Deinococcus radiodurans, il batterio resistente alle radiazioni

Recentemente abbiamo sentito parlare del lancio del razzo Falcon 9 frutto della collaborazione tra Nasa e SpaceX rappresentando solo uno dei tanti programmi che porteranno l’uomo a spingersi oltre la troposfera. Ovviamente in questa nuova fase della corsa allo spazio, i microrganismi hanno un ruolo importante per comprendere come questi possano rispondere all’ambiente extra-terrestre, per poterli utilizzare nei futuri insediamenti umani che nasceranno sul nostro vicino satellite o sul pianeta rosso.

Progetto Tanpopo

L’ambiente extra-terrestre è un’ambiente ostile per qualsiasi forma di vita poiché caratterizzato dalla presenza di radiazioni solari e cosmiche, ampie fluttuazioni di temperatura, essicazione, congelamento e microgravità. Tuttavia da come è emerso dai risultati ottenuti dal progetto EXPOSE (2008 – 2015) effettuati sulla Stazione Spaziale Internazionale, con l’obiettivo di sottoporre diversi organismi a caratteristiche ambientali simili a quelle marziane, esistono microrganismi capaci di sopravvivere e adattarsi a condizioni estreme. Tra questi non ci sono solo batteri sporigeni come Bacillus subtilis, ma anche semi, licheni e batteri termofili che non formano spore come Deinococcus geothermalis.

Un altro progetto ha mostrato dei risultati interessanti, in particolare il progetto Tanpopo uno dei primi esperimenti di astrobiologia che ha l’obiettivo di valutare la possibilità che la vita sulla Terra sia arrivata dall’ambiente extra-terrestre attraverso dei corpi celesti (panspermia).
Sono sei i sotto-temi affrontati dall’esperimento:

  • Cattura di microbi nello spazio,
  • Esposizione di microbi nello spazio,
  • Esposizione di composti organici nello spazio,
  • Cattura di micrometeoridi nello spazio,
  • Valutazione dell’areogel a bassissima densità progettato per la missione,
  • Cattura di detriti spaziali presso l’orbita della stazione spaziale internazionale.
 Modulo Kibo presente sulla Stazione Spaziale Internazionale dove si sono svolti gli esperimenti che hanno coinvolto  Deinococcus radiodurans
Figura 1 Modulo Kibo presente sulla Stazione Spaziale Internazionale

Per la cattura dei detriti è stata utilizzato un panello con al di sopra un aereogel a bassa densità posizionato sul modulo Kibo (a sinistra) attaccato ad un braccio robotico. Inoltre alcuni batteri sono stati posizionati su una piattaforma ExHAM (Experiment Handrail Attachment Mechanism) sul corrimano del modulo giapponese della Stazione Spaziale Internazionale, iniziato tra gli anni 2014/2015 con una durata di 1 – 3 anni, per valutare la risposta di alcuni batteri terrestri all’ambiente spaziale. (Figura 1)

Deinococcus radiodurans

D. radiodurans è un cocco, venne isolato da Arthur W. Anderson per la prima volta nel 1956, ha un diametro compreso tra gli 1,5 – 3 µm, solitamente si organizza in una tetrade e non è un batterio mobile. Vive in habitat ricchi di materiale organico come terra, feci o nelle fognature, ma è possibile isolarlo anche nei cibi disidratati, nelle polveri casalinghe, negli strumenti medici e nei tessuti. Tuttavia non sembra essere capace di indurre alcuna patologia nell’uomo. È un batterio Gram-positivo, estremofilo ed ha la capacità di resistere alla disidratazione, al vuoto e a condizioni di freddo estremo ma tra queste sue proprietà quella significativa è la sua resistenza alle radiazioni ionizzanti e ai raggi ultravioletti, che gli è valso anche il titolo di “forma di vite più resistente alle radiazioni“. (Figura 2)

Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di D. radiodurans
Figura 2Immagine al microscopio elettronico a trasmissione
di
D. radiodurans

Le cellule di Deinococcus radiodurans sono state inserite all’interno di un involucro di silicio capace di schermare radiazioni non superiori ai 190 nm. Il batterio è stato analizzato presso i laboratori della Tokyo University of Pharmacy and Life Science, del German Aerospace Center, del Vienna Metabolomics Center dell’Università di Vienna e del Center for Microbiome Research presso la Medical University Graz. I risultati ottenuti dallo studio degli effetti dell’esposizione del batterio Deinococcus radiodurans sono sorprendenti, soprattutto a livello cellulare e molecolare.

Filogenesi

DominioProkaryota
RegnoBacteria
PhylumDeinococcus-Thermus
OrdineDeinococcales
GenereDeinococcus
SpecieD. radiodurans
Tabella 1 – Filogenesi di D. radiodurans

I meccanismi molecolari alla base della resistenza alle radiazioni

D. radiodurans nonostante i meccanismi di riparazione siano simili a quelli di E. Coli presenta una resistenza 50 volte maggiore ai raggi ionizzanti e 33 volte maggiore ai raggi UVC. Tra i vari studi effettuati si osserva come D. radiodurans si concentri nella protezione delle proteine oppure tramite l’uso di piccoli complessi orto-fosfato-manganese che tendono a diminuire la quantità di radicali dell’ossigeno in seguito ad esposizione prolungata ai raggi ionizzanti. In questo studio le cellule disidratate sono state esposte per un anno al di fuori della Stazione Spaziale Internazionale e successivamente sono stati esaminati le proteine, i metaboliti e i trascritti per capire quali siano state le risposte iniziali all’esposizione e quali sono gli strumenti utilizzati dal batterio per far fronte ad un livello così alto di radiazioni.

 D. radiodurans accumula trasportatori e mostra una maggiore abbondanza di proteasi, proteine di riparazione dell'escissione dei nucleotidi e una maggiore biosintesi delle poliamine.
Figura 3D. radiodurans accumula trasportatori e mostra una maggiore abbondanza di proteasi, proteine di riparazione dell’escissione dei nucleotidi e una maggiore biosintesi delle poliamine.

Dall’analisi del proteoma risultano più abbondanti proteine di trasporto e quelle dotate di attività catalitica come anche la maggior parte delle proteine responsabili del meccanismo di riparazione dell’escissione dell’endonucleasi UvrABC. Mentre dall’ analisi del trascrittoma emerge l’aumento di RNA messaggeri (mRNA) codificanti per proteine che hanno attività catalitica o di trasporto.

L’aumento di proteine di trasporto insieme ad una maggiore attività delle vescicole può rientrare tra i meccanismi utilizzati dal batterio per alleviare lo stress, non solo attraverso l’eliminazione dei rifiuti ma anche per il reclutamento di nutrienti per la riparazione del DNA. Dal punto di vista metabolico, si osserva un aumento della sintesi di poliammine e l’aumento di proteine coinvolte nel sistema di riparazione dovuto all’esposizione a raggi ultra violetti (UV). Urv A trasporta Urv B dove insieme ad UrvC si occupano di eliminare la regione di danno, lì dove è avvenuto.(Figura 3)

Fonti

  • https://www.media.inaf.it/2020/11/06/deinococcus-radiodurans-iss/
  • Molecular repertoire of Deinococcus radiodurans after 1 year of exposure outside the International Space Station within the Tanpopo mission” Emanuel Ott, Yuko Kawaguchi, Denise Kölbl, Elke Rabbow, Petra Rettberg, Maximilian Mora, Christine Moissl-Eichinger, Wolfram Weckwerth, Akihiko Yamagishi & Tetyana Milojevic. Microbiome volume 8, Article number: 150 (2020)
  • “Investigation of the Interplanetary Transfer of Microbes in the Tanpopo Mission at the Exposed Facility of the International Space Station” Yuko Kawaguchi, Shin-Ichi Yokobori, Hirofumi Hashimoto, Hajime Yano, Makoto Tabata, Hideyuki Kawai, Akihiko Yamagishi. Astrobiology. 2016 May;16(5):363-76.
  • “Ultraviolet radiation on the surface of Mars and the Beagle 2 UV sensor.” M.R. Patela, J.C. Zarneckia, D.C. Catlingb. Planetary and Space Science 50 (2002) 915 – 927
  • ” Tanpopo Experiment for astrobiology exposure and micrometeoroid capture onboard the ISS-JEM exposed facility”. H. Yano, A. Yamagishi, H. Hashimoto, S. Yokobori, K. Kobayashi, H. Yabuta, H. Mita, M. Tabata, H.Kawai, M. Higashide, K. Okudaira, S. Sasaki, E. Imai, Y. Kawaguchi, Y. Uchibori, S. Kodaira and the Tanpopo Project Team. 45th Lunar and Planetary Science Conference (2014)
  • “Studies on a radio-resistant micrococcus. I. Isolation, morphology, cultural characteristics, and resistance to gamma radiation, in Food Technol.” A W Anderson, H C Nordan, R F Cain, G Parrish, D Duggan. Vol. 10, n. 1, 1956, pp. 575–577.

Ismael Sanchez Polanco

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