Methanospirillum hungatei

Caratteristiche

In tassonomia, con il termine Methanospirillum, si indica un insieme di microrganismi appartenenti alla famiglia delle Methanospirillaceae. Tutte le sue specie appartenenti a questo genere sono archea metanogeni e strettamente anerobici; Methanospirillum hungatei è la specie rappresentativa. Il suo nome deriva dal latino e onora il Dr. RE Hungate, inventore delle moderne tecniche di isolamento e coltivazione di batteri e archea strettamente anaerobici.

Grazie alla sua capacità di produrre metano, questo microrganismo è ampiamente utilizzato per il trattamento delle acque reflue e per la biodegradazione anerobica di rifiuti complessi. Nello specifico, durante questo processo interviene come membro terminale.

Tassonomia

Dominio	Archaea
Regno	Euryarchaeota
Phylum	Euryarchaeota
Classe	Methanomicrobia
Ordine	Methanomicrobiales
Famiglia	Methanospirillaceae
Genere	Methanospirillum
Specie	Methanospirillum hungatei

Genoma e metabolismo

Il genoma di M. hungatei (nello specifico del ceppo JF1) è stato completamente sequenziato, e allo stato attuale, risulta essere uno dei più grandi, se paragonato a quello di altri archea. Esso appare di forma circolare e ha dimensioni di 3.544.738 bp (Fig. 1). Il grande genoma di M.hungatei JF1 suggerisce la presenza di proprietà biochimiche / fisiologiche ancora sconosciute e che probabilmente si estendono anche ad altre Methanospirillaceae; queste includono la capacità di formare l’insolita struttura a guaina e di interagire con successo con i batteri sintofici.

*Figura 1- Mappa circolare grafica del cromosoma di M. hungatei (ceppo JF1)*

La sequenza genomica completa, depositata in GenBank, è costituita da 3.307 geni, di cui 3.239 codificano per le proteine.

Tra questi, circa il 61% (2.018 geni) codifica per proteine a funzione, mentre il restante 37% (1.221 geni) codifica per proteine a funzione ignota. Il contenuto di guanine e citosine è pari al 45% per questo organismo.

Da un punto di vista metabolico, gli organismi di questa specie sono metanogeni e idrogenotrofici. Questo vuol dire che richiedono anidride carbonica e idrogeno gassoso come substrati per la produzione di metano. Tuttavia possono anche utilizzare acetato o formiato come fonti di carbonio.

Nonostante M. hungatei non abbia esigenti richieste nutrizionali, l’aggiunta di casaminoacidi o altri prodotti di idrolisi vegetale / animale (al mezzo di coltura) può accelerare notevolmente la crescita.

Immagini al microscopio

Le cellule di Methanospirillum hungatei (Fig. 2) appaiono a forma di bastoncini ricurvi (spirilli) e sono debolmente mobili in quanto possiedono un ciuffo di flagelli polari. I flagelli non sono solo importanti per la motilità ma sono anche elettricamente conduttivi. Ciò significa che conferiscono ai microrganismi la capacità di scambiare elettroni con il loro ambiente extracellulare.

*Figura 2 – Micrografia a contrasto di fase di Methanospirillum hungatei. a) cellule isolate da una giovane coltura b) cellule che espongono la guaina c) singola cellula*

Le cellule di M.hungatei hanno dimensione di 0,4–0,5 × 7,4–10 μm e spesso formano filamenti ondulati lunghi dai 15 μm a diverse centinaia di micrometri.

La membrana plasmatica cellulare è costituita principalmente da proteine (45-50%), ma anche da glicolipidi tetraeteri bipitanildiglicerici (35-37%), e carboidrati (10-12%).

L’involucro cellulare include un rivestimento superficiale proteico, noto anche come strato S, che circonda la membrana citoplasmatica, ed una struttura più esterna, nota come guaina. Quest’ ultima appare come un lungo cilindro cristallino bidimensionale che incapsula più cellule, disposte in catene che possono raggiungere una lunghezza di 0,1 mm. Le cellule, all’interno della guaina, sono separate da setti aventi anch’essi una struttura cristallina (Fig. 3) .

*Figura 3 – Rappresentazione delle diverse componenti della guaina. In dettaglio S= guaina P= setto; AM=matrice amorfa; W= parete cellulare;*

Da un punto di vista funzionale, la guaina agisce come una sorta di regolatore di pressione in grado di espandersi all’aumentare della pressione interna conseguente alla produzione di metano. In questo modo, in seguito all’aumento della permeabilità della guaina, il metano prodotto può diffondersi all’esterno mentre anidride carbonica ed idrogeno possono diffondere verso l’interno della cellula.

Ecologia

I membri del genere Methanospirillum vengono spesso rilevati negli ecosistemi in cui la sintofia è essenziale. Nello specifico, M. hungatei è il partner modello in coculture sintofiche con Syntrophobacter wolinii (degradatore di propionato), Syntrophomonas wolfei ( degradatore di butirrato) , Syntrophus buswellii e Syntrophus aciditrophicus ( degradatori di benzoati )

Methanospirillum hungatei è stato isolato per la prima volta dai fanghi delle acque reflue, ma è ampiamente distribuito in vari habitat naturali.

La produzione di metano biogenico, ad opera di M.hungatei è di fondamentale importanza nel ciclo globale del carbonio ed è utilizzata per il trattamento di liquami ed altri rifiuti organici e per produrre biocarburanti dalla biomassa. Nello specifico la digestione anerobica di alcuni rifiuti, si ottiene mediante la cooperazione sintofica tra diversi tipi di microrganismi che si differenziano sia per i prodotti della loro azione, sia per il substrato sul quale operano. La digestione si sviluppa attraverso una prima fase di idrolisi dei substrati complessi, con conseguente acidificazione e formazione di acidi grassi volatili, chetoni ed alcoli; successivamente avviene la seconda fase acetogenica, nella quale a partire dagli acidi grassi si ha formazione di acido acetico, acido formico, biossido di carbonio ed idrogeno molecolare; infine si giunge all’ultima fase, quella in cui, a partire dai prodotti della fase precedente, si osserva la metanizzazione.

Oltre a ciò, recentemente è stata confermata la capacità di M.hungatei, di convertire il mercurio inorganico in metilmercurio, attraverso una reazione di metilazione. Il metilmercurio è una sostanza neurotossica che si accumula nelle catene alimentari acquatiche e rappresenta un grave rischio per la salute umana. La capacità di M. hungatei di metilare il mercurio si esplica soprattutto in ambienti anossici e carenti di minerali (solfati e ferro) ed è coerente con la presenza di geni di metilazione del mercurio (Hg) nel genoma di questo organismo.

Metodi di identificazione

I microrganismi, isolati nei loro habitat naturali, possono essere coltivati in laboratorio, in condizioni rigorosamente anaerobiche (80% H, -20% CO) ed utilizzando opportuni terreni di coltura.

La temperatura e il pH ottimali per la crescita di M. hungatei risultano essere comprese tra 37-45 ° C e 7,0-9,0 rispettivamente. Le colonie appaiono di colore giallo, di forma convessa con margini lobati.

Livia Sabetta