Haloferax volcanii

Caratteristiche

Haloferax volcanii è un microrganismo mesofilo, debolmente acidofilo ed estremamente alofilo; è principalmente aerobico, ma è capace di respirazione anaerobica in presenza di condizioni anossiche. Appartiene al dominio degli Archaea, al phylum degli Euryarchaeota e alla famiglia delle Haloferacaceae. E’ spesso isolato da ambienti ipersalini come il Mar Morto, il Gran Lago Salato e ambienti oceanici caratterizzati da elevate concentrazioni di NaCl. 

Questo microrganismo è degno di nota in quanto può essere coltivato facilmente in laboratorio, caratteristica rara per un estremofilo. Gli ambienti in cui Haloferax volcanii prospera (caratterizzati da elevata salinità e alti livelli di radiazione) sono molto simili alle condizioni che si trovano sulla superficie di Marte. A tal proposito un isolato di questa specie è stato studiato dai ricercatori dell’Università della California nell’ambito di un progetto sulla sopravvivenza degli Haloarchaea su Marte.

Le facili condizioni di crescita, il ridotto tempo di generazione e l’ampia gamma di strumenti genetici di cui dispone lo hanno reso un organismo modello per lo studio della biologia cellulare degli Haloarchaea. 

Inoltre Haloferax volcanii codifica numerosi enzimi alofili utilizzati in vari processi biotecnologici quali la biocatalisi, il biorisanamento, le nanobiotecnologie, ma anche nella produzione di bioplastiche e biocarburanti.

Filogenesi

Genoma e metabolismo

Il genoma di H. volcanii è costituito da cinque elementi genetici circolari: un cromosoma principale di 2,848 Mb, tre cromosomi più piccoli (pHV4 di 636 kb, pHV3 di 438 kb e pHV1 di 85,1 kb) e un plasmide (pHV2 di 6,35 kb). Studi sperimentali hanno evidenziato la presenza di sequenze funzionali a replicazione autonoma, note come ARS, sia sul cromosoma principale sia sui tre cromosomi più piccoli (pHV4, pHV1 e pHV3). Inoltre, a differenza della maggior parte degli archea, H. volcanii ha due origini di replicazione sul suo cromosoma principale, note come Oric 1 e Oric 2.

Il contenuto genomico medio di GC è piuttosto elevato ed è pari del 65%.

Da un punto di vista metabolico gli organismi di questa specie sono chemiorganotrofici, ed utilizzano polisaccaridi, zuccheri ed aminoacidi come fonti di carbonio. In particolare il glucosio viene metabolizzato attraverso la via semifosforilativa di Entner-Doudoroff (spED). 

La capacità di H. volcanii di degradare idrocarburi aromatici come antracene, naftalene, fenantrene, pirene e benzoantracene potrebbe essere sfruttata nei processi di biorisanamento, in particolare in ambienti ipersalini.

Immagini al microscopio

Le cellule di H. volcanii hanno un diametro pari a 1-3 μm e sono pleomorfe. (Fig.1).

In coltura liquida si possono osservare sia morfologie discoidali sia bastoncellari e solo occasionalmente si osservano forme insolite (Fig. 2).

Le membrane cellulari sono costituite da lipidi legati all’etere, tipici degli archaea, e contengono anche un alto livello di carotenoidi tra cui il licopene, il quale conferisce loro il caratteristico colore rosso.

Le cellule sono prive di una parete cellulare rigida, ma sono circondate da un singolo strato di glicoproteine noto come strato superficiale o strato S. Le subunità proteiche negli strati S sono tenute insieme da cationi bivalenti come Mg²⁺; per tal motivo questo strato può essere completamente rimosso mediante trattamento con agenti chelanti come l’EDTA.

Ecologia

H. volcanii è stato descritto per la prima volta nel 1975, anno in cui fu isolato dai sedimenti del Mar Morto. Inizialmente era conosciuto come Halobacterium volcanii, per omaggiare il microbiologo Benjamin Elazari Volcani che per primo dimostrò l’esistenza di comunità microbiche in ambienti ad elevata salinità. Come altri batteri alofili H. volcanii si trova frequentemente in ambienti ipersalini di tutto il mondo, come ad esempio laghi salati, acque profonde, suoli salini, miniere di sale o barene dove la concentrazione di sale è superiore a quella dell’acqua marina (circa il 3,5% di sale disciolto).

I pigmenti carotenoidi sintetizzati da H. volcanii conferiscono distinte tonalità rosa-rossastre alle acque in cui vivono. Recentemente, c’è stato un crescente interesse per i carotenoidi di origine naturale in virtù delle loro notevoli proprietà come antiossidanti, coloranti e come agenti fotoprotettivi.

In H. volcanii la biosintesi dei carotenoidi inizia con la condensazione di due molecole di C 20 in fitoene (C 40). Successivamente, il fitoene viene convertito in licopene e quest’ultimo viene convertito in batterirouberina (C50). Uno studio recente ha dimostrato che la batteriouberina prodotta ha un’efficacia tre volte maggiore come antiossidante rispetto al β-carotene.

Data l’assenza di una parete cellulare rigida, l’estrazione dei carotenoidi da H. volcanii è molto più semplice ed economica rispetto a quella effettuata da gamberi rosa o carote, che comporta l’uso di attrezzature costose.

Metodi di identificazione

I microrganismi isolati nei loro ambienti naturali possono essere facilmente coltivati in laboratorio. I terreni comunemente usati per la crescita di H. volcanii sono Hv-Ca e Hv-YPC. Sono costituiti da macronutrienti sospesi in una base di sali primari di acqua marina tamponata al 18% (p/v). Hv-Ca è un mezzo semi-definito contenente casaminoacidi come fonte di carbonio ed energia, e in genere fornisce un tasso di crescita e una resa ridotti rispetto al mezzo complesso Hv-YPC. Quest’ultimo contiene estratto di lievito, peptone e casaminoacidi. È noto che entrambi i terreni producono morfotipi diversi nella stessa coltura, principalmente un mix di bastoncelli e cellule discoidali ( Fig. 3)

In coltura, la crescita ottimale si verifica a concentrazioni di NaCl e Mg²⁺ pari a 1.5-2.5 M, ad un pH leggermente inferiore a 7 e a un intervallo di temperatura di 45 – 50°C.

Livia Sabetta

Fonti

• https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-019-10314-2
• https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.04.078048v2.full
• https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0009605
• https://en.wikipedia.org/wiki/Haloferax_volcanii
• https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31863144/
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2841640/

Crediti immagini

• Immagine in evidenza: https://www.cell.com/trends/microbiology/pdf/S0966-842X(18)30213-0.pdf
• Figura 1: https://alchetron.com/Haloferax-volcanii
• Figura 2: : https://alchetron.com/Haloferax-volcanii
• Figura 3: https://notiziescientifiche.it/mar-morto-ricercatori-scoprono-batteri-nel-fondale-che-si-nutrono-di-altri-batteri-morti/
• Figura 4: https://today.uconn.edu/2019/04/papke-archaea/scott-chimileski-no-1/#