Microorganismi alofili

Nel meraviglioso mondo dell’evoluzione oggi conosciamo i microorganismi alofili!

Gli alofili sono una classe di microorganismi che vivono in condizioni di elevata salinità. Fanno parte degli estremofili, cioè degli organismi in grado di popolare ambienti estremi.

Il primo microorganismo alofilo, Halanaerobium praevalens, venne isolato nel 1983 dai sedimenti del Great Salt Lake nello Utah.

Figura 1 - Disegno caricaturale, non realistico che rappresenta un microorganismo alofilo
Figura 1 – Disegno caricaturale, non realistico che rappresenta un microorganismo alofilo [Clean]

Le caratteristiche degli alofili

Gli alofili (batteri, alghe e funghi) popolano gli ecosistemi ipersalini del nostro Pianeta, come certi suoli, sorgenti, laghi, paludi, abissi; fino addirittura agli alofili endofiti che vivono dentro ad altri organismi.

Il nome deriva da alos– sale e –philos amante, letteralmente amante del sale. Per sali si intendono vari composti inorganici ma quello principalmente presente è il cloruro di sodio (NaCl). Infatti per crescere e proliferare questi organismi richiedono una concentrazione di sali minima pari a 60g ogni litro. Come confronto è utile considerare che la salinità media dei mari è di 35g ogni litro! Inoltre un microorganismo standard riesce a sopravvivere fino a circa 30 g di sali per litro.

Gli alofili si dividono in tre categorie in base alla concentrazione di sali ottimale per la crescita: blandi, moderati ed estremi. Gli alofili estremi sono di fatto alofili obbligati perché per sopravvivere hanno bisogno di una concentrazione minima di sali pari a circa 200g ogni litro e riescono a proliferare fino a 300g ogni litro!

Poi esistono i cosiddetti alotolleranti cioè microorganismi che tollerano la presenza di sali ma crescono bene anche senza.

Strategie di adattamento

Gli alofili sono microrganismi molto resistenti con basse richieste nutrizionali.

La sfida per questi microorganismi sta nel bilanciare la pressione osmotica generata dall’elevata quantità di sali dell’ambiente in cui vivono. Infatti, si determina uno squilibrio tra l’ambiente esterno ed interno della cellula che tenderebbe a richiamare acqua in uscita, disidratando la cellula stessa.

Gli alofili sopravvivono grazie alla cosiddetta aloaddattazione che prevede diverse strategie:

  • accumulo e sintesi di maggior quantità di soluti all’interno della cellula, per controbilanciare la pressione osmotica esterna (come zuccheri, aminoacidi, KCl, glicerolo);
  • modifiche strutturali delle membrane delle cellule a contatto con l’alta concentrazione di sali;
  • specifici adattamenti delle proteine (es. idratazione dei gruppi carbossilici, forte presenza di gruppi carichi negativamente, maggior propensione ad assumere certe strutture tridimensionali, come random coiled). Normalmente in presenza di alte quantità di sali le proteine tendono ad aumentare le interazioni idrofobiche. Gli adattamenti citati sopra permettono loro di mantenere stabilità e solubilità in un ambiente cellulare ricco di soluti.
Figura 2- Immagine di una cellula di microorganismo alofilo, delimitata da membrana (in blu) con in evidenza gli adattamenti per sopravvivere in ambiente ipersalino
Figura 2- Immagine di una cellula di microorganismo alofilo, delimitata da membrana (in blu) con in evidenza gli adattamenti per sopravvivere in ambiente ipersalino [Dutta et al]

Oltre la Terra

Nei tempi primordiali di sviluppo della vita sulla Terra, gli ambienti ipersalini sono stati uno dei primissimi stress chimici a cui gli organismi viventi hanno dovuto adattarsi.

Data la resistenza degli alofili all’essiccazione e alla carenza di nutrienti, gli astrobiologi ipotizzano la loro presenza su pianeti dall’ambiente ostile, come ad esempio Marte. Le sacche di acqua salata che si trovano al polo sud marziano potrebbero ospitare microorganismi alofili.

Ad esempio un batterio come Halorubrum chaoviator potrebbe sopravvivere nei bacini salati di Marte e resistere ai cicli periodici di congelamento e scongelamento. L’adattamento a questo tipo di condizioni potrebbe rappresentare una delle primissime firme della Vita.

Microorganismi alofili ed esseri umani

Il mondo degli alofili e degli essere umani si intreccia su vari piani.

Incredibilmente ci sono evidenze di microorganismi alofili anche nel microbioma dell’intestino umano. Infatti sono stati identificati nel 20% delle biopsie derivanti da colon. Sono prevalentemente del genere Halobacteriaceae e normalmente non causano infezioni nell’essere umano.

Nell’ambito della salute umana è importante identificare nuove molecole antibiotiche per evitare un ritorno all’era pre-antibiotica, dato che si verificano sempre più casi di inefficacia degli antibiotici attualmente in uso.

La prima molecola antibiotica isolata dagli alofili è stata l’alocina nel 1982. Prodotta dai batteri del genere Halobacterium, è in grado di uccidere per lisi altri batteri. Tuttavia l’azione sui patogeni umani è ancora in studio.

Tetragenococcus halophilus invece sembrerebbe avere una attività immunomodulatoria sull’organismo umano che potrebbe essere sfruttata nella cura della rinite allergica.

Figura 3- Un esempio di alocina, l'anguciclinone, prodotta dagli alotolleranti del genere Nocardiopsis. In studi preliminari mostra attività antitumorale e antibatterica.
Figura 3- Un esempio di alocina, l’anguciclinone, prodotta dagli alotolleranti del genere Nocardiopsis. In studi preliminari mostra attività antitumorale e antibatterica. [PubChem]

È da considerare infine che le attività umane hanno fornito nuovi habitat agli alofili. Infatti si possono trovare alofili nei cibi salati e nelle salamoie, in giacimenti petroliferi e concerie. Ad esempio, T. halophilus è stato trovato nella salsa di soia moromi in Giappone.

Non solo sale: i colori degli alofili

I microorganismi alofili producono vari tipi di pigmenti che servono per proteggere le cellule dai danni ambientali, come ad esempio lo stress ossidativo.

Alcuni producono carotenoidi (ad es. Halobacterium salinarum) o pigmenti rossi come la bacterioruberina (ad es. Rubrobacter radiotolerans o Haloferax volcanii).  È proprio grazie a questi pigmenti che alcuni laghi della Terra sono rosa!  È l’esempio del lago Retba (lago ad alto contenuto di sale) in Senegal, tinto di rosa dal carotene di un’alga alofila, la Dunaliella salina.

Figura 4- Foto del lago Retbal in Senegal
Figura 4- Foto del lago Retbal in Senegal [World]

La palette dei colori non si ferma qui! Infatti gli alofili producono anche dei pigmenti purpurei, come le molecole di retinale. Si specula sulla cosiddetta “Ipotesi della Terra viola”; infatti si ipotizza che circa 4 milioni di anni fa queste molecole colorassero di viola il Pianeta e permettessero agli alofili di sfruttare l’energia derivante dal sole (come oggi fa la clorofilla delle piante). I pigmenti purpurei da un lato consentono alla cellula di produrre energia chimica a partire dalla luce e dall’altro la proteggono dalle radiazioni blu, di elevata intensità, a cui è esposta nel suo ambiente naturale. Gli alofili, a differenza delle piante, sono in grado di ricavare energia anche dalla materia organica.

Più in dettaglio, il retinale si associa con delle proteine integrali di membrana, dando origine ad un complesso che prende il nome di batteriorodopsina. Può occupare fino al 50% della membrana batterica ed è quella che permette alla cellula di produrre energia a partire dalla luce. La batteriorodopsina venne isolata alla fine degli anni ’70 dal biochimico tedesco Oesterhelt, grazie ad una intuizione, dopo vari tentativi e studi infruttuosi insieme ad altri ricercatori.

Figura 5- Immagine che confronta la "Ipotesi della Terra viola" di 4 milioni di anni fa vs la situazione attuale
Figura 5- Immagine che confronta la “Ipotesi della Terra viola” di 4 milioni di anni fa vs la situazione attuale [Dutta et al]

Applicazioni industriali dei microorganismi alofili

La caratteristiche particolari degli alofili, adattati ad ambienti con condizioni estreme, li rendono interessanti per le applicazioni in processi industriali. Ad esempio le loro proteine stabili ad elevate pressioni osmotiche sono utili per applicazioni industriali, come i processi che richiedono enzimi. Alcuni alofili possono essere utilizzati per la produzione di biocarburanti come butanolo (genere Nesterenkonia) o biodiesel (genere Haloarcula). Inoltre sono utili anche nel contesto del biorisanamento, biofertilizzazione e biodegradazione dei rifiuti.

Molti sono ancora gli studi da condurre per scoprire e sfruttare a pieno le potenzialità dei microorganismi alofili.

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Chiara Debora Fanti

Mi chiamo Chiara e sono una Biotecnologa. Mi sono laureata prima in Biotecnologie e poi in Biotecnologie Industriali all'Università di Padova. Mi affascinano molti campi scientifici, tra cui in particolar modo la microbiologia. Mi è sempre piaciuto scrivere ed ora grazie a Microbiologia Italia posso scrivere di Scienza. Penso che la divulgazione sia di vitale importanza per ostacolare la diffusione di informazioni scorrette. Spero di poter dare il mio contributo per far uscire la Scienza dalla Torre d'Avorio in cui è rimasta rinchiusa per molto tempo.

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