Microrganismi termofili Thermoplasma: una vita al limite

Caratteristiche

I microrganismi termofili del genere Thermoplasma sono un gruppo di procarioti appartenente al dominio degli Archaea (regno Euryarchaeota), capaci di prosperare in ambienti caldi e acidi, analogamente al genere Picrophilus. In particolare, Il nome di questo genere di microrganismi deriva dal termine greco thermē e plasma, che significa “calore” e “sostanza fondamentale”, rispettivamente, atto a descrivere la natura estremofila di questi organismi.

Ad oggi, Sono state descritte due specie per questo genere: Thermoplasma acidophilum, scoperta in rifiuti di carbone e riportata per la prima volta nel 1970, mentre Thermoplasma volcanium, è stata inizialmente scoperta nei campi di solfatare presso l’isola di Vulcano (Italia) e successivamente riportata nel 1988.

Struttura cellulare dei microrganismi Thermoplasma

Similmente ad altri Archaea, essi mancano di una parete cellulare, tuttavia, possiedono tra i principali componenti della membrana citoplasmatica un lipopolisaccaride, costituito da una molecola di glicerolo (parte sinistra in verde) e catene di acidi grassi (catene colorate in blu), collegate medianti legami eterei (Ether linkage), a formare il lipide A, rivolto verso l’interno della membrana batterica. Inoltre, Il glicerolo lo troviamo legato ad uno zucchero (gruppo glucidico), rappresentato a sua volta da una catena polisaccaridica (R8) formata da unità ripetitive di glucosio e mannosio, a formare la parte polisaccaridica, sporgente verso l’esterno della membrana.

Figura 1 – Lipopolisaccaride della membrana di Thermoplasma. [Fonte: commons.wikimedia.com]

Anche se questi microrganismi termofili mancano di una parete cellullare, essi tuttavia presentano un citoscheletro ad avvolgere il citoplasma, caratterizzato da proteine MreB ed FtsZ, che rispettivamente indicano quelle proteine coinvolte nel conferimento della forma e nella citodieresi, in questo caso il meccanismo di riproduzione.

morfologia cellulare dei microrganismi termofili Thermoplasma
Figura 2- Morfologia cellulare di Thermoplasma. [Fonte: phylopic.org]

In conclusione, possiamo affermare che l’evoluzione di questa struttura cellulare ha permesso a questi microrganismi termofili di adattarsi straordinariamente bene a contesti estremamente ostili alla vita, stressati da un’elevata acidità, l’intenso calore e l’alta salinità.

D’altra parte, a parte le differenze tra i due, che risiedono nelle caratteristiche di habitat e del genoma, essi comunque condividono la struttura cellulare e il tipo di crescita. Infatti, richiedono un range di pH che va da 0.8-4.0 (pH acido) e un approssimativo range di temperatura che va dai 45-60°C. Nella maggior parte dei casi, la crescita avviene a pH ottimali di 1-2 e temperature di 59°C.

Filogenesi dei microrganismi termofili Thermoplasma

DominioArchaea
RegnoEuryarchaeota
PhylumEuryarchaeota
ClasseThermoplasmata
OrdineThermoplasmatales
FamigliaThermoplasmataceae
GenereThermoplasma

Genoma

Tra i due microrganismi termofili T. volcanium e T. acidophilum, il primo ha un genoma circolare di 1,58 megabasi (Mbp) con un totale di 1.613 geni, di cui 1.543 codificanti per proteine. In confronto, Il secondo presenta un genoma leggermente più piccolo, di 1,56 Mbp, con 1.478 geni codificanti per proteine.

Le pirimidine, basi complementari della guanina e citosina, assumono una grande importanza all’interno dei geni. Infatti, Il maggior numero di legami idrogeno che le collega, correlato positivamente alla temperatura, potrebbe indicare, secondo alcuni studi, una maggiore stabilità e resistenza alla degradazione del DNA. Tuttavia, non è stato trovato un legame diretto tra la temperatura ottimale di crescita e il contenuto di GC, quindi quest’ultimo non dovrebbe influenzare la temperatura di adattamento.

Potremmo immaginare che con una maggiore dimensione del genoma aumentino i legami idrogeno. Eppure, il contenuto di GC di T. acidophilum è superiore del 7% rispetto a T. volcanium, con valori rispettivi del 46,2% e 39,9%.

Di conseguenza, se tra i due microrganismi, T.volcanium ha meno legami idrogeno tra le pirimidine rispetto a T.acidophilum, il DNA del primo sarà più flessibile, facilitando i processi di trascrizione e traduzione. Al contrario, il DNA di T.acidophilum sarà più compatto e rigido. Nonostante queste differenze genomiche, entrambi i microrganismi Thermoplasma possono sopravvivere e riprodursi per scissione binaria a temperature estremamente elevate, motivo per cui sono definite estremofili.

Metabolismo

I microrganismi Thermoplasma possiedono un metabolismo chemolitrotrofico, un processo attraverso cui questi microrganismi ottengono energia ossidando composti inorganici. Questo significa che estraggono elettroni da composti come idrogeno gassoso (H₂), acido solfidrico (H₂S), zolfo elementare (S₀), ammoniaca (NH₃), nitrito (NO₂⁻) e ferro ferroso (Fe²⁺), trasferendoli poi a un accettore finale tramite una forza motrice protonica.

Figura 3 – Illustrazione del metabolismo chemolitrotrofico. [fonte: sgwebdigital.com]

Grazie a questa forza motrice, l’energia viene sintetizzata in modo uniforme per tutti i microrganismi. Tuttavia, ciò che varia è l’accettore finale nei contesti aerobici e anaerobici. In condizioni aerobiche, l’accettore finale è l’ossigeno, portando al noto fenomeno della respirazione cellulare. In ambienti anaerobici, invece, la cascata termina con lo zolfo come accettore finale, dando luogo al fenomeno della fermentazione.

Ecologia

Figura 4 – tipologia di habitat popolato da Thermoplasma.[Fonte: commons.wikimedia.org]

Da un punto di vista ecologico, questo genere di microrganismi termofili, da chemioorganotrofi, ottengono energia dai composti organici presenti in ambienti estremi come campi solfatarici o sorgenti geotermiche. Tra i vari composti disponibili, utilizzano principalmente il solfuro di idrogeno (H₂S) come sorgente di energia. Pertanto, il solfuro entra nella membrana cellulare tramite trasportatori specifici o per diffusione passiva. All’interno del citoplasma, un complesso enzimatico ossida il solfuro trasformandolo in solfato (SO₄²⁻), che funge da accettore finale degli elettroni e dopodiché essi possono scegliere di trarre energia da questo processo o espellere il solfato all’esterno della cellula tramite trasportatori specifici, mantenendo così l’equilibrio osmotico.

Metodi di identificazione dei microrganismi termofili

Per l’identificazione degli microrganismi termofili di Thermoplasma, si può ricorrere a diversi metodi diagnostici, tra cui:

  • Coltura cellulare: Effettuabile su un terreno sintetico con un pH acido, adatto alle loro condizioni ambientali.
  • Microscopia elettronica: Sono state rivelate così le caratteristiche tipiche di questi microrganismi, come la mancanza di parete cellulare ed un’unica membrana cellulare. Di particolare importanza è anche le crio-microscopia elettronica, in cui vengono congelate delle cellule nel loro ambientale naturale e ingrandite sotto la lente microscopica per ottenere una risoluzione nanometrica delle stesse.
  • Analisi molecolare: Utile per la distinzione dei ceppi di Thermoplasma, effettuata tramite PCR (Poymerase Chain Reaction ) e il sequenziamento del DNA.
  • Metodi biochimici: Gli studi possono identificare le specifiche attività metaboliche e caratteristiche chimiche delle membrane cellulari.

Fonti

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Ludovica Rosati

Dottoressa in Scienze della Natura, sono una naturalista affascinata dal complesso legame che unisce l'ecosistema in cui viviamo e il microbiota dell'essere umano.

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