La plasticità del genoma batterico: la trasformazione

Dopo aver discusso dei meccanismi molecolari della coniugazione batterica , illustriamo di seguito il processo di trasformazione batterica.   

In genetica, il processo di trasformazione permette l’acquisizione da parte delle cellule batteriche di DNA presente nell’ambiente. La molecola di DNA esterna, trasferita all’interno del batterio, viene acquisita in maniera stabile dal batterio e prende parte al patrimonio genetico di quest’ultimo.  

Il trasferimento di DNA per mezzo dei processi di trasformazione richiede la sintesi, in particolari condizioni fisiologiche della cellula batterica, di proteine dette di competenza.

La trasformazione batterica fu scoperta nel 1928 dal biologo inglese Frederick Griffith, il quale aveva rivolto i suoi studi al batterio Streptococcus pneumoniae, agente eziologico della polmonite. Il batterio S. penumoniae può mostrare diversi fenotipi conseguenti ad una elevata variabilità genetica mostrata dal batterio.

Tra i numerosi ceppi di S. pneumoniae che crescono su terreno contenente sangue e agar, le caratteristiche fenotipiche che interessarono Griffith riguardavano la presenza (o l’assenza) di una capsula polisaccaridica che circonda la cellula batterica e la composizione molecolare del polisaccaride capsulare. I batteri pneumococchi capsulati possono formare, sul terreno di agar e sangue, colonie grandi e di aspetto liscio e regolare; tali pneumococchi sono detti di tipo S (dall’inglese smooth, liscio). I batteri pneumococchi di questo tipo sono patogeni e causano la polmonite nei mammiferi, tra cui l’uomo. In presenza di capsula, possono distinguersi diversi tipi antigenici di batteri (I, II, III, ecc.), distinti in base sia alla composizione molecolare del polisaccaride capsulare sia al genotipo della cellula. D’altra parte, gli pneumococchi privi di capsula polisaccaridica, in piastre di agar e sangue, formano colonie con aspetto irregolare e sono detti di tipo R (dall’inglese rough, rugoso) e non mostrano virulenza.

I passaggi dell’esperimento di Griffith che portò alla determinazione del cosiddetto principio trasformante sono i seguenti: Griffith iniettò, nei topi, cellule di tipo IIIS (capsulate e, dunque, patogene) vive; dopo l’iniezione i topi morivano e dei loro tessuti era possibile isolare batteri di tipo IIIS vivi. In seguito, Griffith iniettò, in alcuni topi, cellule di tipo IIIS uccise al calore; dopo l’iniezione, i topi non morivano. Infine, Griffth iniettò, nei topi, cellule batteriche di tipo IIR (acapsulate e non patogene); in seguito all’iniezione, i topi non morivano. Dopo tali osservazioni, Griffith non esitò di iniettare nei topi cellule di tipo IIIS uccise al calore insieme a cellule di tipo IIR vive; dopo tale iniezione, i topi morivano e dai tessuti degli animali potevano essere isolati batteri IIIS vivi.

Dopo gli esperimenti di Griffith, nel 1931, il ricercatore Martin Henry Dawson stabilì che il fenomeno della trasformazione dei batteri IIR non era mediato dall’ospite ed era, piuttosto, dovuto ad un cambiamento permanente del genotipo delle cellule batteriche di tipo IIR.

La traslocazione del DNA trasformante nella cellula batterica ricevente

Generalmente, le molecole di DNA sono rilasciate nell’ambiente, sia in laboratorio sia in natura, in seguito alla morte batterica ed alla lisi del rivestimento cellulare batterico. Il DNA traslocato è di tipo lineare, a doppio filamento, ed è di dimensioni comprese tra 0,5 Kb e qualche decina di Kb.

L’ingresso di una molecola di DNA trasformante nella cellula batterica richiede il legame del DNA ai recettori di superficie batterici.

Nei batteri Gram positivi (Bacillus subtilis e S. pneumoniae), la molecola di DNA trasformante, presente nell’ambiente, è a doppia elica e lega i recettori di superficie (in S. pneumoniae, il numero di recettori di superficie che legano il DNA varia tra 30 e 80). A partire da un’estremità libera, il DNA a doppio filamento è trasportato progressivamente nel citoplasma della cellula ricevente. Durante il trasporto, il DNA derivante dall’esterno della cellula è frammentato da un enzima endonucleasico; in seguito, i frammenti risultanti, di dimensioni comprese tra i 6 ed i 15 Kb, sono processati da un enzima esonucleasico che degrada uno dei due filamenti di DNA. I frammenti di DNA a singolo filamento, che derivano dall’azione della esonucleasi, sono traslocati nel citoplasma, protetti dalle proteine Ssb. La molecola di DNA a singolo filamento si associa alle proteine RecA per ricombinare con il DNA della cellula ricevente. Nei batteri Gram negativi (Neisseria gonorrhoneae), la trasformazione è mediata da vescicole di membrana, denominate trasformasomi. La molecola di DNA trasformante contiene sequenze specifiche, chiamate DUS (DNA uptake sequnces). In N. gonorrhoneae, la sequenza DUS è lunga 10 bp (5’ – GCCGTCTCAA – 3’). È stato evidenziato che, nel cromosoma di N. gonorrhoneae, sono presenti 1900 sequenze DUS, ovvero una sequenza ogni 1200 bp.

Maria Chiara Langella

Fonti:

Principi di genetica. Quarta edizione. D. Peter Snustad e Michael J. Simmons. EdiSES. 2015. Pagine 189 – 192.

Biologia dei microrganismi. Gianni Dehò e Enrica Galli. Casa editrice Ambrosiana. 2016. Pagine 348 – 353.

Per approfondimenti sulle generalità dei meccanismi di scambio genico: La plasticità del genoma batterico: introduzione ai meccanismi di scambio genico. https://www.microbiologiaitalia.it/2018/12/04/la-plasticita-del-genoma-batterico-introduzione-ai-meccanismi-di-scambio-genico/

Immagine in evidenza da https://www.youtube.com/watch?v=oIWc79vUkCk

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