Microorganismi barofili

Siamo abituati a pensare al Pianeta Terra come ad una casa accogliente che ha favorito lo sviluppo della vita in ogni sua forma. Tuttavia, esistono luoghi del nostro Pianeta, cosiddetti estremi, ben lontani dall’essere ospitali. Si può pensare ad esempio ai fondali oceanici, alle zone vicino a fonti termali, ad ambienti molto acidi o con una elevata salinità o addirittura inquinati. Dato che l’evoluzione non smette mai di meravigliarci, per ognuno di questi ambienti, esistono forme di vita adattate a proliferarvi.

Panoramica di alcuni ambienti estremi: fondali oceanici, ambienti freddi, ambienti con emissioni di zolfo, zone idrotermali, ambienti ad alta salinità
Figura 1 – Panoramica di alcuni ambienti estremi: fondali oceanici, ambienti freddi, ambienti con emissioni di zolfo, zone idrotermali, ambienti ad alta salinità [Credit: Extream Tour]

Una categoria di estremofili: i barofili

Gli organismi che vivono in condizioni estreme per pH, salinità, temperatura e altro vengono detti estemofili. Una particolare categoria di estremofili sono i microorganismi barofili o piezofili, adattati a vivere in ambienti caratterizzati da un’alta pressione atmosferica. Entrambi questi termini derivano dal greco: baropeso, piezopressione e filoamare, letteralmente si traduce in amanti del peso, amanti della pressione.

Immagine al microscopio elettronico di un microorganismo barofilo.
Figura 2 – Immagine al microscopio elettronico di un microorganismo barofilo [Credit: Kato C. et al]

È tutta una questione di pressione

La pressione superficiale sulla Terra è pari ad 1 bar, ciò significa che, se siamo sul livello del mare, la massa d’aria che si trova sopra la nostra testa, esercita un carico di 1.033 grammi per centimetro quadrato. Noi non ci accorgiamo di questo peso poiché ci siamo evoluti in queste condizioni e dunque siamo abituati. Inizieremmo, tuttavia, ad avvertirlo se ci trovassimo su un altro pianeta, come ad esempio Venere, che ha una pressione superficiale di circa 93 bar, quasi cento volte maggiore di quella della Terra. Ammesso di riuscire a sopravvivere alle altre condizioni estreme del pianeta, saremmo schiacciati al suolo dall’altissima pressione. Eppure, non è necessario viaggiare su Venere per trovare queste condizioni di pressione, basta tuffarsi ad 1 km sotto il livello del mare. Infatti, la pressione aumenta di circa 1 bar ogni 10 metri di immersione, il che significa che ad 1 km, troveremo una pressione idrostatica di 100 bar.

Le caratteristiche dei barofili

Ora vi starete chiedendo: ma chi, o meglio cosa, può vivere nelle profondità oceaniche? Sicuramente non noi essere umani, dato che le nostre orecchie si tappano solo ad immergersi sul fondo di una piscina olimpionica. Eppure ci sono altri organismi evoluti per quel tipo di ambiente, alcuni tra questi sono proprio i microorganismi barofili! La seconda domanda che sorge spontanea è: come riescono a vivere in questi ambienti? Sono in grado di vivere in questi ambienti poiché hanno messo in atto delle strategie adattative, ovvero modifiche sia di metabolismo che di strutture cellulari. Ad esempio, la membrana che avvolge il singolo microorganismo è composta da particolari acidi grassi, gli omega 3, che ne modificano la fluidità, stabilizzandola alle alte pressioni. Posseggono un metabolismo altamente flessibile ed enzimi e proteine con caratteristiche strutturali diverse.

Quando si parla di barofili, ci si può riferire a microorganismi barofili o piezofili in senso stretto, la cui crescita è quindi favorita in condizioni di elevata pressione. Oppure ci si può riferire ai cosiddetti piezotolleranti, ovvero batteri in grado di crescere a pressioni elevate ma che non richiedono queste condizioni per una crescita ottimale, dunque possono crescere anche a pressioni inferiori.

Shewanella violacea: un esempio di microorganismo barofilo

S. violacea è un batterio barofilo, trovato nei sedimenti oceanici della fossa delle Ryūkyū, vicino al Giappone, ad una profondità di circa 5 km sotto il livello del mare. Descritto per la prima volta, nel 1998, da alcuni microbiologi giapponesi, fa parte del genere Shewanella ed è stato denominato violacea per la colorazione viola che assume se cresciuto su un particolare terreno di coltura, il marine agar. Si tratta di un batterio di forma bastoncellare e dotato di flagello, in grado, quindi, di muoversi. Le sue condizioni di crescita ideali sono ad 8°C e a 300 bar, è un anaerobico facoltativo, cioè normalmente cresce in assenza di ossigeno ma può crescere anche in presenza di questo gas. Inoltre, la sua membrana è stabilizzata da un acido grasso, appartenente alla famiglia degli omega 3, l’acido eicosapentaenoico (EPA). Queste molecole di EPA, intercalandosi tra i fosfolipidi del doppio strato della membrana cellulare, permettono di generare una struttura disordinata. In questo modo, con una impalcatura più disordinata e dunque meno compatta, si crea una membrana resistente all’alta pressione.

Rappresentazione di una membrana biologica con doppio strato di fosfolipidi e molecole di acido eicosapentaenoico (EPA)
Figura 3 – Rappresentazione di una membrana biologica con doppio strato di fosfolipidi e molecole di acido eicosapentaenoico (EPA) [Credit: S.C.R Sherratt et al.]

Applicazioni industriali dei microorganismi barofili

Gli enzimi presenti in questi batteri possono essere sfruttati per usi industriali e non, ad esempio si possono sfruttare le endonucleasi (enzimi che tagliano il DNA o l’RNA) dei barofili per applicazioni di ingegneria genetica, nei casi in cui si abbia la necessità di lavorare ad alte pressioni ma con enzimi che mantengano la specificità. Altre applicazioni riguardano l’industria alimentare quella dei detergenti o quella chimica, dove le proteine e gli enzimi dei microorganismi barofili, resistenti alle alte pressioni, possono essere utili.

Gli organismi estremofili continuano ad affascinarci per la loro capacità di proliferare in ambienti che dovrebbero essere proibitivi per la vita. Molte conoscenze sono state acquisite sui microorganismi barofili ma sarebbero necessari ancora molti studi per comprendere meglio le loro strutture, i loro genomi e i loro metabolismi.

Fonti

  • Min Jin et al., Properties and Applications of Extremozymesfrom Deep-Sea Extremophilic Microorganisms:A Mini Review, Mar. Drugs 2019, 17, 656
  • Kelly Dumorné et al., Extremozymes: A Potential Source for Industrial Applications, J. Microbiol. Biotechnol. (2017), 27(4), 649–659.
  • Kawamoto J. et al., Favourable effects of eicosapentaenoic acid on the late step of the cell division in a piezophilic bacterium, Shewanella violacea DSS12, at high-hydrostatic pressures. Environ Microbiol. 2011 Aug;13(8):2293-8.
  • Eiji Aono et al., Complete genome sequence and comparative analysis of Shewanellaviolacea, a psychrophilic and piezophilic bacterium from deep sea floorsediments, Mol. BioSyst., 2010, 6, 1216–1226

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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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