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 estremo, 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.

I microorganismi amanti del freddo e tolleranti al freddo si trovano rispettivamente tra gli psicrofili e gli psicrotrofi, secondo la loro temperatura di crescita. In particolare, temperature inferiori sono preferite dai cosiddetti psicrofili o microrganismi che proliferano tra 0 e 20°C, con un optimum a 15°C o meno, mentre gli psicrotrofi sono definiti come microrganismi in grado di tollerare temperature basse e hanno una temperatura di crescita ottimale a 20°C. Molti degli psicrofili coltivati sono anche piezofili. Vale la pena notare, che nelle acque marine fredde al diminuire delle temperature le acque diventano più dense, e quindi la diffusione energetica e nutriente si rallenta.  Dunque, data la natura di questi ambienti, gli psicrofili, in particolare, sono organismi in grado di prosperare in presenza di più fattori di stress.

Tassonomicamente, i microrganismi amanti del freddo e tolleranti al freddo si trovano nei domini Archaea e Bacteria e sono distribuiti su numerosi generi, come 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. Questi microrganismi sono tutti dotati di meccanismi cellulari adattati al freddo che li rendono abitanti idonei per ambienti caratterizzati da temperature molto basse, e per questo sono interessanti per l’indagine scientifica. Recenti studi condotti su popolazioni acquatiche psicrofile hanno rivelato una complessità trofica e una diversità delle comunità molto più elevata del previsto. Più del 40% degli psicrofili sequenziati sono stati isolati dagli ambienti marini (dall’Oceano Pacifico e dall’Oceano Meridionale attorno all’Antartide).

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 (richiedono temperature uguali o inferiori a 20 ° C per crescere su supporti solidi) 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.

Fig.1 Colwellia psychrerythraea 34H. (NCBI)

Questa specie, isolata dai sedimenti marini artici, rappresenta la specie tipo del genere Colwellia: cresce in supporti eterotrofi con una gamma di temperature comprese da 1 °C a 10 °C, con temperature di crescita (ottimale di 8 °C, massima 19 °C, e minima estrapolata di – 14,5 °C) tra le più basse fra tutti i batteri caratterizzati. La resa massima della cellula viene raggiunta a temperature 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. C. psychrerythraea produce anche polisaccaridi extracellulari e, in particolare, enzimi attivi con il freddo.

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 sopravvivere in un ambiente simile?

Il genoma completo di C. psychrerythraea 34H è stato sequenziato ed è risultato essere 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 del genoma di questo microrganismo 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).

Fig.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 cellulari 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.

Ad oggi, le analisi genomiche comparative effettuate nello studio suggeriscono che l’adattamento freddo consiste 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, Bahram Momen, Eugene Melamud, Xijun Zhang_, John Moult, Ramana Madupu, William C. Nelson, Robert J. Dodson, Lauren M. Brinkac, Sean C. Daugherty, Anthony S. Durkin, Robert T. DeBoy, James F. Kolonay, Steven A. Sullivan, Liwei Zhou, Tanja M. Davidsen, Martin Wu, Adrienne L. Huston, Matthew Lewis, Bruce Weaver, Janice F. Weidman, Hoda Khouri, Terry R. Utterback, Tamara V. Feldblyum, and Claire M. Fraser,  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 and Barbara Nicolaus , Microbial Diversity in Extreme Marine Habitats and Their Biomolecules, Microorganisms 2017, 5, 25

http://www.lescienze.it/news/2005/08/01/news/un_microbo_marino_amante_del_freddo-584630/

https://microbewiki.kenyon.edu/images/b/be/C.psychrerythraea.jpg Photo: Richard A. Finkelstein / NCBI

http://www.telegraph.co.uk/finance/commodities/10733099/Sea-change-for-commodities-as-Arctic-melt-transforms-trade-routes.html ( immagine in evidenza)

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