Colwellia psychrerythraea 34H: un batterio che ama il freddo!

Gli scienziati del “The Institute for Genomic Research” hanno sequenziato e analizzato il genoma di Colwellia psychrerythraea 34H, un organismo che vive sul fondo dell’oceano artico a temperature vicine allo zero. L’obiettivo principale del progetto era quello di confrontare C. psychrerythraea, organismo adattatosi al freddo intenso, con altri batteri che vivono a temperature differenti.

Gli ambienti marini estremi sono stati oggetto di numerosi studi. Per molti anni queste nicchie ambientali, caratterizzate da elevate o basse temperature, alta pressione, bassi pH, alte concentrazioni di sale e anche due o più parametri estremi in combinazione, sono state ritenute incompatibili con qualsiasi forma di vita. Ora, grazie alle nuove tecnologie, come la metagenomica, è possibile rilevare la vita in questi ambienti con condizioni di vita difficili.

secondo la loro temperatura di crescita, i microrganismi amanti del freddo e tolleranti al freddo si collocano rispettivamente tra gli psicrofili e gli psicrotrofi. Nello specifico, i cosiddetti psicrofili proliferano tra 0 e 20°C, con un optimum a 15°C o meno, mentre gli psicrotrofi sono in grado di tollerare temperature basse e mostrano una crescita ottimale intorno ai 20°C. Molti degli psicrofili coltivati sono anche piezofili.

Vale la pena notare, che nelle acque marine fredde, al diminuire delle temperature aumenta la densità e, di conseguenza, la diffusione energetica e nutriente rallenta. Perciò, data la natura di questi ambienti, si deduce che in particolare gli psicrofili sono organismi in grado di prosperare in presenza di più fattori di stress.

Tassonomicamente i microbi in questione appartengono ai domini Archaea e Bacteria e sono distribuiti su numerosi generi: Arthrobacter, Colwellia, Exiguobacterium , Gelidibacter, Glaciecola , Halobacillus, Halomonas , Pseudomonas , Psychrobacter, Psychroflexus , Psychromonas , Hyphomonas, Listeria , Marinobacter , Methanococcoides, Methanogenio , Moritella , Planococcus,  Psychroserpens , Shewanella  e Sphingomonas. Possono essere Gram-positivi e Gram-negativi, autotrofici e eterotrofici, aerobici e anaerobici, fototrofici e non fototrofici. Sono tutti dotati di meccanismi cellulari adattati al freddo e pertanto interessanti per l’indagine scientifica.

Lo studio

Tra i batteri adattati al freddo, il genere Colwellia, all’interno dei Gammaproteobacteria, rappresenta un caso inusuale: tutti i suoi membri sono strettamente psicrofili e sono stati ottenuti da ambienti marini perennemente freddi, tra cui il mare profondo e il ghiaccio marino artico e antartico. Molti membri di questo genere producono sostanze polimeriche extracellulari rilevanti per la formazione di biofilm e per la crioprotezione ed enzimi capaci di degradare composti organici ad alto peso molecolare. Questi tratti, probabilmente, rendono le specie del genere Colwellia importanti per la circolazione del carbonio e dei nutrienti.

Il batterio marino C. psychrerythraea 34H (figura 1) vive nelle profondità dell’oceano artico e rappresenta la specie tipo del genere Colwellia: mostra temperature di crescita (ottimale di 8 °C, massima 19 °C, e minima estrapolata di – 14,5 °C) tra le più basse fra tutti i microbi caratterizzati. La resa massima della cellula viene raggiunta sotto lo zero (± 1 °C), le cellule continuano a nuotare in soluzione di zucchero fino a 10 °C e la crescita può avvenire alle pressioni del mare profondo.

Figura 1: Colwellia psychrerythraea 34H. (NCBI)

La sequenza genomica di questo batterio ha fornito un’ importante opportunità per comprendere meglio le funzioni potenziali di tale organismo nell’ambiente marino e acquisire una panoramica degli adattamenti che aiutano a definire e influenzare lo stile di vita psicrofilo.

Come riesce questo organismo a sopravvivere in un ambiente simile?

Il genoma completo di C. psychrerythraea 34H, interamente sequenziato, è composto da 5.373.180 nucleotidi. Il DNA codifica per 117 RNA e 4910 proteine, tra cui 9 operoni rRNA, 88 tRNA e un RNA strutturale. L’analisi genomica ha rivelato alcune funzioni biochimiche fondamentali che i batteri adattati al freddo (psicrofili) utilizzano per vivere a temperature sotto lo zero, nonché alcune capacità importanti per il ciclo del carbonio e dei nutrienti, il biorimedio, la produzione di metaboliti secondari, e di enzimi adattati al freddo (figura 2).

Figura 2: Sedimento marino artico: il batterio psicrofilo marino Colwellia psychrerythraea, che produce un’aminopeptidasi attiva a freddo (ColAP), isolato dai sedimenti marini artici. (Microorganisms, 2017)

In particolare, alcuni dei 4937 geni stimati di C. psychrerythraea sembrano codificare per caratteristiche come il riempimento delle membrane cellulari con acidi grassi polinsaturi che resistono al congelamento, composti di poliestere che offrono riserve extra di energia, soluti protettivi all’interno delle cellule, e normali enzimi alterati per funzionare nell’acqua salata gelida. Da un punto di vista genomico, infatti, l’adattamento al freddo è suggerito da modifiche alla fluidità della membrana cellulare: la flessibilità delle membrane cambia al diminuire della temperatura, garantendo il ruolo fondamentale di assorbimento dei nutrienti e osmoregolazione intracellulare. Di fatto, la composizione lipidica delle membrane cellulari degli psicrofili presenta acidi grassi insaturi, polinsaturi, corti, ramificati e ciclici con una percentuale maggiore rispetto a organismi mesofili e termofili. Altri meccanismi coinvolti nell’adattamento al freddo implicano l’assorbimento e sintesi di composti che conferiscono criotolleranza (compresi i poliidrossialcanoati (PHA), composti simili a cianoficina e glicina betaina, così come la capacità di produrre grandi quantità di enzimi extracellulari e polisaccaridi) e strategie per superare barriere temperatura-dipendenti all’assorbimento di carbonio.

L’adattamento al freddo, dunque, consisterebbe in un insieme di cambiamenti sinergici nella configurazione complessiva del genoma, riflessi in termini di contenuto di geni e di composizione aminoacidica, piuttosto che nella presenza di un unico set di geni indicativo e responsabile del conferimento di uno stile di vita psicrofilo.

 

 

                                                                                                                                                            Angela Chimienti

 

 

Fonti (contenuti e immagini):

  • NCBI: Colwellia psychrerythraea 34H Genome Project at TIGR   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject?cmd=Retrieve&dopt=Overview&list_uids=275
  • Barbara A. Methe´, Karen E. Nelson, Jody W. Deming,et al., The psychrophilic lifestyle as revealed by the genome sequence of Colwellia psychrerythraea 34H through genomic and proteomic analyses, PNAS _ August 2, 2005 _ vol. 102 _ no. 31 _ 10913–10918, www.pnas.org_cgi_doi_10.1073_pnas.0504766102
  • Annarita Poli, Ilaria Finore, Ida Romano, Alessia Gioiello, Licia Lama, Barbara Nicolaus , Microbial Diversity in Extreme Marine Habitats and Their Biomolecules, Microorganisms, 2017, 5, 25
  • https://microbewiki.kenyon.edu/images/b/be/C.psychrerythraea.jpg Photo: Richard A. Finkelstein / NCBI
  • Immagine in evidenza: Icebergs in the High Arctic – 20050907.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icebergs_in_the_High_Arctic_-_20050907.jpg Brocken Inaglory. – Opera propria.  Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

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