Sulfolobus acidocaldarius

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Caratteristiche

Sulfolobus acidocaldarius è un microrganismo termoacidofilo e strettamente aerobio appartenente al dominio degli Archea e al phylum dei Crenarchaeota. Isolato nel 1972, è la prima specie appartenente al genere Sulfolobus ad essere stata descritta da Thomas D. Brock e collaboratori.  Il nome stesso suggerisce alcune delle caratteristiche di questo microrganismo, ossia l’abilità a prosperare a temperature elevate (75 a 80 C°) e a pH estremamente acido (pH 2), la capacità di metabolizzare lo zolfo e la presenza di lobi.

In virtù di alcune somiglianze con gli eucarioti, Sulfolobus acidocaldarius è spesso utilizzato come modello per studi su proteine ​​leganti la cromatina, sulla replicazione e sul ciclo cellulare, sulla trascrizione, sulla traduzione e sul metabolismo. Oltre a ciò, il tasso di mutazione relativamente basso ha suscitato un grande interesse nella comprensione dei meccanismi messi in atto da questo microrganismo. Non a caso è stato utilizzato per lo studio sulla fedeltà genetica e tutt’oggi rappresenta l’unico archea ipertermofilo per il quale sono stati quantificati in vivo la velocità e il tipo di mutazione spontanea.

Filogenesi

Dominio Archaea
RegnoCrenarchaeota
PhylumCrenarchaeota
ClasseThermoprotei
OrdineSulfolobales
FamigliaSulfolobaceae
GenereSulfolobus
Specie Sulfolobus acidocaldarius

Genoma e metabolismo

Il genoma di Sulfolobus acidocaldarius consiste in un singolo cromosoma circolare lungo 2.225.959 bp. Il contenuto di G + C è del 37% e sono presenti ben 2.292 geni codificanti proteine. Tra questi 305 sono esclusivi di questo microrganismo, mentre 866 sono stati riscontrati in altri membri appartenenti al genere Sulfolobus, in particolare S. solfataricus e S. tokodaii (Figura 1).

Il grafico mostra il numero di geni condivisi tra S.acidocaldarius, S.solfataricus ed S. tokodaii . 
Il numero nero al centro denota il numero totale di geni differenti nei tre genomi.
Figura 1- Il grafico mostra il numero di geni condivisi tra S.acidocaldarius, S.solfataricus ed S. tokodaii . 
Il numero nero al centro denota il numero totale di geni differenti nei tre genomi.

Nel genoma sono presenti quattro elementi integrati (SA1- SA4) caratterizzati da ripetizioni terminali. Hanno dimensioni comprese tra 5,6 e 8,7 kb (SA1-SA3) mentre SA3 è lungo 32,5 kb. Ciascuno mostra un contenuto G + C del 39- 42%, una percentuale più elevata rispetto a quello del genoma.

SA3 è strutturalmente simile ad un plasmide di tipo pARN (Fig. 2) e contiene geni implicati nel processo di coniugazione plasmidica. Pertanto questo elemento potrebbe facilitare lo scambio intercellulare del DNA, una caratteristica unica di S. acidocaldarius.

Mappa genica della regione dell'elemento integrato SA3 simile ad un plasmide pARN. 
La regione cromosomica è allineata con la regione corrispondente di un plasmide pARN. 
I geni con colori identici sono omologhi.
Figura 2- Mappa genica della regione dell’elemento integrato SA3 simile ad un plasmide pARN. 
La regione cromosomica è allineata con la regione corrispondente di un plasmide pARN. 
I geni con colori identici sono omologhi.

La maggior parte dei geni codificano per enzimi coinvolti nel metabolismo. Per la crescita Sulfolobus acidocaldarius richiede substrati organici complessi, tra cui estratto di lievito, triptone ed un’ampia gamma di amminoacidi. Tuttavia, a differenza di altri membri del genere, richiede un numero limitato di zuccheri come fonti di carbonio. E’ in grado di metabolizzare maltosio, saccarosio, D-glucosio, D-galattosio, D-mannosio, L-fucosio D-arabinosio, L-arabinosio e D-xilosio, principalmente grazie all’azione di tre enzimi di cui dispone. Questi includono: un omologo dell’enzima batterico per degradare i poli (3-idrossialcanoati), un trasportatore speciale per malato e altri composti C4-dicarbossilici ed una diossigenasi, per la degradazione di composti aromatici semplici.

Il metabolismo del glucosio in S. acidocaldarius procede attraverso la via Entner-Doudoroff modificata, che genera piruvato senza produzione netta di ATP. L’ incapacità di crescere su ribosio e fruttosio, riflette invece la mancanza di trasportatori specifici per questi zuccheri.

Immagini al microscopio

Quando osservate al microscopio le cellule appaiono di forma sferica, generalmente irregolare, e sono presenti lobi. Il diametro cellulare è compreso tra 0,8-1 μm, ma non è raro riscontrare piccole variazioni dimensionali (Fig. 3) .

Immagine al microscopio di un microrganismo appartenente al genere Sulfolobus
Figura 3 – Immagine al microscopio di un microrganismo appartenente al genere Sulfolobus

Studi chimici hanno dimostrato che la parete cellulare è costituita da lipoproteine, piccole quantità di carboidrati ed esosammina. Il peptidoglicano è assente, mentre risultano presenti l’acido diaminopimelico e quantità irrisorie di acido muramico. 

Gli organismi sono mobili in quanto possiedono flagelli; tuttavia la motilità, varia a seconda della temperatura e in misura nettamente minore, del pH. Esperimenti condotti su popolazioni cellulari di S. acidocaldarius, infatti, hanno evidenziato che la maggior parte delle cellule (> 90%) sono mobili quando la temperatura è superiore ai 60 °C. Una minoranza è in grado di muoversi a temperature comprese tra i 45 e i 60 °C mentre non si osserva alcuna motilità quando la temperatura scende al di sotto dei 45 °C.

Una possibile spiegazione di questo fenomeno è che, a temperature inferiori ai 45 °C, la permeabilità della membrana cellulare di S. acidocaldarius si riduce drasticamente diminuendo a sua volta il flusso di protoni responsabile della generazione del movimento flagellare.

S. acidocaldarius è in grado di secernere microvescicole, indicate come Sa-MV. A differenza delle microvescicole (MV) rilasciate da batteri e cellule animali, che contengono centinaia di proteine ​​distinte, le Sa-MV hanno solo 29 proteine. Le specie proteiche più abbondanti sono quelle ​​dello strato S, che ne ricoprono la superficie. Anche la composizione lipidica è abbastanza insolita. I lipidi di Sa-MV sono esclusivamente tetraeteri mentre la maggior parte dei lipidi nelle MV dei mammiferi o dei batteri sono diesteri. Queste caratteristiche chimiche, unitamente alla stabilità e alla mancanza di citotossicità renderebbe le Sa-MV, validi strumenti da utilizzare per applicazioni biotecnologiche.

Ecologia

Essendo termoacidofili, gli organismi di questa specie abbondano in sorgenti calde, acide e ricche di zolfo ma anche in suoli termali. Non a caso si trovano frequentemente in luoghi come il Parco di Yellowstone (Parco Nazionale negli Stati Uniti, Fig.4) ma sono isolati anche in El Salvador, Dominica e sull’isola di Vulcano (in Italia) .

Rappresentazione del Parco di Yellowston, luogo in cui è stato isolato S.acidocaldarius
Figura 4 – Rappresentazione del Parco di Yellowston, luogo in cui è stato isolato S.acidocaldarius

In questi luoghi le temperature possono raggiungere e spesso superare i 70-80 °C e il pH si aggira intorno a valori compresi tra 2 e 3. Condizioni così estreme potrebbero rappresentare una minaccia soprattutto all’integrità genomica. E’ infatti noto che il DNA degli ipertermofili è particolarmente suscettibile soprattutto a reazioni di deaminazione e depurazione, e questi microrganismi devono possedere sistemi di riparazione del DNA rapidi ed efficaci.

Sulfolobus acidocaldarius non fa eccezione e ha a disposizione armi vincenti che gli consentono di prosperare in ambienti così ostili e di rimuovere eventuali danni al DNA. Queste includono la rimozione diretta del danno al DNA, la riparazione per escissione di basi, la riparazione per escissione di nucleotidi (NER) e la riparazione per ricombinazione.

Inoltre S. acidocaldarius codifica per un’endonucleasi che gli consente di riparare i danni indotti dalle radiazioni UV. Quest’ultima è presente anche nei batteri e in alcuni eucarioti. E’ invece assente in tutti gli Archea, ad eccezione di Haloarcula marismortui.

Oltre a ciò gli RNA messaggeri (mRNA) di Sulfolobus acidocaldarius hanno una breve emivita, simile a quella riscontrata nei batteri a crescita rapida. Questa caratteristica soddisfa la necessità di riprogrammare rapidamente l’espressione genica, e quindi la produzione di proteine utili, in caso di improvvisi cambiamenti nell’ambiente.

Metodi di identificazione

I microrganismi isolati nei loro ambienti naturali possono essere coltivati in laboratorio. Ad oggi, molti terreni di coltura, noti come “Brock Medium” sono utilizzati per la crescita dei membri del genere Sulfolobus e sono preparati facendo riferimento ad una formulazione pubblicata nel 1972 da Brock et al. Questi a loro volta hanno una composizione molto simili all’ “Allen Medium”, un terreno originariamente utilizzato per la coltivazione di Cyanidium caldarium, un’alga che vive in sorgenti calde acide. Si tratta di terreni complessi a base di idrolizzati proteici.

Per ovviare ad alcuni inconvenienti, un gruppo di ricercatori ha sviluppato un nuovo terreno di coltura, specifico per Sulfolobus acidocaldarius e lo ha denominato “VD Medium”.

Livia Sabetta

Fonti

Crediti immagini

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