Attinomiceti

Caratteristiche

Gli Attinomiceti (Actinobacteria) raffigurano una delle più grandi unità tassonomiche tra i principali lignaggi attualmente riconosciuti nel dominio Bacteria. Si tratta di batteri Gram-positivi aerobi, anaerobi obbligati o facoltativi, con un alto contenuto di guanine e citosine nel loro genoma. Questi microrganismi erano considerati forme di transizione tra batteri e funghi; in effetti, come i funghi filamentosi, molti Attinomiceti formano il micelio, e un cospicuo numero di questi Attinomiceti miceliali si riproduce mediante sporulazione. Tuttavia, sono da considerarsi batteri per la mancanza di mitocondri e membrana nucleare; tra l’altro, si replicano per scissione, sono sensibili alle penicilline e alle tetracicline, e la loro parete cellulare contiene acido muramico.

Immagini al microscopio ottico di alcuni Attinomiceti: A) Actinomyces israelii; B)  Corynebacterium durum; C) Nocardia asteroides; D) Mycobacterium kansasii; E) Streptomyces sp.; F) Bifidobacterium bifidum
Figura 1 – Immagini al microscopio ottico di alcuni Attinomiceti: A) Actinomyces israelii; B) Corynebacterium durum; C) Nocardia asteroides; D) Mycobacterium kansasii; E) Streptomyces sp.; F) Bifidobacterium bifidum

Gli Attinomiceti (in modo particolare gli streptomiceti) sono generalmente saprofiti, organismi che risiedono nel suolo e trascorrono gran parte del loro ciclo vitale come spore semidormienti, soprattutto in condizioni in cui il nutrimento è limitato. Tuttavia, il phylum si è adattato a un estesa varietà di ambienti ecologici: sono presenti anche nell’acqua dolce e salata, e nell’aria. Sono più abbondanti nei terreni che in altri elementi naturali, specie nei terreni alcalini e in quelli ricchi di materia organica, dove costituiscono un parte rilevante della popolazione microbica.

Gli Attinomiceti si possono trovare sia sulla superficie del suolo e sia in profondità, a più di due metri; anche se solitamente sono infissi nel terreno e quindi immobili, alcuni possono muoversi grazie alla presenza di flagelli. Hanno la capacità di attaccare composti organici di bassa biodegradabilità come idrocarburi, lignina, humus e diversi fitofarmaci.

Dal punto di vista fisiologico ed ecologico, una consistente porzione degli Attinomiceti sono aerobi, ma esistono anche Attinomiceti anaerobi, tra cui abbiamo Bifidobacterium, Propionibacterium e Actinomyces.

Per quanto concerne il nutrimento, gli Attinomiceti termofili sono chemioeterotrofi obbligati e prosperano su materia organica in decomposizione (animali morti e materiali vegetali). Tuttavia, alcuni Attinomiceti termofili sono chemioautotrofi obbligati, come Streptomyces thermoautotrophicus e Acidithiomicrobium sp., i quali crescono solo su CO₂+H₂ e zolfo rispettivamente. Tra gli Attinomiceti termofili sono state osservate ulteriori modalità nutritive come chemioautotrofia facoltativa (Strepyomyces G26) e metiltrofia facoltativa (Amycolatopsis methanolica). La diversa fisiologia metabolica facilita la colonizzazione in distinte zone topografiche; la prevalenza di Attinomiceti termofili è stata documentata in luoghi che vanno dalla steppa desertica della Mongolia all’area subtropicale dell’Argentina. Gli Attinomiceti trovati in questi ambienti crescono velocemente e sono sporigeni. Le spore prodotte sono di tipo termodurico e stabili alle temperature più elevate per lunghi periodi, in certi casi persino per vari giorni.

La maggioranza degli Attinomiceti sono chemioeterotrofi e in grado di utilizzare una notevole quantità di sostanze nutritive, tra cui vari polisaccaridi complessi. Gli Attinomiceti possono essere abitanti del suolo o degli ambienti acquatici (StreptomycesMicromonosporaRhodococcus, and  Salinispora), vivere in simbiosi con le piante (Frankia spp.), proteggere le piante da funghi patogeni (Streptomyces globisporus), essere patogeni di piante o animali (CorynebacteriumMycobacteriumNocardia) o commensali gastrointestinali (Bifidobacterium spp).

La densità di popolazione degli Attinomiceti dipende dal loro habitat e dalle condizioni climatiche prevalenti. Tipicamente sono presenti a densità dell’ordine di 106 a 109 cellule per grammo di suolo; le popolazioni del suolo sono dominate dal genere Streptomyces, che costituisce oltre il 95% dei ceppi di Attinomiceti isolati dal terreno. Altri fattori che influenzano la loro crescita sono la temperatura, il pH e l’umidità della terra. Come altri batteri che popolano il terriccio, gli Attinomiceti sono maggiormente neutrofili, con crescita ottimale a temperature tra 25° e 30°. Ciononostante, gli actinomiceti termofili possono crescere a temperature che variano da 50° a 60°. Nel suolo la crescita vegetativa degli Attinomiceti è favorita dalla bassa umidità, specialmente quando le spore sono immerse nell’acqua. Nei terreni aridi, dove la tensione dell’umidità è maggiore, la crescita è assai limitata e può essere arrestata. Quasi tutti gli Attinomiceti si sviluppano in terreni a pH neutro, e il pH per una crescita migliore è tra 6 e 9, con crescita massima intorno alla neutralità. Tuttavia, una piccola quantità di ceppi di Streptomyces sono stati isolati da terreni acidi (pH 3.5).

Gli Actinomiceti del genere Streptomyces giocano un ruolo importante nell’ecologia del suolo grazie alla loro abilità di recuperare nutrienti tra gli scarti e, in particolare, di idrolizzare un’ampia pluralità di polisaccaridi complessi (cellulosa, chitina, xilano e agar) e altre macromolecole naturali. Il ciclo vitale, come quello di tutti gli Attinomiceti sporigeni, si compone di due parti:

  • Riproduzione vegetativa, che inizia con la germinazione di una spora che cresce per formare le ife vegetative, dopodiché un processo di crescita ifale e ramificazione dà origine a un micelio vegetativo ramificato, il quale è infisso nel terreno. Non avviene la produzione di spore.
  • Riproduzione con la formazione di spore, che si verifica in condizione avverse, per esempio quando i nutrienti scarseggiano. Il micelio vegetativo si differenzia in strutture sporogene di forma eretta chiamate micelio aereo; questo produce delle spore unicellulari, i conidi, che si trovano alle estremità delle ife. Questi conidi possono essere singoli o raggruppati in catenelle.
Ciclo vitale degli Attinomiceti sporigeni
Figura 2 – Ciclo vitale degli Attinomiceti sporigeni

Gli Attinomiceti filamentosi (specialmente Streptomyces) sono in grado di sprigionare nel terreno la geosmina, un composto biciclico che ha la particolarità di conferire, anche a basse concentrazioni, un intenso sentore di terra, fungo e muffa. La geosmina, che letteralmente significa in “odore di terra”, è un composto organico con un marcato sapore e aroma di terra, è responsabile del gusto terroso delle barbabietole, e contribuisce al forte odore che si verifica in aria quando piove dopo un periodo di tempo asciutto (petricore), o quando il suolo viene disturbato. Il naso dell’essere umano è estremamente sensibile alle geosmina e riesce a rilevarla a concentrazioni più basse a 5 parti per trilione.

La geosmina

La geosmina viene rilasciata nel momento in cui i microorganismi che la sintetizzano (Actinobacteria e cianobatteri) muoiono. Quelle comunità il cui approvvigionamento di acqua proviene da acque di superficie possono periodicamente avere episodi di acqua dal sapore sgradevole, quando un forte calo della popolazione di questi batteri rilascia quantità di geosmina nella rete idrica locale.

La geosmina è anche responsabile dell’odore di fango nei pesci di fondale delle acque dolci, come la carpa e il pesce gatto. Dal momento che si dissolve in condizioni di acidità, l’impiego di aceto e altri ingredienti acidi nelle ricette di pesce consente di ridurre il sapore di melma.

In uno studio del 2006, Jiaoyang Jiang, Xiaofei He e David E. Cane hanno dimostrato la possibilità di biosintetizzare la  geosmina grazie a un enzima  bifunzionale di Streptomyces coelicolor, ovvero la germacradienolo/germacrene D sintasi (codificata dal gene SCO6073), che converte il farnesil difosfato in geosmina in una reazione a due fasi.

Streptomyces coelicolor è il rappresentante tipo di un gruppo di organismi del suolo, con un ciclo di vita complesso che implica la crescita miceliale e la formazione di spore.

La struttura molecolare della geosmina e una lista di batteri che la producono
Figura 3 – La struttura molecolare della geosmina e una lista di batteri che la producono

Filogenesi

DominioProkaryota
RegnoBacteria
PhylumActinobacteria
ClasseActinobacteria

Tassonomia

Le principali caratteristiche usate per delineare la tassonomia degli Attinomiceti nei livelli di genere e specie sono la morfologia microscopica e la chemiotassonomia. Quest’ultima è collegata alla composizione della parete cellulare (presenza/assenza di specifici isomeri ottici dell’amminoacido chirale 2,6-acido diaminopimelico (DAP); il peptidoglicano può includere LL-DAP o DL-DAP, a seconda del genere) e dalla distribuzione degli zuccheri nell’intera cellula (arabinosio, galattosio, xilosio), benché anche la disposizione dei fosfolipidi e il tipo di menachinone (vitamina K) possano essere presi in considerazione ai fini della messa a punto. Gli Attinomiceti esibiscono una vasta molteplicità di morfologie, che differiscono soprattutto in base alla presenza o assenza del substrato miceliale o del micelio aereo, al colore del micelio, alla produzione di pigmenti melanoidi diffusibili, e alla struttura e all’aspetto delle spore.

Più recentemente la classificazione chimica e morfologica degli Attinomiceti è stata sfidata dai dati di tassonomia molecolare, molti dei quali sono stati ottenuti grazie al rapido avanzamento del sequenziamento del genoma. In particolare, alcuni organismi che erano stati collocati in maniera inappropriata in determinati gruppi tassonomici sono stati riclassificati sulla base delle analisi molecolari.

Un esempio è la definizione finale di Kitasatospora come un genere dissimile nella famiglia Streptomycetaceae. Il sequenziamento genomico ha risolto un lungo dibattito riguardante la relazione di questo gruppo con il genere Streptomyces e alla fine si è dimostrato essere un genere diverso. Attualmente nuove specie non possono essere affermate senza l’analisi genetica basata sul sequenziamento del gene codificante per l’RNA ribosomiale 16S, e sull’ibridazione DNA-DNA. I criteri fondati sulla composizione chimica e molecolare sono stati impiegati per raggruppare l’ordine Actinomycetales in 14 sottordini: Actinomycineae, Actinopolysporineae, Catenulisporineae, Corynebacterineae, Frankineae, Glycomycineae, Jiangellineae, Kineosporineae, Micrococcineae, Micromonosporineae, Propionibacterineae, Pseudonocardineae, Streptomycineae, e Streptosporangineae. In aggiunta a ciò, il sequenziamento del gene 16S rRNA ha portato all’identificazione di 39 famiglie e 130 generi.

Albero filogenetico basato su 97 sequenze genomiche degli Attinomiceti
Figura 4 – Albero filogenetico basato su 97 sequenze genomiche degli Attinomiceti

Gli ordini appartenenti al phylum Actinobacteria sono Rubrobacterales, Acidimicrobiales, Solirubrobacterales, Coriobacterales, Bifidobacterales e Actinomycetales.

Elenco di alcuni generi rappresentativi del phylum con una breve descrizione:

  • Actinomyces: bacilli anaerobi obbligati o facoltativi, commensali del tratto respiratorio superiore, del tratto gastroenterico e dell’apparato genitale femminile. In caso di danneggiamento delle normali barriere mucose, possono provocare le actinomicosi, infezioni purulente e croniche granulomatose che si presentano in forme diverse (cervico-facciali, toraciche, addominali, uterine e generalizzate).
  • Arthrobacter: aerobi obbligati, capaci di liquefare lentamente la gelatina. Residenti comunemente nel suolo, la caratteristica che li distingue in maggior misura da altri batteri del terreno è il ciclo di replicazione in cui nelle colonie più giovani appaiono come Gram-negativi di forma bastoncellare, e Gram-positivi di forma coccica nelle colonie più vecchie.
  • Bifidobacterium: bacilli asporigeni, anaerobi, commensali dell’intestino umano aventi proprietà probiotiche come attività antimicrobica verso i patogeni, sintesi di acidi grassi a catena corta, attività idrolasica sui sali biliari.
  • Corynebacterium: bacilli asporigeni, aerobi, alcuni sono componenti del microbiota umano (C. mastitidis, C. striatum, C. amycolatum), altri sono causa di malattie (C. diphteriea, che provoca la difterite, C. glucuronolyticum, responsabile di infezioni del tratto genitourinario)
  • Dietzia: batteri aerobi, asporigeni, catalasi positivi, con la parete cellulare contenente soprattutto arabinosio e galattosio. Le specie D. cinnamea, D. maris e D. papillomatosis sono state isolate da campioni di pazienti con infezioni acute, mentre le tre specie restanti (D. kunjamensis, D. natronolimnaea e D. psychralcaliphila) sono state isolate dall’ambiente.
  • Frankia: raffigura l’unico genere di attinomiceti che fissano l’azoto, possono essere distinte dalla loro abilità di entrare in simbiosi con varie angiosperme legnose, formando i noduli radicali chiamati actinorrize.
  • Leifsonia: batteri asporigeni, bastoncellari o filamentosi, mesofili e catalasi positivi. Il loro strato di peptidoglicano contiene acido DL-2,4-diaminobutirrico. I membri di questo gruppo sono stati isolati da nicchie ecologiche, comprese piante, terreni, acqua distillata, ghiacciai dell’Himalaya e stagni antartici.
  • Micrococcus: batteri coccici, aerobi obbligati, catalasi positivi e asporigeni. Sono microorganismi saprofiti, e si trovano principalmente nelle acque dolci o nel suolo. M. luteus, M. roseus e M. varians sono tra le specie più comuni.
  • Micromonospora: ampiamente distribuiti in natura, sono endofiti naturali dei noduli di radice, anche se la natura e il meccanismo dei loro effetti sullo sviluppo e la produttività delle piante non è ancora chiaro.
  • Mycobacterium: i batteri di questo gruppo sono bacilli asporigeni e aerobi che condividono una membrana contenente diversi polimeri polisaccaridici come acido micolico, arabinogalattano e lipoarabinomannani, che li rendono alcol acido-resistenti. Sono in genere saprofiti che vivono liberi, e rappresentano gli agenti di un ampio spettro di patologie, tra cui tubercolosi (M. tuberculosis, M. bovis), ulcera del Buruli (M. ulcerans), lebbra (M. leprae).
  • Nocardia: gruppo di batteri catalasi positivi, aventi una parete cellulare simile ai micobatteri contenente acido tubercolostearico, acido meso-diaminopimelico, arabinosio, galattosio, trealosio. Debolmente acido-resistenti, sono agenti causativi di infezioni a livello broncopolmonare in pazienti immunodepressi, e di infezioni cutanee.
  • Propionibacterium: questo gruppo include varie specie appartenenti al microbiota cutaneo umano (P. acnes, P. avidum, P. granulosum). Il P. acnes è un bacillo catalasi positivo, asporigeno e anaerobio, onnipresente sulla cute umana, in prevalenza nei follicoli sebacei. È responsabile dell’acne e dei punti neri, e può comportarsi da patogeno opportunista.
  • Rhodococcus: questo gruppo è formato da batteri aerobi, immobili e asporigeni. Sono simbionti (R. rhodnii), patogeni di animali (R. equi), piante (R. fascians) ed esseri umani (R. equi, R. rhodochrous e R. erythropolis). R. equi è la specie che più probabilmente agisce da patogeno polmonare nei cavalli giovani e negli individui con HIV. R. rhodnii vive in simbiosi con la triatomina Rhodnius prolixus, il principale vettore del flagellato Trypanosoma cruzi.
  • Salinispora: è il primo genere di Actinobacteria che richiede l’acqua di mare per crescere. È largamente distribuito nei sedimenti marini tropicali e subtropicali, e comprende tre specie (S. arenicola, S. pacifica, e S. tropica).
  • Streptomyces: come abbiamo già descritto sopra, rappresentano il genere di attinomiceti più abbondanti e importanti nel terreno, dove sono maggiormente coinvolti nel ciclo del carbonio intrappolato in detriti organici insolubili, specialmente da piante e funghi. Tale azione è avviene grazie al rilascio di diversi esoenzimi idrolitici. Inoltre, sono i chimici più competenti in natura e producono una sorprendente moltitudine e varietà di metaboliti secondari bioattivi, di conseguenza sono di grande interesse nell’industria e nella medicina.
  • Thermobifida: batteri aerobi, non acido-resistenti, che formano un micelio estesamente ramificato. Sono moderatamente termofili e agiscono come i maggiori degradatori delle pareti delle cellule vegetali nei materiali organici riscaldati come mucchi di concime organico, fieno in decomposizione, cumuli di letame, o terreni di crescita dei funghi.

Bioattività degli Attinomiceti

Gli Attinomiceti termofili e alcalofili sintetizzano una serie di enzimi che vengono prodotti commercialmente e impiegati nelle industrie di tutto il mondo. Tra questi abbiamo:

  • Le amilasi (prodotte da Thermomonospora viridis TF-35 e Thermomonospora curvata), usate nei detergenti, per la cottura al forno, nell’industria tessile, nella pasta di legno per la realizzazione della carta;
  • Le proteasi (prodotte da Saccharomonospora viridis SJ-21 e Nocardiopsis prasina HA-4), impiegate nei detergenti, in ambito farmaceutico, nella preparazione della birra e nella lavorazione del cuoio;
  • Le xilanasi (prodotte da Thermomonospora fusca, Kocuria sp. RM1 e Streptomyces sp. Ab 106), utilizzate nella cottura al forno, nella produzione della carta e degli alimenti per gli animali;
  • Le destranasi (prodotte da Streptomyces sp. NK458), usate nelle fabbriche dello zucchero
  • Le laccasi (prodotte da Thermobifida fusca BCRC 19214), usate nella creazione delle tinte per capelli e nel trattamento delle tinture tessili;
  • Le cheratinasi (prodotte da Actinomadura keratinilytica Cpt29 e Thermomonospora curvata), impiegate nell’industria del cuoio e nella farmaceutica;
  • Le nitrile idratasi (prodotte da Pseudonocardia thermophila JCM 3095), usate nella fabbricazione dell’acrilamide.

Oltre agli enzimi citati sopra, in questo phylum di batteri vediamo la sintesi di un vasto assortimento di secondi metaboliti, tra cui antiossidanti, composti antinfiammatori, ed enzimi clinicamente importanti. Gli antiossidanti sintetizzati dagli Attinomiceti termofili e alcalofili sono la melanina (Streptomyces lusitanus, Streptomyces D5), l’acido ferulico (Thermobiphida fusca PU13-3) e la cantaxantina (Dietzia sp. K44). La melanina è un pigmento prodotto a partire dall’amminoacido tirosina mediante l’enzima tirosinasi, un’ossidasi rame-dipendente. Nei batteri questa molecola gioca un ruolo chiave nella difesa del DNA contro radiazioni e gli intermedi reattivi dell’ossigeno, e lega i metalli pesanti tossici. L’acido ferulico è un acido carbossilico e un componente della lignina, che è legata ai polisaccaridi mediante legami esteri; la formazione avviene in seguito all’idrolisi della lignina da parte dell’enzima feruloil esterasi. Poiché è capace di inibire la xantina ossidasi, trova impiego negli studi di laboratorio per delucidare vari aspetti del metabolismo dell’acido urico e malattie ad esso associate, quali la gotta. La cantaxantina è un pigmento cheto-carotenoide ampiamente diffuso in natura; è stato isolato per la prima volta nei funghi commestibili, ma è presente anche in alghe verdi, batteri e crostacei.

Alcuni enzimi rilevanti a livello clinico sono stati individuati negli Attinomiceti termofili, per esempio Streptomyces sp. MCMB-379 e Streptomyces megasporus SD5, i quali producono enzimi fibrinolitici che dissolvono i coaguli, e per tale ragione possono essere usati al fine di ridurre il rischio di aterosclerosi, infarto e ictus. L’asparaginasi (sintetizzato da Streptomyces thermoluteus subsp. fuscus NBRC 14270) è un noto enzima antitumorale che inibisce la proliferazione cellulare incontrollata idrolizzando l’amminoacido asparagina richiesto per le cellule tumorali che si dividono rapidamente; è impiegato nel trattamento della leucemia. Un altro enzima clinicamente importante è la vitamina D3 idrolasi (prodotto da Pseudonocardia autotrophica), che converte il colecalciferolo nella sua forma biologicamente attiva, il calcitriolo. Il colecalciferolo è una forma inattiva generata a partire dal 7-deidrocolesterolo nell’epidermide attraverso la reazione eterociclica sull’irradiazione della luce ultravioletta. Un ulteriore enzima fondamentale è l’aldoso reduttasi, che catalizza la conversione del glucosio in sorbitolo attraverso la via metabolica dei polioli. Un eccessivo accumulo di sorbitolo causa diabete e altre complicanze come la retinopatia e la neuropatia. Un inibitore YUA001 era stato identificato nell’alcalofilo Corynebacterium sp., e agisce come un potente bloccante dell’aldoso reduttasi. Le due specie termofile, Thermomonospora alba e Thermobifida alba producono composti come la topostatina e l’isoaurostatina rispettivamente. Questi agiscono come inibitori della DNA topoisomerasi e interferiscono in processi cellulari come replicazione, trascrizione e traduzione dei virus, e pertanto possono funzionare come potenti antivirali.

Rimanendo nell’ambito medico, bisogna sottolineare che gli Attinomiceti occupano una posizione prominente nei programmi di scoperta dei farmaci, dal momento che producono un’ampia gamma di metaboliti secondari bioattivi con diversità chimica senza precedenti. Di questi batteri è conosciuta la sintesi di una grande varietà di farmaci antitumorali e antibiotici utili a livello clinico, come la bleomicina (antibiotico dei glicopeptidi, è prodotto da Streptomyces verticillus), l’actinomicina D (appartenente alla famiglia degli antibiotici citotossici, è prodotta da Streptomyces parvullus), la doxorubicina, la mitramicina (prodotta da Streptomyces argillaceus, S. plicatus e S. tanashiensis), la mitomicina (prodotta da Streptomyces caespitosus), la daunomicina (appartenente alla famiglia delle antracicline, è prodotta da Streptomyces coeruleorubidus e S. peucetius), l’azinomicina B (prodotta da Streptomyces sahachiroi), l’aclarubicina (antraciclico, prodotto da Streptomyces galilaeus), la pentostatina (analogo della deossiadenosina, è prodotto da Streptomyces antibioticus). Non possiamo non citare la Kedarcidina, il superantibiotico antitumorale della cromoproteina, isolato nel 1992 dagli Attinomiceti del suolo dell’India; questo farmaco è efficace contro batteri antibiotico-resistenti, è in grado di danneggiare il DNA e determinare il clivaggio enzimatico degli istoni.

Schema delle bioattività degli Attinomiceti
Figura 5 – Schema delle bioattività degli Attinomiceti

Le prospettive della scoperta di farmaci da specie di Attinomiceti non sfruttate stanno attirando l’attenzione per la loro potenziale risposta ai problemi di farmaco-resistenza nella terapia tumorale. Gli approcci di bioprospezione estesa come lo screening ad alto rendimento, le nuove tecniche di fermentazione, l’estrazione del genoma per vie criptiche, e la biosintesi combinatoria nel programma di scoperta dei farmaci antitumorali possono essere impiegati al fine di valorizzare gli Attinomiceti per la loro potenziale applicazione nella terapia del cancro.

La bioprospezione degli Attinomiceti termofili rappresenta un ampio pool di biomolecole di rilevanza industriale e farmaceutica. La loro elevata abbondanza e versatilità metabolica offrono una nuova strada per il biorisanamento di inquinanti e residui organici. La crescente domanda industriale di biomolecole ed enzimi stabili in ambiente alcalino richiede maggiori ricerche sull’isolamento, la caratterizzazione e la bioprospezione di nuovi Attinomiceti alcalofili. L’uso di approcci metagenomici farà luce sui nuovi generi di Attinomiceti non coltivabili e sui loro geni in ambienti caldi e alcalini. Ci si aspetta che la disponibilità di sequenze genomiche di Attinomiceti alcalofili e termofili incoraggi i microbiologi e i biotecnologi a optare per l’estrazione genica che potrebbe portare alla scoperta di nuove biomolecole.

Si ringrazia Lorenzo Tramontana per il gentile contributo

Fonti

Immagini al microscopio

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