner. sistono dati che dimostran un st s tra ·ferim nto genico oriaontalc, ci il trasferim nt di informazi ne gen tica tra un simbiont e il su ospit attraers le barri re eh normalmente lo pre eng n (si vedan i apitoli IO 12). nch s leprim ric rchehannodimstrat che il D d i batteri Wolbachia è stato trasferii , i genomi nu l ari d gli insetti e dei nematodi 01-.pi ti, l'esam di altri mutuati. mi coin lg nti ins tti per i quali si son r •

CAP l T OL O 2 2 •

Sl M B l OS l M l CROB l CHE

743

Tabella 22.3 Caratteristiche del genoma di alcuni simbionti di animali 8 Ospite

Simbionte (genere)

Dimensioni del genoma (Mbp)

G

+ C (%)

Geni

erutti l Slmbionti elencati sono aSSOCiali obbligatoriamente con i loro ospiti, con l'eccezione det simbionte di Riftia, che ha anche una fase d1 VIta libera. bUbatterio zolfo-ossidante a VIta hbera Thiomictospra crunogena ha un genoma significativamente ptù ptCColo (2.4 megabasi) d1questo Slmbionte.

d l rp }, indi ca n ue lo suggeiduar , il tras ferimento

Verifica • Qu li fattori contribuiscono a stabilizzare la presenza di un simbionte secondario? • Quali sono le conseguenze della riduzione del genoma di un simbion te? • Com'è possibile determinare se un simbionte e il suo ospite hanno avuto un lungo periodo di coevoluzione? ------"

22.1 O Termiti n i principali re pon abi li dell a d grad ad Ila c llulo a ne li ambienti naturali ; l

Storia naturale e biochimica delle termiti

ball rici . n (inte tini )_

La dieta delle termi ti · mprende materiali veg tali lignoce ll ul sici (in tegri o a ari stadi di de omposit.ione}, sterco e materia organi ca del suoi (humus). irca du ter1i d gl i ambienti terrestri permeuono la ita di una o più specie di termiti, · n una maggi r rappr . entanza nel l regioni tropicali c ubtr pi ca li , do e le l rmiti p . no CO!>lituire fino al IO% di tutta la bi ma .. a anima le c fin al 5% della biomassa d gli in tti del su l . eli sa vane, i l l r numero pu . up rare i 4 p r m2 e la d n. i t d Il a l r biomassa ( 1- 1 g/m 2 ) pu c. s re maggi r di quella degli erbi ori pascolanti. term iti s no class ifi ca te me inferiori o superiori in ba e alla l or fì l g n si qu sta classifica; ione è corr lata n l div rsc strat gi imbioti h _ La parte posteriore del LJ-auo di geren te dell e l rmiti superiori (famigli a Termitidae, c mpr ndent cir a tre quarti del l . pecie di term iti ) ospi ta una ri ca e abbondant omunità microbica di balleri , per lo pi C1 anaer bi, comprendent ·p cie cel lulo olitiche_ l contrario, le termiti inferiori spi tan di er. c pop la;ion i !>i a di bau ri anaer bi sia di protisti ellulosolitici. l ball ri delle termiti inferiori n n parte ipano, lo fanno so lo in modo limital , all a dig st i n della llulosa; s ltanto i protisti fagoci tano e dcgrada n le particelle di legn ingeri te dalle termiti. La t rmite produce cellul asi n Ile ghi andole sal ivari o nell'epitelio dell ' intestin o medio, ma l' effelli vo contributo degli ent.imi d i batteri e d Ila termite alla degradat.ione della lignoce llul osa ancora ignoto. 'i nte. tino delle termiti compo. to da una parte anteri re (eh comprende l 'i nglu vi e il entrigli o), un trauo mediano tubolare (s ito dell a secret.ionc degli en1.imi dige. tivi e dell'asorb imen to di nutrienti . olubili) e una parte p steri re piu tl to grand , di circa l microlitr di v lum (Figura22.37). Ile termiti inferiori la parte p tcri r c stitu ita principalmente da una singola camera entrai ( igura 22-37a) _ ell'intestin della maggi r parte d Il termiti superi ri lo stes o trauo p1u mpl ss , S!l nd stituit da div rsi c mpartim nti ( igura 20._ 4b) ia n Il t rmiti in eri ri sia in qu Ile sup d ll ' int stin spita una comunità microbi di ersifìcata ed il sito principale dell ' as-

744

UNITÀ 4 • ECOLOGIA MICROBICA E MICROBIOLOGIA AMBIENTALE Anteriore Mediano [

Posteriore

Compartimenti Intestinali

:,:~.J J ~ Anossico

Acetato : . ./ ;,_ O,Smm

(c)

(b)

Figura 22.37 Anatomia e funzioni dell 'Intestino delle termiti. Architettura dell'intestino delle termiti inferiori (a) e superiori (b) ; si possono osservare la parte anteriore, quella mediana e quella posteriore dell'intestino, e la diversa complessità dei vari

compartimenti. (c) Foto di un'operaia, architettura dell'intestino e attivit biochimiche della termite inferiore Coptotermes formosanus . L'insetto assimila l'acetato e gli altri prodotti della fermentazione microbica. L'idrogeno prodotto dalla fermentazione viene

consum to soprattutto da acetogeni che riducono il C0 2 , solo una quota minorit ria vien consumata da met no ni idrogenotrofi. Metanog nasi e acetogenesl sono trattat rispettivamente nei Paragr fi 13.20

e 13.19,.

Ruminococcaceae Clostrldia/es mlnoritarl e non classifìcati

Lachnosplraceae

Firmlcutes minoritari e non classificati

Lactobacillales minoritarl e non classificati Streptococcaceae

Proteobacteria Actinobacteria Altri Archaea Euryarchaeota

Verrucomicrobia

Organismi non cl ssificati e altri gruppi batterici minoritari

Figura 22.38 Composizione della comunità microbica dell 'intestino posteriore delle termiti dedotta dalle sequenze dei geni codificanti per l'rANA 16S. Lo schema raggruppa i risultati delle analisi di 5075 sequenze, ottenute mediante amplificazione o studi metagenomici da tre generi di termiti superiori che si nutrono di legno, Nasutitermes, Reticuliterrnes e Microcerotermes . l dati fornisco principalmente informazioni sulla diversità, ma non sull'abbondanza relativa dei diversi microrganismi. Dati elaborati e analizzati da Nicolas Pinel.

Diversità batterica e digestione della lignocellulosa nelle termiti superiori di

CAPl T OL O 2 2 • S l M Bl OSl M l CROBl CHE

745

Acetogenesi e fissazione dell'azoto nell'intestino delle termiti

Ve rifica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . . • Come vengono mantenute le condizione anossiche nella parte posteriore dell'intestino delle termiti? Perch é in molte termiti l'acetogenesi riduttiva predomina su lla metanogenesi? • Qual è il gruppo morfologico relativamente poco comune di batteri, mai individuato dalle analisi molecolari condotte sui procarioti del rumine, che sembra dominare le attività microbiche che si svolgono nell'intestino delle termiti?

V • Invertebrati acquatici come habitat microbici

lnterazione Euprymna-Aiiivibrio come modello di simbiosi

22.11 Seppia bobtail hawaiana La ppia bobtail hawaiana, uprymna olop , un picc inv rtebrato marin (Figura 22.39a) eh pita, in un rgan lumino p to n Il a part entrai , un ' abbondant p pola-

746

UNl TA 4 •

ECOL OGl A Ml CROBl CA E M l C ROBl OL OGl A A MB l EN TAL E

J

11

,....-r~~~~--L-~Rl

e~m~f uga an h co n intervalli di 6 mesi tra le su1i ni di sangu . La com unit mi robica inu sualmente se mplice d ll ' inglu vi suggerisce che esistano m cca ni smi eh rev ngono la colonill0 p

22.6 • In tuili i

r rifornir• di nuo'c rl·lluk 1.1 '" "

22.12 • a maoni r parte d•gli imcrtchr.llllh,· "''' '"' londal1 marini in pr imi t, li 10n..: in 'lll arr 1\ .111o d,., ll111d1 rdrott'lrll.ilr h,1 'otabilit ·imbio\i nlutuali;,trchl' ohhlrP.IIlrllll n l', 1 ri\ · la f'o rn1 nti on · d •JI

DOMANDE DI RIPASSO l.

2. 3.

4.

5.

6.

7.

8.

Descrivete le similarità e le differenze fra le simbiosi del lichene e del corallo. (Paragrafi 22.1 e 22.14) ome può trarre beneficio ciascun partner della simbiosi di "Ch/omchrmttatiwn"'! (Paragrafo 22.2) Descrivete le fasi dello sviluppo dci noduli radicali nelle leguminosc. Come si riconoscono la pianta c il batterio c in che modo i fattori nod contribuiscono al riconoscimento? onfrontate questo sistema di riconoscimento con quello dell'interazione tra piante e Agrobacteriwn. (Paragrafi 22.3 e 2.4) onfrontate la produ.tione del tumore indotta da Agrobacteriwn tumefaciens con quella dei noduli radicali indotta dalle diverse specie di Rhi:obiwn. In cosa sono simili e in cosa differiscono queste strutture? he importan1a hanno i plasmidi nello sviluppo di entrambe le strutture? (Paragrafi 22.3 e 22.4) e micorrile come favoriscono la crescita degli alberi? In che cosa sono simili i noduli radicali e le simbiosi micorri1ali? (Paragrafo 22.2) os'è il rumine e qual è la sua funzione nel tratto digestivo dei ruminanti? Quali sono i principali vantaggi e gli eventuali svantaggi di questo sistema digerente? onfrontate un animale cecale con un ruminante . (Paragrafi 22.6 e 22.7) Fate un esempio di una singola specie microbica che contribuisce alla salute di un erbivoro e di una singola specie che ne danneggia la salute. (Paragrafo 22.7) Ill ustrate un possibile meccanismo tramite il quale la comuni-

9.

l O.

li .

12.

13. 14.

15.

16.

tà microbica dell'intestino umano permette di recuperare una maggiore quantità di energia, contribuendo all'obesità. (Paragrafo 22.8) Perché per lungo tempo si è pensato che Escherichia coli fosse un membro dominante della comunità microbica dell'intestino umano? (Paragrafo 22.8) om'è possibile che un afide possa nutrirsi solo della linfa del Ooema delle piante, ricca di carboidrati, ma povera di altri nutrienti ?(Paragrafo 22.9) Perché i simbionti che vengono trasmessi p r via oriztonta le mostrano, al contrario di quanto avviene nei simbionti ereditabili, una ridu;ione del genoma meno rilevant '?(Paragrafo 22.9) ome differiscono le comunità microbiche dell'intestino delle termiti inferiori e superiori relativamente alla loro struttura alla degradatione della cellulosa (Paragrafo 22.1 0)'? ome viene sele7ionato il orrett simbiont batterico nell a simbiosi . eppia-A/iMbrio'? (Paragrafo 22.11) ome si nutrono gli ane llidi privi di bocca, intestino e ano? (Paragrafo 22.12) onfrontate tra loro le comunità microbiche pre enti nell'ingluvic, nell'intestino e nelle vesciche della sanguisuga medicinale. (Paragrafo 22.13) In che modo la struttura corporea dei cora lli innuenza la loro capacità si stabilire associazioni simbiotiche con ymbiodinium? (Paragrafo 22. 14)

PROBLEMI l.

vete scoperto un nuovo animale che si nu tre esclusivamJnte di erba. ospettate che si tratti di un ruminante e ne avete un esemplare a disposizione per studiarne l'una! mia. escrivete i comparti fondamentali dell'apparato digerente che vi aspeuereste di trovare e la loro positione nel canale alimentare. Descri-

vele anche i microrganismi e le sostante principali che potreste cercare se si trattasse veramente di un ruminan te. Di quali varianti metaboliche di microrganismi o di specifici geni potreste prevedere la presen.ta'!

Appendice 1

Calcoli deli' energia in bioenergetica microbica

e informat.i ni contenute in que ta appendi ce int ndono f rnire al lett re un ausilio per il calcolo delle vari azioni d'energia libera che a engono durant le reaLioni chimiche nei p a er introd tto alcune d fìni zioni , i n . nza di c ndi Li ni qu ali lo lato di . idaLi n , l'equilibri o atomi co c quell di carica elettrica sian ess n7i ali p r la ris lu1ione di problemi legati all a determinaLi n dell 'en rgia libera.

l • Definizioni l.

2.

= ari a1i n di en rgia lib ra in c nd izioni Mandard ( l atm fcra di pre .· i n e p r n entrat.i oni l M ); - vari aLi n di nergia li ra nell e c ndi Lioni spec ifì ate; ::,.c;o• = vari at.i n di energia libera in condi1i oni tandard a pH 7. 'apice " primo" (') in questa appendice indi a pH 7 (appr . simati vamente le ndizi ni ce llulari ). Il cal l di /:::,. di una reaz i ne chimi ca a partire dall e en rgic libere di f rmaLione ( dei prodotti e dei reagenti :

5.

25

Jl

cfJ = ~::,.

J(pr d

tli )- ~/:::,.

6.

J(reagenti)

~ co· =

co tituito dall a clifferen.w tra la omma dci t:J.Cf d i prod tti e la omma d i ~GJ dei reag nti . i

3.

4.

ell e reat.i oni che lib rano energia (e ergoni che) coin vo lgend H+, la relaL ione

n ente la con er. ione da condit.ioni standard (pH 0 ) a ondiLi ni biochimiche (pH 7); m i l numero di protoni comples iva mente c involti nell a reazi ne (m è negati vo quando ve ngono con umati più protoni di quanti se ne formin ) e :::.c; (H+) è l'energia libera di form at.i one di un pr lone a pH 7, pari a -39,83 kJ a 25 o . f~ lli dell a concentrat.ion e . ul !::J.C: generalmente in pre enza di ub trati olubili il rapp rto tra concentraLione di pr d tto e concentrazione di ubstrat esogeno ugual e o uperiore a IO 2 all ' inizio dell a cre.c ita, mentre ri ulta uguale inferior a tale alor a resc ita ultim ata . Dall a rela zione tra !::J.G e costant d'equilibri o (s i veda il punto 8) si evi n c che, nell a pratica, la re. a in energia l ibera d i ffe r i~ce da quella in ondi t.io ni stan-

dard per non più di Il ,7 kJ, cio un a quantità piuttosto piccol a, e quindi in prim a appross im a1ione nell a maggior parte dei cas i possi bile uti li11are i va lori ottenu ti in condi zi ni ·tandard . Tuttav ia, nel caso il prodotto . ia H 2 , la pre enza di batteri che uti l iu ano 112 potrebbe mantenere la concentratione di H 2 a li velli così bassi che la resa in energia libera ne sarebbe influen1ata in mani era signifi cati va. Pertanto, nel caso dell a ferm entati one dell' ctan lo ad acetato c H, da parte di batteri sintrofì ci ( 211 5 H + H2 2H3 2 + 2H 2 + Il +) il !J. (}l' a l al m H 2 +9,68 kJ , ma a l O 4 atm H2 il alore c 36,03 kJ . Dunque, in prcsenLa di batteri che ut i l i/Lano H 2 la fermentaLione dell' etanolo diventa un procc. so c. oergonico (s i eda anche il punto 9). PotcnLiali redo : in questo caso, per conventi one, le cquationi vengono scritte come riduzioni, cioè oss idante + ne riducente (dove 11 il numero di elettroni tras feriti ). Il potenLiale standard (E0 ) dell 'elettrod o a idrogeno, 2H+ + 2e H,, è per dcfìni t.ione pari a 0,0 a l atm H2 e l ,O M H + a ° . E1) indi ca i l potenLiale standard a pf-1 7 (si veda anche la T abell a 1.2). Relat.ione tra energia l ibera e poten;i alc rcdo :

7.

o

:::.c0 ' = -

RTlnK'cq

dove 11 è il numero di elettroni trasferiti , F è la costante di araday (96,48 kJ / ) e t:J. E1) e la diffcrent.a tra il valore E0dell a coppi a che fun ge da acce11ore di el ettroni c quello dell a coppia donatrice. R e T sono cos tant i (s i veda il punto 8) c per Kcq si veda i l punto 7. ostantc d'equilibrio, Kcq· Per la generica reat ionc a + b B ~c +dD va le K cq

8.

- nFt:J. E0

I'[ Dict = l'---'-'---'-:

l I"IBl"

dove , B, e D rappresentano reagenti e prodotti ; a. b, c e d i l numero di molecole di ciasc uno; le parentesi quad re i ndi cano le concentrati oni. L a rclat ione è val ida solo quando il sistema chimi co all 'equilibri o. K~ co rrispon4 de a Kcq a pH 7. Rela1ione tra costante d'equilibrio. Kcq' e variat.ione d'energia libera. temperatura, press ione e pH cos tanti va le

= ~ CO' + RT lnK'cq dove R è la cos tan te uni versale dci gas (8,29 J/mol/K ) e T è la temperatu ra asso luta (in K ).

755

756

APPENDICE 1

9. . tanz

a rca;:i n procederebbe quindi in dire1ione oppo. ta a qu ell a , tt sa in b a~e ai potenLiali sta nd ard . n e~e mpi o prati co c !>tituito dall ' utilin.o di 1-1 + c m acceuore di el ttroni nell a

poss ibil e, torn a util e profil o o. sid ridutti vo.

Ili • Determinazione della variazione d'energia libera nelle reazioni chimiche

Il • Stato o numero di ossidazione l. 2.

o tato di s id a ~:i o n di un l m nt in una . . tanza elementar (ad s mpio 1-1 2 , 2 ) 1. r . o s tato di ss id aL i n di un o i ne di un elem nt uguale all a sua ca ri ca (p r c mpi , a+ = + l , 3+ = + 3, 2 = - 2).

Determinazione a partire dai valori delle energie libere di formazione

l.

3.

4.

5. 6.

2.

7.

ci co mposti co n più di un atomo di non sempre è un o . pec ifì o numero di os!> idazione a ogni atomo di , ma ri sulta comunqu util co nsid rare il numero di ossid aLione del omp to n l suo compie.. . algono le st s. e reg le già c p t . uindi , nel glu cos io, 6 1-1 120 6, lo stato di os. i lazione d l arb nio zcro(I2 H a + l = + 12;6 a - 2 = - 12); n l l 'etan lo, ( Ha+ l = 2 H6 , è - 2 p r ognun o dei due a l mi di + 6; un a - 2). p os~ ibil c as~eg n a re

APPENDICE 1

Tabella A1.1 Energie libere di formazione,

Gf,

per alcune sostanze (kJ/mol)a

Composti del carbonio

Composti del carbonio

757

Metalli

Non-metalli

Composti azotati

Glicina, - 370,8 Glicolato. - 530,95 Gliossilato, - 468,6 Gluconato, - 1128,3

"Valon d1 energ1a l1bera d1 tormaz100e d1 van composti sono contenut11n Dean. J.A., 1973, Lange's Handbook ofChemistry, 118 ed1zione. McGraw-Hill, New York; Garrets R. M. e C.L. Christ, 1965, So/uii(){JS, M111era/s and Eqwl1bna, Harper and Row. New York; Burton K.. 1957. 1n Krebs H.A. e H.L. Kornberg, Energy transforrna tlon in hv1ng matter. Ergebn1sse der Pflys10/ogìe (appendice), Spnger-Ver1ag. Ber11n: Thauer RK. K. Jungerrnann e H. Decker, 1977. Energy conservation in anaerobii faccia riferimento al sito hup://1 ww.bactcrio.ncl. na panoramica della diversità procariotica è presentata nei apitoli da 14a 16 di questo testo. rdini sele1ionati di baueri '>Ono descriui nei apitoli 14 e 15,tra cui alcu ni n n anc rucompresi nel Bergey·., Mamwl . 21 phyla Tlwumarclweoro. wwarchaeora c Korarchaeow (si vedano il apitolo 16 c la Figura 16.1 di questo le'>IO) '>ono stati di recente definiti taxa di ordine superiore degli Arclwea c nella pr',sima cdi1ionc del Bergey's Mw111al dovrebbero C\scrc in\criti insieme a rcnarchaeota ed Euryarchaeota.

761

762

APPENDICE 2

Ph

l,

l. Mycop/asmawles l i. Emomop/asmara/es li L Acholeplasmarales l . Anaeroplasmaw/es P h lum ' IX. Fibrobactere Cl a I. Fibroba ctere Ordine l. Fibmbacrera/es Phylum . Acidobacleria la . l . cidobacteria Ordine l. Acidobacreria/es Ordine Ordine Ordine Ordine

II. Holopltagae

Ordine l. Ho/ophagales rdine 11 . Acamhop/euribacrera/es

Ph lum X J. Bacreroidetes la L Bacteroidia Ordine l. Bacreroida/es l, Ordine l. F/cn•obacreriales lasse III. phingobacteria Ordine l. Sphingobacteriale.1· la se l . Cytop flagia Ordine l. Cywphagales

Ph lum II. err11 omicrobia las c I. erm comi robiae Ordine l. Verrucomicmbiales

l,

c II. Opitarae

rdine l. Opitll/ales Ordine Il. Pcmiceicoccales la c III. partoba t ria Ordine l. Chrhoniobactera/e:.

bbond a nza di p cie fratione rappresentata da ciascuna specie all'interno di una comunità. ccetlor di elettroni so. tanta che pu acccuare elettr ni da un donatore di clcuroni, subendo in tal modo una ridut.ione. cctog ne i metabolismo energetico nel quale l'acetato e prodouo sia da H2 più 0 2 . ia da composti organici . cctogc no rganismo anaerobio obbligato che produce acetato graLie al ciclo riduuivo del l'acetii- o . idi g•· i olatili ( F ) principali acidi grassi (acetato, propionato, butirrato) prodotti durante la fermcntatione del rumine. Acidi t i oici polialcoli fo fori lati che si trovano nella parete cellu lare di alcuni Bacteria gram-positivi. ido dipi colini co o. tanza che . i ritrova unicamente nell 'endospora e che le conferisce rcsistenta al cal re. cicl o nu cl i o D o R A. cicl o- re i lenza proprietà delle pecic di Mycobacterium nella quale le ce llule colorate con il colorante basico fucsina resistono alla dccoloratione con alcol acido. cidofil o organismo che ere cc meglio a pii bassi; di olito inferiori a 5,5. Acqu a fllu nte acqua di scarico trauata c ri lasciata da un impianto di depuraLionc. equa fin ale acqua che, dopo il trauamento, raggiunge il sistema di distribu1ione. cqu grezze acque di superficie o di falda che non sono state trauatc in aielli modo (chiamate anche acque 11011 tra/late). cq ue non •Ila te 1•edi a q ue gr Z'Le). equ e r nu acque di \Colo di origine domestica o industriale che non possono essere smaltite in laghi in corsi d'acqua senta essere trattate. da tta bilità capacità di un organismo di . pravviverc c di riprodur i in rclat.ione a quella deg li organismi competi t ri. d no ina tri fo fa to ( T P) nucleotidc che è la prin ipale forma di conscrva1ionc de ll'energia chimica per gli usi cellu lari. crobi o organbmo capace di u are l'ossigeno ( 2) per la rcspiratione; per alcuni di que ti organismi l'ossigeno è indispensabile. ge nte a ntimicro bico composto chimico che uccide i microrganismi o ne inibisce la crescita. gente ba tt ri ida agente che uccide i batteri. ge nte battcl'io ta ti co agente che inibì~ e la crescita dci baueri . g nt fun gicid a agente che uc idei funghi. g nt fun go tati co o mi co ta lico agente che inibisce la crescita dei funghi. ge nte viricida agente che blocca la repli atione del virus c la sua aLi o ne. gcnt iro ta ti co agente che inibisce la replicazi ne viralc. Ibero fil oge n ti co diagramma che il lustra la st ria evolutiva di un organismo; fonnato da nodi c rami . lb ro fil ogc ncti o uni ve r a ie albero hc mostra la p sitionc d i rappresen tant i di tuui i domini cellu lari. lghe eucarioti fototrolì. sia microrganismi . ia macrorganismi.

limento d pcribile alimento fresco, di solito con un 'alta attività del l'acqua, che ha una conservabilità limitata, dovuta alla propensione al deterioramento da parte di microrganismi . li mento non dcp ri bil ( ta bil ) alimento con bassa attività dell 'acqua che ha lunghi tempi di conscrvationc cd è resistente al deterioramento da parte di microrganisrni . lim nto mid pcr ibil alimento con un'attività dell 'acqua intermedia che ha una limitata conscrvabilità dovuta alla propensione al deteri ramento da parte di microrganismi . Il l variante di . cqucnta di un dato gene. llin a ment o di q ucnza insel7ione di vuoti in un gruppo di sequenze molecolari organinate in modo che le posi1i ni omologhe siano incolonnate verticalmente. L'allineamento è neccs. ario prima di effettuare l'analisi filogenetica perché le mutationi per dele7ione c inscrtione causano varia1ioni nella lunghc11a delle sequente molec lari. lofì lo un microrganismo che necessita di a l per la crescita. Ioni o e tremo microrganismo che per la crescita ri hiedc grandi quantità di sale ( a 1), di solito più del l 0'*- e in alcuni eu si conccntra7ioni saturanti. loroclo ps ina pompa del cloro attivata dalla luce che accumula nel ci toplasma. lotoll c•·a nte microrganismo che non necessità di a l per la crescita ma che può crescere in presenta di a l. in alcuni casi anche eli livelli elevatidi a l. min oaciclo uno dei 22 differen ti monomeri che costituiscono una proteina; da un punto di vista chimico contiene un acido carbossili co, un gruppo aminico c una caratteristica catena laterale legata a un carbonio a . in tett i cntima he cataliva il legame tra un amicorri. pondcnte. min ogli o id e antibiotico, quale la meptomicina. che contiene ami· n 1uccheri a sociali mediante legami glicosidici. l P ciel ico nucleotidc regolatorio che partecipa alla repressione da catabolita. na robio organismo che non può usare O, nella respira1ione e la cui crescita è di sol ito inibita da 2. na robi o aerotollcrantc microrganismo incapace di respirare O,, ma la cui crescita n n è innuentata dall'ossigeno. nac robio ob bliga to organismo che non può crescere in presenta di 2'

nalogo di fattore di cr cita agente chimico che è strettamente cor· re lato a un fattore di crescita c ne blocca l'assorbimento. na mm o · ossidatione anossica dell'ammoniaca. no ia privo di ossigeno. n ti bioti ci beta (13)-latt. mi i gruppo di antibiotici. tra cu i la penicil· lina, che contiene l'an Ilo 13-lattamico eterociclico a quattro termini . ntib ioti o sostanta chimica prod tta da un microrganismo che ucci· dc un altro microrganismo o ne inibisce la crescita. ntibi oti o ad ampio p tiro farmaco antibiotico utile neltrattamen· to di una varietà di malattie batteriche causate da baucri gram-ncga· tivi c gram-positivi .

764

GLOSSARIO

nti bioti co ~- l n tl a mi co membr di un grupp di antibiotici che incl ude la peni illina e hc c nti cne l'aneli ~ - l aua mi tcr i lic

Batteri porpora non ulfur i gruppo di batteri fot tr ti he c nten1 r fill a a o b c che ere c n al meglio come ~ t te-

che si appaia ntipa ra llclo a doppi fil am nto, la caratteri ti ca dei due fil ament i che . ono ri cntati in mani era pposta (uno in dire/i one 5' 3' e il fila mento complementare in dire; ionc 3' 5'). nti etti co (ge rmi cid a) agente chim ico che ucc ide o inib ì ce la ere. cita di microrga nismi ed ~ uffi cie ntc m e nte p o tossico da poter essere applicato a tess uti vivent i. n mcio d' acridin a colorante Ouoresccntc non specifico usato pe r colorare il D dei mi rorga nismi in campi oni natural i. rchaea procarioti filogeneti camente c rrelati tra loro. ma distin ti dai Bacteria. pa,·ta me dolcifica nte senza va lore nutri.lionale co mposto dag li aminoacidi aspartato c fcnilanalina, quest' ultimo come estere mctil ico. ociazione popo laz i ne di micr rganismi metabolicamcnte correlati che ut ili uano le stesse ri sorse c n modalità imi li . TPa i (AT P intel, i) co mplcss enzi matico mult ipr tci o inserito nella membrana citoplasmatica che catalizza la inte i di TP a coppiata alla dissi pat.ione dell a forn proton-m tri ce. tt nu azionc me ca ni sm per il c ntr Il d ll 'espre sione gen ica che causa la term inat. ionc della trasc ri/ ione d po il u ini zio, ma prima mes. agg ro ~ i a stato mpletato. che I' R tti va tor protei na regolatri ce che si lega a specifici sit i sul D e che stimola la tra. ri/ ionc; coin volta nella regolat.ionc positiva. llinomi ceti termine che si riferi sce a batteri fil amentosi del phylum Actinobacteria. Ui ità dell 'a q ua rappo rto tra la pressione di va po re de ll 'ari a sopra un a oluzione rispetto alla pres ione di vapore opra l'ac 1ua pura. ut oclave apparecchi o ri scaldante . igillato che dis trugge i micr rganismi con la temperatura e il vapore acqueo ott pressione. utoindullo1·e piccola molecola seg nale che partecipa al qu orum sensing. utoinduzi ne mc ca nism di rego la/i one geni ca he c in volgc piccole molec le segnale diffu ibili prodotte in quantità maggiori all 'aumentare della dimen ione della popolu ionc di cellule. Autotrofo organismo ca pace di ere. cere co n di ido di rbo ni o ( la fo nte di carboni . 2 ) come Auxot,·ofo orga ni smo che ha sviluppato delle esigen7c nutri t.ionali, spesso in seguito a mutat. ione. Bac/eria proca rioti fil ogenetica mente correlati tra loro, ma di timi dagli Archaea. Ba ofil o (o alca lofil o) orga ni smo che cresce a un optimum di pH uguale o superi re . Bat h (coltura in balch ) . i. tema chiuso di ere cita mi crobica. di volume defin ito. Batteri aceti ci orga nismi aerob i obbligati che prod ucono acetat dag li alcoli ; ut iliuati per produrre l'aceto. B:1 tt eri acido p1·o pioni ci batteri fermentanti gram-positivi che fomlano pr pionat c me prodo11o fin ale di fcrm entat:i ne e so no importanti nell'i ndustri a C:l cari a. Ba tteri co rin cformi organismi a ~ rm a di baston ello, gram-po iti vi, aerobi. non mobili co n la caratteri sti ca di fonnarc raggruppamenti di cellule irrego lari a fo rm a di ba tone a , tipici di alc un i ge neri di Actinobacteria uni ccllulari. Ba tteri nteri ci vasto gruppo di Bacteria ba. t nccllari gram-negativi caratteri/lati da metabo lismo aerobio faco ltati vo e co mun i nell ' inteMino deg li anim ali . Ba lt ri gra m-po ili i a ba o G termine riferito a batteri de l phylum Firmicutes. Ba tteri gra m-po iti vi ad alto G termine riferito a batteri de l phylum Actinobacteria. Bali ri nil rifica nli chemiolitotrofi capac i di portare avanti la trasformat.ione H3 02 .o 3 .

Batt.cri porpora ulfu,·ci grup po di batteri fototrofi che ontengon batteri oclorofi Ile a b c che posso no o~s id arc H2 a dare 0 . Balt ri olfa t.o r idultori zolfo ridult ri due gruppi di Bacteria che rc~ p i ra no anaer bicamcnte con ]- o 0 come accettori di clel! r ni e producono H2 co me prodotto fin ale. B:llt ri ve rdi non solfurei fo totrofi anos;igcnici che co ntengo no i c l rosomi , un fotosistema di tipo Il e le batteri oclorofi lle c. d o e come clorofi lla pe r la cattura della luce. c che in genere crescono bene co me fo toeterotrofi. Ba tteri ve rdi olfurei fototrofi anossigcnici che ontcngo no i clor . o mi, un f tosi tema di tipo l e le battcri oc lorofì Ile c, d o e come clorofi lla per la cattura dell a luce, e che in genere crescono co n H2 co me donatore di elettroni . B:1tteri o i na tossi na proteica secreta da batteri, letale per batteri affini al produttore. Batteri ocita eli ul a speciali zzata di in. etto in cui ri. icdono . imbi nti batterici. Batteri ocl01·ofill 3 pigmento simile ali, clorofi lla proprio dci fototrofi anossigcni i. Batteri ofago viru. che infetta le cellule procarioti che. B:1tteri oma reg i ne specialiaata presente in di ve rsi gruppi di in etti che contiene batteri o iti pieni di . imbi nt i batterici. Ba tteri orodop ina proteina co ntenente il retinale e prese nte nelle membrane di certi Arclwea alofil i c tremi c che coinvolta n Il a sintesi di P mediata dalla luce. Batteroide cellule di ri zobi di morfologia irregolare prese nti nei noduli radi cal i delle legumi nosc. capa i di fis. are 2. Bioca rbu ra nte carburante prod tt da mi crorga nismi durante il proces o di fermentu ione di materi e prime ricc he di carboni . Bio orro ione (o co rro ione influ n7A'I la da i mi crobi) proce. . di co rrosione di struttu re in metallo e in calce truao accelerato dall ' atti vit metaboli a mi crobica. Biofilm matrice poli accaridi ca adesa a un a supe rficie c ontcncnt ce llule balleriche. 13iogeochimi a ~ tudi o delle tra f mla/i oni chim ic he catali z?a te da rga ni mi nell 'ambiente. Biogeog rafi a studi o dell a distribut.ione geo rarì ca degli organi. mi . Bioinform a ti ca uso di strumenti c mputazi nali per a qui ire. anali zt:a re, conse rva re c accedere alle sequ ent:e di D e pr tei ne. Bioluminc cc nza produzione enzimatica di luce vi ibile da parte degli orga ni mi vive nt i. Biori ana m nt o (Bioremedialion ) rimot.ionc di id rocarburi , co mpo ti tossici e altri inquinami a ope ra di microrga ni mi . Biotec nologia util iu o di rga ni smi o parti fun t.ionali di c i, anche ge neti camente modifi cati . per applica7ioni e servi/i in ambito induLriale, medi co o agronomi Birrificazione produ7 ionc di beva nde alcoliche co me la birra dalla fe rmentaz i ne di chic hi di rzo ge nnin ati (malti z7ato) . Brevi R interferenti ( iR ) mole ole di R brevi a d ppio filamento che inne ca no l' interferenza da R Bocc he id ro term a li orgenti sottomarine. dalle qu ali sgorga n Ouidi caldi o caldissi mi , a sociale ai centri oceanici di espansione della cr ; ta terrestre dei f ndali marini . Botuli mo intossicationc alimentare dovut a all'ingesti onc di cibo contenente tos. ina botul ini ca prodolla da lostridium botulimtm . a p ide in vo lucr proteico che irco nda il genoma di un a parti ella vira lc. a p omero subunità del capside. a p ul a strato poli. acca ridi o o pr tcico più esterno alla e li ul a, di w lito piuttosto mu co. o, prc ente in alcun i batteri .

GL OSSA Rl O ar i o i oma inclu ione cellulare poliedrica di cri talli di ribulo io bi fosfato carbo sila i (Rubis 0), l'enzima chiave del ciclo di alvin. a•·ot noicl pigm nto accessori idrofobico pre ente in iemc alla cl r fìlla nelle membrane fot intetichc. a ette di D egmento di D realizzato artifi cia lmente eh presenta, di lit , un gene per la re i tcnza a un antibiotico, o altri marcatori c nvenzionali, e che è fiancheggiata da iti di re trizi ne opportuni. ata li7..zatore sostanza che ac elera una reazi ne bi chimica, ma che non viene on umata nella reazione. cii ula unità fondamentale della materia vivente. eli ula HT•· ce llula contenent il pia mide ·in tegrato nel cromo. orna. ellula o pile cellu la all'intern della quale si replica un viru . Ceno ilico presenza di nuclei multipli nelle ife fungine senza seni . entr·o di reazi n comp ie. so foto. intetico con tenente clorofilla bali rioc lorofil la e diver i altri componen ti , all 'interno del quale avvengono le reazioni iniziali di trasferimento degli elettroni del nus. o fotosintetico di elettr ni. cepp che pre enta una frequenza di mutazione più eppo mutator elevata della norn1a. Ceppo el vatico (wild-type ) ceppo batterie i. o lato in natura o u ato come ceppo parentale durante ana li. i gene tiche. hap ronin e chap •·o n mol olari proteina che aiu ta un'altra pro· teina a ripiegar i o a rinaturare dopo una denaturazione parziale. h miolitotrofia forma di metabolismo in cui l'energia è genera ta da campo. ti inorganici . hcmiolitotro!'o organi mo in grado di ossidare i comp . ti inorganici (come H 2 , e2+ , H4+ ) come f nti di energia (donat ri di elettroni) nel metaboli mo energ tico. hemiorga notrofo organi m che otti ene nergia dall' ssidazione di composti organici . hemiota i m vimenti direzionati di un rgani mo di avvicinamen to (chemiota. i po iti va) o di allon tanamen to (chemiotas i negativa) ver o un gradiente ch imi o. hemo lato apparecchiatura che permelle la c lti vazione in con tinuo dei micr rganismi , con un contr Ilo indipendente d Ila ve locit, di ere cita e del numero di cellule. hiarificatore bacino in cui i s lidi o p i nell ' acqua non tratta ta veng no coagu l ti e rimo i attraver o la pr cipi tazione.

hip geni o geni, n anche microarray) . hitina po limer di -ac tilglucosamina pre ente c munemente nelle pareti ce llul ari dei funghi . ianobattel"i procarioti ~ t tr fì ossigenici eh ntengono clorofilla a e fìcobiline , ma n n clorofi lla b. iclo del gli ilato erie di reazi ni che includono alcune reazioni del ciel dell'acido ci tri co che n utilizzate per la ere ci ta aer bica su acidi organici 2 o iclo dell ' acid citri o . erie ciclica di reazioni che porta n Ila con· ver ione dell ' ac tato a due molecole di 0 2 . i lo di alvin serie di reazioni bio intetiche p r mezzo delle quali gran parte degli organi mi fotosintetici converte il 2 a comp ti rganiei. iclo in er o dcii acido citri o meccani mo per l' ut tr fìa nei Bacreria verdi sul furei e in p chi altri au t tro 1, e anche in alcuni rchaea. il iato protista caratterizzato in parte da m tilit à rapida guidata da numerose appendici orte ch iamate ciii a. i ti forma i nfetti va d i un pro tozo , circondata da una spe a parete re. i ten te a stress chimici e fisici .

765

i trone gene defìnit attraver o il te t cis-tran , costituito da un . egmento di D (o di R ) che codifica p r una singola catena p lipeptidica. it m tr io a flu o t cnica per co ntar ed e am inare particelle microscopiche o pendend le in un nuido che viene fallo tran itare attraverso un riv latore elettr nico. itopl . ma ambiente aequo. o interno alla cellu la, circondato dalla membrana ci t plasmatica. ito eh letro impalcatura ce llulare t•p•ca delle cellu le eucari tiche nelle quali i micr tubuli , i microfìlamenti e i filamenti intermedi definiscono la forma ce llulare. Jadi ti i metodi filogeneti i he raggruppano gli organi smi sul la ba e delle loro relazioni evoluti v e non per le -l r omiglianze fen tipiche. lona •Iice i tema di trasporto co tituit lo da un a proteina tran membrana e di alito alimentat da nergia proveniente dalla fo 1·t.a proton-motrice.

n i h a tti ·h erie di pr edure usate per prevenire la contaminazione di oggetti sterili o col ture microbiche durante la loro manipolazione. T nolo ·a high-throllghp ut u o di i temi roboti zzati per condurre e va lutare cen tinaia di migliaia di reazioni in tempi m Il brevi .

t ma di tra !>Or to

te malica studi o della diver ilà degli organ ismi e delle loro relazi ni recipr che; include lata anomia e la filogenesi .

framm nt di D del pl asmide i di Agrobacteriumtumefa ciens che viene trasferito n l g nomadi cellule vegetali.

T-D

olfatara ambiente ca ldo, ricco di zol fo, in genere acid , comunemen te abitato da rchaea iperterm fi li.

T lomer a i compie o enzimati co che replica il D un cromosoma eucariotico.

olfato- ridu ttor di imi lati o microrgani. m anaerobio che con erva energia grazie alla riduzione di

Tc mp ratur ca rdin ali temp rature di crescita minima, animale e ma. si ma per un dato organi 111 •

alidi o p i piccole particelle di inquinanti s lid i che resistono alla eparazione median1e gli ordinari metodi fisici .

Temp di generazione tempo necessario a una p p !azione microbica p r raddoppiare i l numero di cellule.

aiu to co mpatibil so tanza organica o inorganica accumulata nel ci toplasma di un organismo alofi lo che mantiene la pre ione o m tica.

Tera pi a eni ca trattamento di una malauia cau ata da un gene di funziona le introducendo una copia funzionale del gene.

onda di a idi nucle i i oligonucleotide, in genere eli l 0-20 basi , comp lementare alla sequenza delle ba i di un gene ber aglio o di un

interruzione dell'allungamento di una molecola di T nninazion R in rri pondenza di uno peci fico ito.

ol-.

R oligonuc leotide re o fluorescente con la fu ione di pre enla una equenza complementare ad alcune outh rn bl ot pro edura di ibridazion nella quale il D gli o di una . nda diR o di D

è il b.er a-

pecie in micr bi logia defini c un grupp di ceppi che c ndividono le mede im proprie! e che differì cono per uno o più tratti cara tteristici da al tri gruppi di ceppi; definita filogeneticam nte come un gruppo escl usivo e monofìletico ulla base dell'anali i di sequenza del D pirilli

ce llule spi ralifonni.

pirocheta batterio gram-negativo e i le e sempre c n forma a pirale del phylum delle pirochaetes, caratterizzai dal la presenza di en doflag Ili u ati per il movimento. pii co orn a comples o di ribonuc leoproteine che catal i zza la rim zi ne degli introni dai tra crini primari diR A. rimozione di sequenze interpo te nelle pr teine.

t rili zzazione uccisione o rimozi ne di tutti gli organi mi viventi e di tutti i vin1s da un terr n di c ltura.

all ' estremi !< di

Termofi lo rgani mola cu i temp ratura ottimale di ere cita è compre. a tra 45 e O o • T crm o om a compie pr teico per lo . h k da ca lore (chap r nina) che svolge negli ipertermofi li la la funzione di ripi gar le pr teine parzialmente denaturate dal eal re. T r r no co m1) l o terreno di coltura costitui to da sostanze chimi amente non definite come estratto di lievito e di carne. terreno di co ltura di cui è nota la precisa comp si Te rr no d fìnit zi ne chimica . T 1-re no di co ltura . luzi ne acquosa di vari nutrienti adatti alla erecita dei microrgani mi. Tctr aci lin a membro della classe di antibiotici con tenenl l 'anello di naftacene a quattro atomi. Ti laco idi uno trato della membrana che cont iene i pigmenti fot teti ci nei cl r pia ti.

in-

ipi zzazione di cq u nza mul t i! u (ML T ) trumento tas onomi co per la classificazione di rgani mi ulla ba c delle variazioni di sequenza di alcuni geni hou ekeeping. To r·bidità

misura dei solidi o pesi nell'a qua.

To ici tà

lettiva capacità di un c mposto di inibire mi patogeni enza effetti danno i ull'ospite.

uccidere mi-

inte i delle prot ine utilizzando l'informazione genetica come stampo.

t rato trato uperficia le più e temo della cellu la, c tituit da pr teinc o glicoprotei ne, pre ente in alcun i Bacteria e Archaea.

ran IZ1on mutazione in cui una pirimidina è . ostituita con un'altra irimiclina o una purina con un 'altra purina.

t r ama

~ rma.d ne di legami peptidici cr ciati tra gli r 111 p plid Azi n oligopeptidi legati ai residui di acid muramico durante la sintesi di peptid glicano.

lume del cloropla t circondato dalla membrana in tema.

truttura pr imari a esatta se 1uenza dei monomeri in una macr moleala c me un polipeptid o un acido nuc leico.

774

J OSSARIO

T ra n crsionc muta1.ione in cui una pirimidina è sosti tuita con una purina o viceversa. Tra critta i in cr a cn1ima che sinteti11a una copia di D utilitzando R A come stampo. Trasc ritto prim a •·io molecola di R non processata che rappresenta il prodotto diretto della trascri;ionc. Tra crittoma insieme di tutti gli R prod tti in un organismo in conditioni specifiche. T r. rizione sintesi di R utili11ando il D A come Mampo. T ra criz ion in e r a conversione di una scquc111a di R nella corrispondente sequenta di D A. Tra duzion e trasferimento di geni di una cel lul a o~pite a una seconda cellu la per meno di un viru\. Tra du zion e d el gnal e si veda si.11ema di regola:ione a due componemi. Tra ferim nto g ni o ori zzo nta le trasferimento unidirctionale di geni tra organismi non correlati tra loro; permette la dispersione di geni omologhi . Tra formazion e trasferimento di geni batterici mediante acqui\itionc di D libero (si veda an he il apitolo 9 per utili11i altemativi ). T ra forma z ion e negli eucarioti è il processo attraverso il quale una cellu la nom1ale acquisisce il feno tipo trasfom1ato tipico delle cellule tumorali . Tra lo azion e di g rul>PO sistema di trasport che richiede energia durante il quale la so. tanta trasponata viene modificata chimicamente da pane di una serie di proteine. Tra port o in ver o d gli elcllroni movimento energia-dipendente degli elett ron i contro il gradiente termodinamico che pona alla formuione di un fonc riducente a pani re da un donatore di elettroni più debole. Tra po on e tipo di elemen to trasponibile che con ti ene altri geni oltre a quelli nel necessari per la trasposi tione. Trattamento primario d Il e a que reflu c rimo1ione fisica dei contaminanti delle acque refluc ottenuta per separatione e sedimenta~ione . Tratta m ento cco nd a rio a robi co d Il e acq ue reflu rea7ioni ossidative condotte dai mi rorganismi in ond itioni at!robiche; utilinate per trattare le acque reflue contenenti bas. i li eli i di materia organica . Tratta mento conda ri o a naero bi ·o d ell e acq ue r flu e reationi degrada ti ve e fermentative condotte dai microrganismi in condizioni anossiche; utili11ate per trattare le acque rcflue contenenti alti livelli di materia organica inso lubile . Trattamento l rz iario d ell e acque rcflue metodi fisico-chimici o bi.olo~i.ci di tr~tt.amento delle acque reflue per ridurre i livelli di n~ ­ tnentl morgan1c1 . T ubul o di infezione canale rivestito di cel lulosa che viene prodotto durante la formationc del nodulo c che permette alle cellule di Rhi:obiwn di raggiungere c infettare le cellule radicali . so dci codoni propor;ione relativa dci differenti codoni che codificano il medesimo aminoacido. questa varia in organismi differenti . È noto anche come urili::o dei codoni. accin o a D vaccino che utili11a il D A di un patogeno per '>timolare una ri'>posta immuni taria. acc ino poliva l ntc vaccino che immuniua verso più di un potcnJialc patogcno. quindi contro diverse poten1iali malattie. uccino vettore vaccino fatto inserendo geni da un vims patogcno in un virus tra\portatore relativamente innocuo. ac ill a mcnlo forma meno rigida di appaiamento di ba'i penncssa solo nell'appaiamento tra la tcrn1 bm.e di codone c anticodone. c cico lc gasso , ~tnnturc citoplasmatiche circondate da proteine c riempite di gas che conferiscono una spinta idrostatica alla cel lul a .

ltor (come vettore di clonaggio) molecola di D in grado di autorcplicarsi e che può ospitare geni c lonati o al tri segmen ti di D A utiliaabili per l'ingegneria genetica. ettore di e pr ion e vettore di clonaggio che con tiene le scquentc di rcgolatione necessarie per permettere la trascrizione e la tradu7ione del gene clo!wto. cuor di integ raz ion e vettore di c lon agg io che può inserirsi nel cromosoma di un ospite. eltor hulll c vettore di c lonaggio che può replicare in due o più cellule ospite differenti . clto•·e accin vaccino creato inserendo geni di un virlJ', patogenico in una panicella virale di un virus attenuato. ia del p nto o fo fato serie di reationi in cui i pentosi so no ca taboliuati per generare i prc ursori per la biosintesi dci nuclcotidi o per la si ntc i di gluco. io. iu del ribulo io monofo fato serie di rca1ioni in cui la fom1aldcidc è assimilata nel materiale cellulare di alcuni metilotrofì utili11and il monofosfato ribulosio come molecola accct tri cc di l . ia d ell 'acetii- o via di fissationc di O, e di ssidationc dell'acetato comune negli anaerobi obbligati. incl~si i metanogeni, gli acetogeni e i batteri solfato-riduttori . ia dell ' idro ipropionalo via autotrofica presente in Chlorojle.ws e in alcuni Archaea. ia d ella s rin a serie di reationi in cui H20 più 0 2 sono assimi lati nel materiale cellulare di alcuni metilotrotì attraverso l'aminoacido serina. ia lili ca serie di fasi che si susseguono durante il processo infettivo e che ponano alla replicazione del virus c a lla distruzione della cellul a ospite. 1non particella vira le infettiva. costitui ta dall'acido nuclcico circondato da un rivestimento proteico c. in alcuni casi. anche da altro materiale. iroid c un R A infettivo la cui forma extracell ul are è priva di proteine. iru e lemento genetico che contiene o R o D circondato du un capside proteico c che si replica soltanto all' intcmo delle ce llul e ospite. iru co n ge noma a tilum nto negati o virus con genoma a singo lo filamento con polarità oppos ta a quella del mR vira le. iru co n ge nom a a filam ento po ili vo virus con genoma a singo l filamento con la stessa complementarietà del mR A virale. irus dif !li vo viru~ che dipende da un alt ro vims, il vims helper. che fornisce alcune delle sue componenti . irus helper virus che fornisce alcune comp nemi necessarie a un virus difettivo. irus tem1>era to virus il cui genoma si replica con quello dell'ospite senta causare mone cellulare. in uno stato detto /isogenia . irus irul nlo virus che lisa o uccide la cel lula ospi te dopo averla infettata; virus non temperato. i tale capace di riprodursi. ' enobiotico composto di sintesi. non prodotto dagli organ ismi in natura. cro fil o organi~mo in grado di vivere. o che vive meglio. in ambienti molto secchi . Zolfo-o idant d is imil a tivo microrganismo che produce energia gratic all'ossidazione dei compoMi solforati ridotti . Zo lfo -riduttore di imil a ti vo microrganismo anaerobio che conserva energia gr.t1ic alla ridu1ionc di 0; non pu ridurre Zone a co ntenuto minimo di o igc no (OMZ) regione marina a profondità intermedia con pochissimo ossigeno.

OJ .

Capitolo 1 pcnura: Ah~on -. urray: in alto. Pctcr Glcnday: in ba\so a \ini~tra, Emanuele Kuhn: in ba\so a dcma, hrbtian Il. Frit\cn c linton Davi~: 1.1: Pau l V. Dunlap: 1.2a: John Bottola c Michacl T. Madigan: 1.2b: Rcinhanl Rachcl c Karl O. tetter. Archit•es o[Micmbiolol(\' /28:28!!-293 (1981). : 2.5: M.T. Madigan: 2.6a.b: Richard W. Castcnholt. niversity of Oregon: 2.6c: ancy J. Trun. ational ancer lnstitutc: 2.7: Linda Barnctt c Jamcs Barnctt. Univcrsity of East nglia. .K: 2.8a: ubramanian Karthikcyan. niversity of aby. University of Bn'>tol. Bristol. England: 2.40b: . Pellegrini e Maria , rilli aiola: 2.41 a: Riprodotto da A.E. Konopka eta/.. lsolation and characteritation of gas vcsiclcs l'rom 1tcmcyclus lllfllliiiCII.\. Arr:hit·es of Micmbiology 112: 133- 140 (March l. 1977) . ID 1977 by pringer- erlag Gmbl l o. KG : 2.42: Hans ll ippc. Dcutschc • ammlung n1n Mil.roorganismcn und Zcllkulturen Gmb ll. Braunschwcig. Gcrrnany 2.43: ll am. llippc. Dcutsche, ammlung von ikroorganismcn und Zcllkulturcn Gmb ll. Braunschwcig. Gennany: 2.44: Judith F.M. ll ocnigcr c .L. ll cadley: 2.45a: H... Panl.ratt, T. . Beaman e Philipp Gcrhardt : 2.45b: Kirstcn Price. ll arvard nivcrsity: 2.48: Elnar Lcif'>on: 2.49: ari E. Bauer. Indiana nivcrsity: 2.50a: R. Jarosch : 2.50b: orbcrt Pfcnnig. Univcr'>ity of Konstant, Gcrmany : 2.51 a: Da vid Dc Roity ofWisconsin. Milwaukce: 2.58: i ho la'> Blackbum. Marine Binlogical Laboratory. niver'>ity of openhagen. Dcnmark : 2.59a: orbcrt Pfcnnig. nivcrsity of Kon'>tant. Gcrrna ny: 2.59h: ari E. Bauer. l ndtana nivcrsity: 2.61: E. uth. T. Hashimoto c .F. onti: 2.62: Elisabcth Ptcrson. F WI-Radboud nivcrSJty iJmcgen. Pearson Education: 2.63: Don W. Fawcctt. M.D .. ll arvard Medicai chool: 2.64: Helen h10 c Miklos Mullcr. The Rockefcllcr nivcrsity: 2.65a: Thomas D. Brock: 2.65b: A. Wellma/ aturimBild/Bhckwinkcl/age foohtocl.: 2.65c: T. lankis c . Gihbs. McGill Univcr.. ity: 2.66: PL!Photo Rcscarchers: 2.67a: Rupal Thathath c Jacck Gaertig. niversity or Georgia: 2.67b: Michacl W. Da' idrn Medicai Stock Photo: 17.26: Thomas D. Brock: 17.28: Samuel F. nnti c Thomas D. Brock ; 17.30a: Shuttcrstock: 17.30b: U.S. Departrnent of Agricolture; 17.30c: Ed Reschke/Getty lmagcs; 17.31: Patrick J. Lynch/ cience Source; 17.32: Richard W. astcnhoiF.. niversity of Oregon: 17.33a: nhur M. onomura. cripps lnstitution of Oceanography; 17 .33b: Bob Gibbons/A lamy: 17.33c: Thomas D. Brock; 17.33d: RalfWagner (dr-ra lf-wagner.dc); 17.33c: aturimBildl blickwinkei/Aiamy: 17.33f: Dr. Aurora M. Nedclcu: 17.33g: Arthur M. onomura: 17.34a: Guillaume Dargaud (www.gdargaud.net): 17.34b: Yuuji Tsukii. Protist lnformation Server (protist.i.hosci.ac.jp). ll osei nivcrsity. Japan .

Capitolo 18 Apertura: Vaughn lvcrson c Ginger Armbrust: 18.2b: orbert Pfcnnig. niversity of Konstant, Gcrmany; 18.3a: Jarnes A. hapiro. Univcrsity of Chicago: 18.3b: Marie Asao. Deborah O. Jung e Michael T. Madigan: 18.6a,b: Mare Mussman c Michael Wagner; 18.6c: Willm Martens-Habbena; 18.7: Molecular Probes; 18.8: Preston Garcia e Dan Gage: 18.9a: Riprodutione autori nata dall' American ociety for Microbiology da A.T. ielsen et al.. ldenti fìcation of a nove l group of bacteri a in sludge from a deteriorated biologica l phosphorus rcmoval reactor. Applied Envirrmmemal Microbiology 65:1251-1258 ( 1999). fig. 58. Immagine: Alex T. ielscn. Technical University of Dcnmark. Lyngby, Denmark. 18. 10: orman R. Pace. University or Colorado; 18.1 l a: David A. tahl. orthwestern nivcrsity; 18.11 b: Da R. Ama n n. J. naidr. M. Wagncr. W. Ludwig e K.- H. chleifer. 1996. /n silll visualit.ation of high genetic diversily in a natura l bactcrial community. Joumal of BacterioiOKY 178:3496-3500. Fig. 2b. D. Brock; 21.9: WimUFotolia: 21.12: Dr. llelmut Brandi. niversity of ZUrich, willcrland: 21.14: Michael T. Madigan; 21.15: Thomas D. Brock: 21.16a: John M . Martinko e Deborah

O. Jung : 21.16c: Michael T. Madigan; 21.17: Richard F. Unt. Pcnn State niversity: 21.19: Louisville Water Company; 21.21: DC/Don Howard; 21.22: Shawna Johnston e Gerrit Voordouw.

Capitolo 22 Apertura: Tjisse van der Heidc, Marjolijn J.A. hristianen e Laura L. Govcrs: 22.1 a: Thomas D. Brock : 22.1 b: Michael T. Madigan: 22.2: Thomas D. Brock: 22.4: J. Ovcrmann e 1-1. van Gcmcrdcn: 22.5: Gerhard Wanncr e JOrg Overmann, Ultrastruclural haractcri7ation of the Prokaryotic Symbiosis in "Chlorochromatium aggregatum." Joumal of Bacteriology, May 2008. pp. 3721-3730. Vol. 190, N. IO.