Microrganismi che producono tossine: bacilli Gram-positivi

Generi Clostridium e Clostridioides

I clostridi sono batteri Gram-positivi a forma di bastoncello lunghi 1,5-20 μm, anaerobi obbligati, che sopravvivono in condizioni avverse, poiché sono in grado di produrre spore. Sono ubiquitari, poiché vivono nel suolo e nell’intestino degli animali. Le principali specie patogene per l’uomo sono qui di seguito elencate.

C. perfringens

microrganismi tossine bacilli Gram positivi della specie Clostridium perfringens.
Figura 1 – Cellule di Clostridium perfringens trattate con la colorazione di Gram e fotografate al microscopio ottico [Fonte: Public Health Image Library (PHIL)]

– può provocare gangrena gassosa, cellulite anaerobia, intossicazione alimentare e setticemia. Questo microrganismo produce diverse tossine a seconda dei ceppi, le più importanti di queste sono:

  • la tossina α, che uccide globuli rossi, piastrine e fibre muscolari, poiché degrada i fosfolipidi delle membrane cellulari; attacca anche le guaine mieliniche, perché può degradare anche sfingolipidi;
  • enterotossina, piccola proteina inattivata dal calore, che riconosce recettori sulle membrane delle cellule intestinali, forma pori su queste membrane, altera così i flussi di acqua e sostanze disciolte e provoca diarrea.

C. tetani

– infetta l’uomo quando, sotto forma di spore, i batteri penetrano nelle ferite cutanee. Dopo la germinazione delle spore, i batteri producono la tetanospasmina (o tossina tetanica) che diffonde fino al midollo spinale dove esprime la sua attività patogena. La tetanospasmina riconosce le sinapsi inibitorie, dove distrugge la sinaptobrevina, una proteina che serve a fondere le vescicole sinaptiche con la membrana del bottone sinaptico. Quindi, la mancata liberazione di neurotrasmettitori inibitori determina paralisi spastica. Se la paralisi coinvolge i muscoli della respirazione, allora la malattia causa la morte del soggetto.

C. botulinum

– provoca il botulismo, manifestazione della potente tossina botulinica. Questa tossina è prodotta dopo la germinazione delle spore e può determinare intossicazione alimentare, se prodotta su derrate alimentari. La tossina diffonde nell’organismo attraverso il sangue e raggiunge le placche motrici, laddove le cellule nervose comunicano con le cellule muscolari. Quindi la tossina penetra nei motoneuroni e degrada la proteina SNAP-25 coinvolta nella fusione delle vescicole sinaptiche con la membrana sinaptica. In tal modo non può più essere rilasciata l’acetilcolina e di conseguenza non avviene la corretta trasmissione del segnale alle fibre muscolari. Il risultato di questa azione è una paralisi flaccida. Come già affermato per la tossina tetanica, l’interessamento dei muscoli respiratori determina la morte dell’individuo.

Clostridioides difficile

C. difficile è responsabile della colite pseudomembranosa. Fa parte della flora intestinale e non dà sintomi finché rimangono attivi gli altri batteri, con i quali compete. In seguito a trattamenti che indeboliscono i competitori, C. difficile prende il sopravvento, si moltiplica e produce due tossine:

  • tossina A, un’enterotossina, che richiama i globuli bianchi e determina infiammazione,
  • tossina B, una citotossina, che arresta la sintesi proteica

I clostridi sono generalmente sensibili agli antibiotici, ma l’azione delle tossine tetanica e botulinica viene trattata attraverso la somministrazione di antitossine. Per uccidere le spore si ricorre all’autoclave.

Tossine prodotte da microrganismi bacilli Gram-positivi: Genere Bacillus

Il genere Bacillus comprende batteri Gram-positivi, a forma di bastoncello lunghi 1,2-10 μm, che producono spore. Possono vivere nel suolo, nell’acqua o nell’intestino degli animali. L’uomo può infettarsi attraverso le spore, nutrendosi delle carni di animali infetti o maneggiando prodotti di origine animale come lana e pelli oppure per inalazione. Le specie di maggior interesse medico sono Bacillus anthracis e Bacillus cereus.

microrganismi tossine bacilli Gram positivi della specie Bacillus anthracis.
Figura 2 – Cellule di B. anthracis contenute nel liquido cerebrospinale, trattate con la colorazione di Gram e osservate al microscopio ottico [Fonte: Jernigan et al., 2001]

B. anthracis provoca il carbonchio, una malattia che nella sua forma cutanea si manifesta attraverso ulcere scure, circondate da aree infiammate arrossate rigonfie di liquido, chiamate edemi. La forma polmonare e quella gastroenterica sono meno frequenti, ma più pericolose. Infatti, se non curata tempestivamente con antibiotici, la malattia si rivela letale. La tossina del microrganismo bacillo Gram positivo B. anthracis non è data da una singola proteina, ma dall’azione coordinata di tre fattori.

  • fattore protettivo (riconosciuto dagli anticorpi), si lega ad alcuni recettori delle membrane delle cellule dell’ospite e qui, in seguito all’azione di una proteasi, si aggrega formando gruppi di sette proteine uguali. Questi gruppi di sette legano gli altri due fattori tossici e gli permettono di entrare nel citoplasma.
  • fattore edemigeno, si lega al complesso calcio-calmodulina formando una adenilato-ciclasi. L’aumento anomalo di AMP ciclico determina la fuoriuscita di ioni e acqua dal citoplasma. Il liquido riversato negli spazi intercellulari costituisce l’edema.
  • fattore letale, distrugge le proteine MAPKK, implicate nella crescita e nella differenziazione cellulare e provoca la morte delle cellule colpite.

B. cereus è responsabile di intossicazioni alimentari di due tipi, dovute all’azione di due diverse tossine:

  • tossina emetica, assunta con l’alimento, provoca il vomito;
  • tossina diarroica, prodotta dai batteri e dalle spore che raggiungono l’intestino (tossinfezione), provoca diarrea acquosa.

Tossine prodotte da microrganismi bacilli Gram-positivi: Listeria monocytogenes

Cellule di Listeria monocytogenes osservate al microscopio ottico
Figura 3 – Cellule di Listeria monocytogenes osservate al microscopio ottico [Fonte: www.msevans.com]

Le listerie sono batteri Gram-positivi, fatti a forma di bastoncello, lunghi 0,5-2 μm, dotati di flagelli. Sono ampiamente diffusi nell’ambiente e possono contaminare gli alimenti. Listeria monocytogenes provoca la listeriosi, una malattia che colpisce inizialmente il tubo digerente con dolori addominali, diarrea e disidratazione, ma poi attraverso la circolazione, invade vari distretti del corpo, compreso il sistema nervoso, dando mal di testa, irrigidimento del collo e ingrossamento dei linfonodi. I soggetti più a rischio, a causa di questa malattia, sono i pazienti con il sistema immunitario più debole e le donne incinte. Il microrganismo bacillo Gram positivo agisce dapprima facendosi inglobare dalle cellule, e poi aggirando la fagocitosi, attraverso l’attività delle sue tossine:

  • listeriosisina O, che riconosce il colesterolo e forma pori sulla membrana dell’endosoma;
  • due fosfolipasi (PlcA e PlcB), che degradano i fosfolipidi della membrana dell’endosoma.

La malattia viene curata mediante antibiotici, come ampicillina e penicillina.

Tossine prodotte da microrganismi bacilli Gram-positivi: Corynebacterium diphtheriae

Cellule di Corynebacterium diphtheriae osservate al microscopio ottico
Figura 4 – Cellule di Corynebacterium diphtheriae osservate al microscopio ottico [Fonte: www.lecturio.com]

I corinebatteri sono Gram-positivi di forma allungata e sottile con le estremità fatte a clava e lunghi 1,5-8 μm. Possono vivere nel suolo, nell’acqua e su animali ospiti. Si trasmettono all’uomo tramite contatto o attraverso l’aria. Corynebacterium diphtheriae provoca la difterite, una malattia caratterizzata da un’infiammazione della faringe che si ricopre di una pseudomembrana grigiastra. Questo microrganismo, bacillo Gram positivo, produce la tossina difterica, che blocca la sintesi proteica nelle cellule dell’ospite, poiché modifica la proteina EF-2, e causa la morte cellulare. La diffusione della tossina nell’organismo determina danni al cuore e al sistema nervoso. Gli individui affetti da difterite sono messi in isolamento e curati con antibiotici e attraverso la somministrazione di anticorpi, che riconoscono la tossina difterica.

Virus

La capacità di produrre molte delle tossine citate qui e nei due precedenti articoli della serie “Microrganismi che producono tossine” (Batteri Gram-negativi e cocchi Gram positivi*inserire link*) sono trasmesse ai batteri da virus batteriofagi. Invece di produrre nuove unità virali e uccidere il batterio, i batteriofagi possono mettere in atto il ciclo lisogeno. Nel ciclo lisogeno il batteriofago inserisce il suo materiale genetico nel genoma batterico, così mentre il batterio si riproduce, esso genera nuove copie del DNA virale.

Su questo DNA può essere presente l’informazione per sintetizzare una tossina che protegge il batterio e con esso anche il virus. In condizioni avverse per la riproduzione del batterio, il genoma del batteriofago si attiva allo scopo di produrre nuove unità virali. Il batterio, non più utile alla causa del batteriofago, viene ucciso liberando quindi nuovi batteriofagi, pronti ad infettare altri batteri. Le particelle virali possono anche contenere pezzi di DNA batterico e fungere semplicemente da vettore trasmettendo la capacità di produrre tossine ad altri batteri che non ne sono capaci.

Fonti

  • Brook I. Isolation of toxin producing Clostridium difficile from two children with oxacillin- and dicloxacillin-associated diarrhea. Pediatrics. 1980 Jun;65(6):1154-6.
  • Schiavo G, Rossetto O, Montecuco C. Le basi molecolari del tetano e del botulismo. Le Scienze. 1993 Dec;304:40-8.
  • Lamont JT. Theodore E. Woodward Award. How bacterial enterotoxins work: insights from in vivo studies. Trans Am Clin Climatol Assoc. 2002;113:167-81.
  • Giorgio Poli, Alessandra Cocilovo, Paola Dall’Ara, Piera Anna Martino, Wilma Ponti, Microbiologia e Immunologia Veterinaria – Seconda Edizione, 2005 UTET S.p.A, ISBN 978-88-02-07034-6
  • Vilnay Kumar, Abul K. Abbas, Jon C. Aster, Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease – 9th Edition, 2015 Saunders Elsevier Inc., ISBN 978-1-4557-2613-4
Crediti Immagini
  • Immagine in evidenza: https://it.vecteezy.com/arte-vettoriale/1102758-batteri-con-monster-facce-on-bokeh-sfondo
  • Figura 1: https://phil.cdc.gov//PHIL_Images/2995/2995_lores.jpg
  • Figura 2: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Gram_Stain_Anthrax.jpg
  • Figura 3: https://www.msevans.com/cnsinfections/listeria-gs.jpg
  • Figura 4: https://cdn.lecturio.com/assets/Micrograph-of-Corynebacterium-diphtheriae.jpg
Foto dell'autore

Sascha Greguoldo

Sono Sascha Greguoldo, laureato in Scienze Biologiche all'Università di Padova e sono appassionato di Microbiologia e Divulgazione Scientifica

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