Haloquadratum walsbyi:un microrganismo a forma di wafer

Caratteristiche

Haloquadratum walsbyi è un microrganismo alofilo appartenente al dominio degli Archea, al phylum degli Euryarchaeota e al genere Haloquadratum che letteralmente si traduce come “quadrato di sale“.

È un microrganismo abbastanza particolare e noto, sia per la caratteristica forma delle sue cellule (Fig.1) le quali appaiono piatte e quadrate o rettangolari (simili ad un wafer) sia per l’insolita capacità di prosperare in ambienti acquosi con elevate concentrazioni di sali (soprattutto NaCl e MgCl2).

Rappresentazione di cellule di Haloquadratum walsbyi
Figura 1 – Rappresentazione di cellule di Haloquadratum walsbyi

Filogenesi

DOMINIOArchaea
PHYLUMEuryarchaeota
CLASSEAlobatteri
ORDINEHalobacteriales
FAMIGLIAHalobacteriaceae
GENEREHaloquadratum
SPECIEHaloquadratum walsbyi

Genoma e metabolismo

Il genoma di Haloquadratum walsbyi è stato completamente sequenziato ed è costituito da un cromosoma lungo 3.132.494 bp e da un plasmide lungo 46.867 bp. 

Il contenuto di GC è costante in tutto il genoma ed è pari al 47,9%, una percentuale notevolmente più bassa rispetto a quella riscontrata in altri archea alofili, che di solito si aggira intorno al 60 -70%. Questo è particolarmente interessante poiché potrebbe rappresentare un adattamento evolutivo di H. walsbyi all’elevata concentrazione di MgCl2 a cui è esposto

È infatti noto che gli ioni Mg2+ hanno un effetto stabilizzante sul dsDNA, sulla struttura secondaria dell’RNA e sugli eteroduplex DNA-RNA. Nel caso di un genoma con un elevato contenuto di GC già stabile, l’effetto aggiuntivo del magnesio potrebbe provocare una rigidità del DNA interferendo con alcuni processi fondamentali come la replicazione e la trascrizione.

Una peculiarità del genoma di H. Walsbyi è la sua bassa attività codificante (76%) rispetto a quella di altri Haloarchaea (86-91%) e ciò è dovuto ad un elevato numero di regioni intergeniche costituite da frammenti di DNA non codificanti, elementi ripetuti e pseudogeni.

Particolarmente importante è la presenza di un gene lungo oltre 27.000 nucleotidi che codifica per una proteina molto grande (9159 a.a) chiamata alomucina (Hmu1). Quest’ultima è simile, nella sequenza amminoacidica e nell’organizzazione dei domini, alle mucine animali le quali svolgono un ruolo importante nella protezione di vari tessuti dall’essiccazione (ad es. nell’epitelio bronchiale e negli occhi) o in condizioni chimiche difficili.  

La presenza di una sequenza segnale N-terminale suggerisce che questa proteina viene escreta all’esterno attraverso la membrana. Inoltre l’alomucina contiene domini che agiscono come possibili siti di glicosilazione e solfatazione che possono incrementare ulteriormente la sua carica negativa complessiva creando così uno scudo acquoso che ricopre le cellule

H. walsbyi codifica anche per due proteine ​​più piccole analoghe all’alomucina, denominate Hmu2 (2885 aa) e Hmu3, (2079 aa) e per almeno 14 diversi omologhi della glicoproteina dello strato S.

Dal punto di vista metabolico gli Haloarchaea sono eterotrofi, in quanto utilizzano una vasta gamma di sostanze (aminoacidi e/o carboidrati) come fonti di carbonio ed energia. Sono aerobi o anaerobi facoltativi e utilizzano vari composti come accettori finali di elettroni.

Un’eccezione a questa regola è rappresentata proprio da Haloquadratum walsbyi. Questo microrganismo è rigorosamente aerobio ed utilizza solo l’ossigeno come accettore finale di elettroni.

Inoltre è in grado di metabolizzare soltanto piruvato e/o diidrossiacetone. H. walsbyi è in grado di crescere fototroficamente grazie all’azione di tre proteine fotoattive: due batteriorodopsine (BopI e BopII) che pompano protoni ( H+)e un’alorodopsina che pompa cloruri (Cl).

Immagini al microscopio

Attraverso la combinazione di diverse tecniche microscopiche è stato possibile evidenziare le caratteristiche morfologiche di Haloquadratum walsbyi.

Le cellule appaiono di forma quadrata o rettangolare, lunghe 2-5 µm e spesse 0,1– 0,2 µm; sono presenti vescicole di gas altamente rifrangenti, disposte ai lati, e nel citoplasma si individuano granuli di poli-idrossibutirrato, PHB (Fig.2).  

Immagine tomografica elettronica di una singola cellula quadrata di H.walsbyi. Ai bordi della cellula si trovano le vescicole di gas (GV), mentre i corpi circolari densi di elettroni sono polimeri di acido poli-3-idrossi-butirrico (PHB)
Figura 2 – Immagine tomografica elettronica di una singola cellula quadrata di H.walsbyi. Ai bordi della cellula si trovano le vescicole di gas (GV), mentre i corpi circolari densi di elettroni sono polimeri di acido poli-3-idrossi-butirrico (PHB)
 .

Questi granuli appaiono quasi tutti della stessa dimensione all’interno di una singola cellula, sono molto abbondanti e fungono da riserve di carbonio e di energia.

Una cellula di H.walsbyi con granuli di poliidrossibutirrato colorati con Nile Blue . A) cellula vista dall'alto; B) cellula vista lateralmente
Figura 3 – Una cellula di H.walsbyi con granuli di poliidrossibutirrato colorati con Nile Blue . A) cellula vista dall’alto; B) cellula vista lateralmente

La funzione delle vescicole contenenti gas, invece, è quella di garantire ai microrganismi di galleggiare nell’ambiente acquoso in cui vivono, ma anche di aiutarli a posizionarsi vicini e paralleli alla superficie dell’acqua, ottimizzando così l’assorbimento della luce da parte delle proteine fotoattive.

Le cellule possono aggregarsi tra loro per formare fogli larghi fino a 40 μm, ma le connessioni sono molto labili e possono essere facilmente interrotte. La superficie cellulare di Haloquadratum walsbyi è molto ampia rispetto al volume e ciò potrebbe facilitare lo scambio di nutrienti con l’ambiente esterno.

Mentre i microrganismi di forma sferica devono rimanere di piccole dimensioni per mantenere un rapporto s/v ottimale, quelli aventi forma quadrata possono diventare infinitamente grandi poiché questo rapporto dipende unicamente dal loro spessore che risulta essere sempre molto ridotto (0,1 – 0,5 μm ). 

Ecologia

Haloquadratum walsbyi è stato descritto per la prima volta dal professor Anthony Walsby nel 1980, anno in cui fu isolato da campioni d’acqua prelevati da pozze nel Sabkha Gavish, nel sud del Sinai vicino al Mar Rosso.

Microrganismi di questa specie si trovano frequentemente in acque ipersaline di tutto il mondo, compresi laghi salati naturali e stagni, e i loro pigmenti carotenoidi spesso conferiscono a tali acque un caratteristico colore rosa (Fig.4)

Rappresentazione di acque ipersaline in cui si riscontra frequentemente
Figura 4 – Rappresentazione di acque ipersaline in cui si riscontra frequentemente Haloquadratum walsbyi

Nei loro habitat naturali sono sottoposti a concentrazioni saline estremamente elevate (soprattutto di di MgCl2), un’elevata irradiazione solare e una ridotta disponibilità di ossigeno. Le proprietà igroscopiche degli ioni bivalenti Mg 2+ riducono drasticamente l’attività dell’acqua (Aw) un paramento che indica la disponibilità di molecole d’acqua libere per i processi biologici. Nonostante ciò la densità di popolazione è molto elevata e risulta essere pari a 10 7 cellule per ml.

Metodi di identificazione

Sebbene questo microrganismo sia stato scoperto nel 1980, per i successivi 25 anni, ha resistito a vari tentativi di isolamento. Tuttavia, nel 2004, due ceppi di Haloquadratum walsbyi sono stati isolati indipendentemente da una salina spagnola e da una salina australiana e coltivati in laboratorio.

Le cellule crescono in modo ottimale su mezzi di coltura contenenti concentrazioni di cloruri molto elevate (maggiori di 2 mol · L −1 di MgCl 2 e maggiori di 3 mol · L −1 di NaCl) ed impiegano circa 4-8 settimane per crescere su terreni solidi. Dopo 8 settimane, le colonie appaiono piccole (0,5–1,0 mm di diametro), convesse, rotonde, con bordo intero e di colore da rosso intenso a rosa.

In condizioni di crescita ottimali le cellule mostrano una perfetta forma quadrata o rettangolare, mentre in condizioni di ridotta salinità sono pleomorfe.

Livia Sabetta

Fonti

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Haloquadratum_walsbyi
  • https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1544339/
  • https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/ijsem/10.1099/ijs.0.64690-0?crawler=true
  • https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2015.00249/full
  • https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17267984/

Crediti immagini

  • Immagine in evidenza: https://www.flickr.com/photos/quadralectics/28087160605
  • Fig. 1 : https://imgur.com/gallery/elZxz/comment/56679528
  • Fig. 2 : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1544339/figure/F3/
  • Fig. 3 : https://www.frontiersin.org/files/Articles/134627/fmicb-06-00249-HTML/image_m/fmicb-06-00249-g002.jpg
  • Fig. 4 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1574-6968.12571

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