Batteri e Cobamidi: il loro legame nei processi microbici

I microrganismi che presiedono nel nostro organismo interagiscono con le molecole circostanti influenzando la fisiologia dell’individuo e le loro stesse funzioni. In questa ricerca viene analizzata l’interazione tra i batteri e le Cobamidi, strutture contenenti cobalto. Studiare i legami tra microrganismi e strutture molecolari, può aiutare a capire e intervenire nei processi microbici che influiscono sulla salute umana (figura 1).

Figura 1 - Comunità batterica
Figura 1 – Comunità batterica

Le Cobamidi

Le Cobamidi sono vitamine, conosciute per la loro fondamentale funzione di nutrienti, come la Cobalamina. Tali vitamine, oltre a contribuire a processi metabolici, incidono sull’impatto ambientale mediante metanogenesi, produzione di tossimetilmercurio e decontaminazione delle acque.

Possiamo differenziare le Cobamidi in tre gruppi, in base alla loro struttura chimica, in particolare al lignado inferiore: benzimidozoile, purinil e fenolil cobamidi (figura 2). Le differenze strutturali delle vitamine alimentano l’interesse per approfondire il ruolo di esse nelle interazioni microbiche.

Figura 2 - A. Struttura della Cobalamina (vitamina B12) B. Tre classi strutturali di leganti
Figura 2 – A. Struttura della Cobalamina (vitamina B12) B. Tre classi strutturali di leganti

Cofattori catalici, le Cobamidi anche a basse concentrazioni possono influenzare la crescita microbica. Molti batteri si associano ad altre specie per assimilare i cofattori poichè prodotti da batteri ed archea. Quindi è noto che per condividere le Cobamidi, si formano interazioni microbiche.

La selettività

La selettività delle Cobamidi è data dalla struttura del ligando inferiore. Nel caso del Dehalococcides mccartyi, può respirare solventi clorurati mediante benzimidazolil-cobamidi, ma non con il fenolil-cobamidi; Sporomusa ovata per la sua crescita su fonti di carbonio, richiede fenolil-cobamidi ed è inibita da benzimidazolil-cobamidi.

Non sono ancora chiari gli effetti di tutte le Cobamidi sul metabolismo, ma si evince che la selettività di queste vitamine per gli organismi è molto importante nelle interazioni microbiche. Infatti, l’effetto inibitorio del fenolil-cobamide sulla crescita del D.mccartyi, può indurre a dinamiche competitive in un’interazione microbica.

A volte la selettività delle Cobamidi può incidere sull’espressione genica. L’espressione dei geni metabolici è regolata da fattori di trascrizione, ma i primi meccanismi di regolazione dei geni correlati al metabolismo delle Cobamidi nei batteri, sono riboswitch (elementi non tradotti dagli mRNA) che legando direttamente le Cobamidi, influenzano l’espressione genica. I riboswitch hanno la capacità di riconoscere piccole differenze strutturali tra le Cobamidi. Questo sistema ha facilitato i ricercatori, i quali individuando le sequenze selettive per i riboswitch, hanno integrato risposte di regolazione genica attraverso diverse Cobamidi.

In laboratorio

Per studiare la condivisione di nutrienti e le interazioni microbiche, si utilizzano colture di due o più microrganismi. Un modello molto conosciuto è la co-coltura di alghe e batteri, ove la Cobalamina è prodotta dai batteri in cambio di carbonio dalle alghe.

Vediamo alcuni esempi di interazioni:

  • In una sospensione di alghe Lobomonas rostrata con il batterio Mesorhizobium lati, la condivisione di Cobamidi è essenziale per la crescita di entrambi (Figura 3A);
  • L’Ameba predatrice LPG3, per il suo nutrimento, richiede sia prede cianobatteriche che un co-isolato batterico, che produca Cobalamina. L’Ameba non può usufruire della pseudocobalamina prodotta dal cianobattero. Il V. cholerae può convertire pseudocobalamina in cobalamina, quindi diventa una buona alternativa per il nutrimento dell’Ameba (Figura 3B).
Figura 3 - A. Interazione tra alghe Lobomonas rostrata e il batterio Mesorhizobium lati; B .V. cholerae può convertire pseudocobalamina in cobalamina, per il nutrimento dell'ameba predatrice
Figura 3 – A. Interazione tra alghe Lobomonas rostrata e il batterio Mesorhizobium lati; B .V. cholerae può convertire pseudocobalamina in cobalamina, per il nutrimento dell’ameba predatrice

La maggior parte dei microrganismi utilizza le Cobamidi, per questo gli scienziati hanno elaborato l’idea di poter usufruire delle vitamine per manipolare la composizione della comunità microbica.

In situ

Per quanto sia facile studiare la struttura delle vitamine e il loro metabolismo, rimane un ostacolo: la comprensione degli ambienti chimici, degli habitat che influenzano indirettamente le vie metaboliche (Figura 4). Infatti, l’ambiente chimico di un microrganismo, nel suo habitat naturale, può alterare la sua fisiologia, a differenza di ciò che accade in laboratorio.

Figura 4- Differenza tra ciò che accade in interazioni microbiche create in laboratorio, con quello che succede negli habitat naturali dei microrganismi
Figura 4 – Differenza tra ciò che accade in interazioni microbiche create in laboratorio, con quello che succede negli habitat naturali dei microrganismi

In ambienti differenti, i batteri possono sintetizzare diverse vitamine, poichè l’incorporazione di ligandi inferiori nella struttura, non dipende solo dalla selettività degli enzimi biosintetici, ma anche dalla disponibilità di basi leganti esogene.

Conclusioni

La diversità strutturale e funzionale di tali vitamine, le rende un valido strumento naturale per incidere sul metabolismo e sulla crescita batterica. Questo sistema rappresenta un mezzo sia per modulare la composizione e la funzione di una comunità batterica, sia un modello per esaminare interazioni microbiche, semplificando l’accesso alle risposte sulla vita batterica.

Veronica Nerino

Fonte

  • Sharing vitamins: Cobamides unveil microbial interactions – Sokolovskayaet al.,Science369, 48 (2020)3 July 2020

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