Bacillus subtilis

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Caratteristiche

Bacillus subtilis, conosciuto anche come bacillo del fieno o dei pascoli, è un batterio gram positivo appartenente al genere Bacillus. Il suo genoma presenta 4.214.810 paia di basi e contiene 4.100 geni utili alla codifica di specifiche proteine.

Tale batterio, comunemente presente nel suolo, non è un patogeno umano, infatti, anche se è in grado di degradare, contaminare e modificare gli alimenti, raramente causa intossicazione alimentare. Parliamo, inoltre, di un microorganismo notevolmente suscettibile alla manipolazione genetica e non pericoloso, ragion per cui è ampiamente adottato come modello per studi di laboratorio, in particolare sui comportamenti di sporulazione (via semplificata per seguire la differenziazione cellulare).

Filogenesi

DominioProkaryota
RegnoBacteria
PhylumFirmicutes
ClasseBacilli
OrdineBacillales
FamigliaBacillaceae
GenereBacillus
SpecieBacillus subtilis

Morfologia delle colonie

B. subtilis è un microorganismo aerobio obbligato a forma di bastoncello e flagellato. Esso ha la capacità di formare un corpo di protezione duro, una endospora di protezione, permettendo all’organismo di tollerare condizioni ambientali estreme.

Bacillus subtilis al microscopio ottico
Figura 1 – B. subtilis al microscopio ottico

Nelle culture con agar sangue, formano colonie di dimensioni pari a 2/4 mm che appaiono lisce, ruvide o mucose con i bordi che possono essere estesi nel mezzo o ondulati.

Bacillus subtilis in blood agar
Figura 2 – B. subtilis in blood agar

Spore

in specifiche condizioni, non ottimali per la crescita, può trovarsi sotto forma di spora (altrimenti detta endospora) vivendo in fase quiescente. In particolare, le spore vengono prodotte dal batterio mediante uno specifico processo definito come sporulazione che viene attivato nel momento in cui non è possibile sfruttare altre strategie di sopravvivenza. Pertanto, la sporulazione di B. subtilis è una risposta adattativa allo stress che comporta lo sviluppo di strutture biologiche essenziali per la salvaguardia della specie e la conservazione a lungo termine del materiale genetico.

Le endospore sono strutture specifiche prodotte da organismi procarioti in risposta a fattori di stress ambientale che creano condizioni di vita inadatte. Diversi fattori possono determinare questo fenomeno come temperature non ottimali e scarsa presenza di acqua o nutrienti. La produzione di endospore avviene tramite un complesso sistema di proteine deputato alla ricezione e alla trasmissione di segnali ambientali all’interno della cellula mentre, contemporaneamente, si verifica l’arresto della crescita vegetativa o della divisione cellulare.

Le spore vengono rilasciate rompendo la parete cellulare e si trovano in una fase quiescente in attesa di svilupparsi, attraverso il processo di germinazione, in presenza di nuove condizioni favorevoli. La formazione di endospore mature si realizza in 7-8 ore. Le endospore sono strutture in grado di proteggere il nucleo interno grazie ad una specifica organizzazione morfologica e alla presenza di particolari pigmenti: in caso di esposizione alle radiazioni (ad es. Raggi UV), infatti, possono essere attivati vari tipi di pigmenti utili per assorbire le radiazioni nocive e limitare i danni associati alla formazione di fotoprodotti che verranno successivamente riparati. 

struttura morfologica spore
Figura 3 – Struttura morfologica delle spore

La formidabile resistenza delle spore a stress specifici: raggi UV e variazione di temperatura

Le spore del Bacillus subtilis contengono piccole proteine solubili in acido (SASP proteins) ed esse rappresentano il 20% delle proteine totali presenti nelle spore. Tali proteine sono localizzate a livello del core e sono fondamentali per difendere il materiale genetico da possibili danni ambientali. Esistono varie tipologie di proteine SASP e tra queste le “SASP multiple” di tipo alfa/beta hanno dimostrato di poter conferire resistenza ai raggi UV, al calore, ai perossidi e ad altri trattamenti sporicidi.

Alcuni studi, basati sullo studio di ceppi mutanti in cui queste proteine non erano funzionanti, hanno evidenziato la loro azione durante l’esposizione a radiazioni UV in diversa lunghezza d’onda. Inoltre, alcune ricerche inerenti alla temperatura hanno mostrato come la sporulazione ad alte temperature possa influenzare il contenuto di acqua del nucleo della spora conferendo alla spora in formazione una resistenza al calore-umido molto più elevata. Nel contempo, è stato verificato che il contenuto di proteine SASP risulta essere identico in qualunque tipo di spora, indipendentemente delle condizioni in cui essa si è formata quindi tutte le spore di B. subtilis possiedono lo stesso, unico e straordinario meccanismo specifico di difesa.

La difesa generale in B. subtilis

La risposta generale allo stress (GSP – General stress response) prevede l’intervento di uno specifico fattore definito come Sigma B a cui è correlata la trascrizione di specifici geni coinvolti nella risposta allo stress. Questo tipo di risposta prende il nome specifico di “Sig.B-GSR” e conferisce al microrganismo una grande resistenza in condizioni di stress come l’esposizione ad alte o basse temperature, etanolo, sale, ossido nitrico e vancomicina oppure situazioni di stress in cui il batterio ricerca glucosio, fosfato e/o ossigeno.

L’attivazione del fattore sigma B è fortemente regolata grazie al meccanismo di “partner switching” in cui si osservano processi di fosforilazione e defosforilazione associati all’ intervento di specifiche proteine come RsbV (regolatore positivo) ed RsbW (regolatore negativo). Allo stadio di spora, invece, il microrganismo può attivare altri tipi di risposta. 

Patogenesi

B. subtilis è considerato innocuo per l’uomo, però, poiché si trova nel terreno e nell’intestino di alcuni animali, è possibile la contaminazione di alcuni alimenti.

Sono pochissimi i casi di avvelenamento causati da tale batterio e la maggior parte di essi si riferisce a pazienti debilitati, il cui sistema immunitario non è pienamente in grado di svolgere la sua funzione.

Decorso

Nei pochi casi di intossicazione alimentare da B. subtilis, i sintomi descritti sono simili all’avvelenamento generato dai batteri Bacillus cereus.
Tra i più eclatanti vi sono: stato febbrile, diarrea, nausea e malessere generale.

Metodi di identificazione

Le cellule di questi organismi sono di larghezza inferiore a 1 μm, presentano sporangio senza rigonfiamento e le spore sono di forma ellissoidale. Sono di solito mesofili per quanto riguarda la temperatura e neutrofili per quanto riguarda il pH di crescita, pur essendo spesso tolleranti a livelli di pH superiori.

Bacillus subtilis in nutrient agar
Figura 4 – B. subtilis in nutrient agar

Terapia

La prognosi è sempre positiva e la cura risulta prettamente sintomatica; molti pazienti non necessitano di alcun farmaco dal momento che i patogeni e le tossine vengono debellati facilmente in pochissime ore.

Articolo scritto da Giovanna Spinosa, aggiornato da Gennaro Velotto

Fonti

  • https://it.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis
  • https://www.microbiologiaitalia.it/batteriologia/le-super-spore-di-bacillus-subtilis-una-vita-interminabile/
  • https://academic.oup.com/femsec/article/13/3/159/655609
  • Kunst, F., et al. The complete genome sequence of the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis. Nature 390249–256 (1997). https://doi.org/10.1038/36786
  • The Intestinal Life Cycle of Bacillus subtilis and Close Relatives. Nguyen K., et al. Journal of Bacteriology Mar 2006, 188 (7) 2692-2700; DOI: 10.1128/JB.188.7.2692-2700.2006
  • Bacillus subtilis sporulation: regulation of gene expression and control of morphogenesis. J Errington. Microbiology and Molecular Biology Reviews Mar 1993, 57 (1) 1-33; 0146-0749/93/010001-33$02.00/0
  • General Stress Response. CHESTER W. PRICE. Bacillus subtilis and Its Closest Relatives: from Genes to Cells. Ed. by A. L. Sonenshein et al., 2002 ASM Press, Washington, D.C.
  • SigB-Dependent General Stress Response in Bacillus subtilis and Related Gram-Positive Bacteria. Michael Hecker et al. Annu. Rev. Microbiol. 2007. 61:215–36. DOI: 10.1146/annurev.micro.61.080706.093445
  • Roles of small, acid-soluble spore proteins and core water content in survival of Bacillus subtilis spores exposed to environmental solar UV radiation. Moeller R et al.  Appl Environ Microbiol. 2009 Aug; 75(16):5202-8. doi: 10.1128/AEM.00789-09. Epub 2009 Jun 19. PMID: 19542328; PMCID: PMC2725452.
  • Analysis of the properties of spores of Bacillus subtilis prepared at different temperatures E. Melly et al. Journal of Applied Microbiology 2002, 92, 1105–1115. https://doi.org/10.1046/j.1365-2672.2002.01644.x
  • Bacillus subtilis Spore Resistance to Simulated Mars Surface Conditions. Cortesao et al. Front. Microbiol., 26 February 2019. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00333

Giovanna Spinosa



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