Il mondo dei batteri: sopravvivenza, riproduzione e adattamento

Batteri sporigeni e endospore

Alcuni batteri gram positivi sono detti sporigeni poiché in grado di produrre spore.

Poiché queste vengono prodotte all’interno della cellula sono dette endospore, e la cellula che le produce e le contiene costituisce lo sporangio. Lo sporangio può andare incontro a disgregazione e liberare la spora nell’ambiente, i batteri sporigeni possono quindi trovarsi sia nella condizione di cellula vegetativa (priva di endospora), sia in quella di spora libera.

Processo di sporulazione

La sporulazione è un processo che porta dalla cellula vegetativa alla formazione dell’endospora. Il processo inizia con la formazione della prespora, dove il DNA batterico si duplica e una copia viene racchiusa i con una minima parte di citoplasma, da un setto sporale.

Il setto si trasforma in una doppia membrana e , fra i due lati, si forma una corteccia di peptidoglicano che costituisce una parete cellulare (rudimentale). Attorno alla corteccia si formano quindi le tuniche e in alcuni casi avviene la formazione di un esosporio più esterno.

Struttura delle endospore

Nella struttura della spora, dall’interno verso l’esterno, si possono distinguere diverse strutture, ad esempio:

▪Una copia del cromosoma batterico che è associato a proteine e ad un’elevata concentrazione di acido dipicolinico e di ioni calcio.

▪Una membrana.

▪Una parete cellulare di peptidoglicano.

▪Una corteccia, ricca di calcio e acido dipicolinico. (L’acido dipicolinico è ritenuto il principale responsabile della resistenza della spora, anche se esistono forme mutanti che ne sono prive ma ugualmente termoresistenti.)

▪Due rivestimenti proteici, interno ed esterno, dette tuniche

▪ L’esosporio, un ulteriore rivestimento esterno formato da lipoproteine e carboidrati.

Germinazione delle spore

Le endospore batteriche sono assolutamente inerti dal punto di vista metabolico, non si riproducono e hanno l’unico obiettivo di preservare il genoma batterico per permettere la sopravvivenza della specie.

Per ripristinare le condizioni favorevoli, ad esempio la presenza di nutrienti, bisogna avviare la germinazione , ovvero un processo che può essere avviato se viene esposto a temperature fra i 70 e gli 80°C per diversi minuti.( attivazione della spora)

La germinazione inizia con la disgregazione degli involucri sporali, che è causata degli enzimi presenti all’interno della spora, ciò consente l’entrata di acqua e il rigonfiamento del citoplasma. Successivamente avviene ingresso di sostanze nutritive e l’avvio delle attività metaboliche, ciò porta alla formazione di una nuova parete cellulare e alla fuoriuscita della cellula vegetativa.

Applicazioni dei batteri sporigeni

In alcuni casi i batteri sporigeni possono essere impiegati per diverse applicazioni tecnologiche, che producono nel corso della sporificazione particolari cristalli parasporali. L’azione specifica di questi bioinsetticidi li rende privi di tossicità per le altre forme viventi. Molti batteri sporigeni producono metaboliti secondari (antibiotici) impiegati nell’industria farmaceutica, alimentare o in altri settori tecnologicamente importanti. Le Spore di Bacillus sono anche utilizzate nella formazione di integratori alimentari. (per riequilibrare il microbiota intestinale e stimolare la risposta immunitaria dell’organismo.)

Divisione cellulare nei procarioti

Una cellula non può aumentare le proprie dimensioni, oltre un certo limite, poiché deve mantenere un corretto rapporto tra superficie/volume. Qualsiasi cellula che si divide deve essere in grado di trasmettere una copia del proprio corredo genetico a ognuna delle cellule figlie.

Per determinare ciò ci sono diversi metodi:

• Nel primo occorre un segnale che dia il via al processo. Nei procarioti questi segnali riproduttivi sono soprattutto esterni: temperatura e disponibilità di nutrienti. Negli eucarioti dipendono da esigenze delle cellule o dell’intero organismo.

▪Il DNA deve duplicarsi in modo da garantire il trasferimento di una copia a ognuna delle cellule figlie(segregazione). Nei procarioti il DNA costituisce un unico cromosoma, mentre gli eucarioti possiedono un numero di cromosomi variabile.

▪Per lo stesso motivo, anche altri componenti cellulari devono essere ripartiti, anche se non in modo rigido come per il genoma.

▪Membrana e parete cellulare devono acquisire nuovi materiali affinché le due cellule figlie possano separarsi e avere vita indipendente.

Riproduzione e variabilità genetica

La divisione cellulare nei procarioti ha come risultato la riproduzione dell’organismo: si realizza con la scissione binaria

I fattori ambientali s che condizionano l’inizio della divisione cellulare nei procarioti sono la temperatura e la disponibilità di nutrienti.

Un esempio è il batterio Escherichia coli si riproduce in un tempo di circa 40 minuti. In altri casi, la riproduzione si arresta se i nutrienti scarseggiano, ma riprende non appena questi sono nuovamente disponibili.

Nei procarioti il materiale genetico è contenuto per la maggior parte in un’unica, lunga molecola circolare di DNA legata a proteine ed è chiamata cromosoma cellulare.

La lunghezza della molecola obbliga il DNA a un compattamento ottenuto con ripiegamenti e riavvolgimenti.

Nella molecola del DNA si individuano due regioni: una denominata ori(origine), in cui la duplicazione ha inizio, e un’altra ter(termine) dove invece si conclude. Prima dell’inizio della duplicazione del DNA, la molecola deve essere despiralizzata a opera della DNA elicasi, che separa i filamenti della doppia elica. Dal punto di inizio della separazione della doppia elica, la replicazione procede bidirezionalmente con due forche di replicazione per ogni cromosoma che vanno in direzioni opposte.

La segregazione del DNA batterico avviene con la sua duplicazione all’interno della regione centrale, dove le due regioni ori di ciascun cromosoma in formazione si spingono verso le estremità opposte alla cellula. L’intervento di specifiche proteine che si legano al DNA e l’utilizzo di ATP permettono alle molecole di DNA, legate insieme come anelli di una catena, di separarsi (con l’intervento della topoisomerasi IV)

La separazione delle figlie ha luogo successivamente alla duplicazione completa del cromosoma batterico. Il processo di citodieresi inizia con la formazione di un solco ad anello, formato da proteine analoghe alla tubulina. Il solco si fa progressivamente più profondo, mentre nuovo materiale si deposita a livello della parete. Il processo si conclude con la separazione delle due cellule figlie.

Le divisioni a cui vanno incontro le cellule batteriche danno origine a una progenie numerosa, le colonie batteriche.

Questa omogeneità è la conseguenza di una riproduzione asessuata, per cui all’interno di una popolazione generica non ci dovrebbero essere fenomeni di variabilità genetica.

Con la formazione delle colonie, i microrganismi diventano visibili a occhio nudo e si possono apprezzare caratteri macroscopici come il colore e la forma.

Struttura e nutrienti cellulari

Tutte le cellule sono costituite principalmente da acqua (70-80%). Alla base delle strutture cellulari si trovano macromolecole come polisaccaridi, proteine, lipidi, acidi nucleici, costituite a loro volta da monomeri rispettivamente carboidrati, aminoacidi, acidi grassi, nucleotidi.

Le proteine sono le principali macromolecole di una cellula e mostrano una diversità strutturale e funzionale. Fra gli acidi nucleici, è l’Rna a essere più rappresentato.

I nutrienti sono assorbiti dalle cellule microbiche e impiegati per le reazioni metaboliche e la crescita cellulare. Per le cellule microbiche, il carbonio e azoto sono i più importanti macronutrienti, poiché sono richiesti in grande quantità, altri macronutrienti sono l’ossigeno, l’idrogeno, lo zolfo, il potassio e il fosforo.

L’azoto e lo zolfo sono richiesti per la sintesi delle proteine, così come azoto e fosforo sono indispensabili per la sintesi degli acidi nucleici e dell’ATP.

L’azoto si trova in forma organica come componente di aminoacidi e proteine.

Lo zolfo, invece, è utilizzato per sintetizzare aminoacidi solforati e alcune vitamine come biotina e timina.

Il fosforo è una componente dei fosfolipidi (delle membrane cellulari e dell’ATP) ed è necessario per la sintesi degli acidi nucleici, anche potassio, sodio, magnesio e calcio sono indispensabili ai microrganismi.

Alcuni fattori di crescita organici come per esempio le vitamine, sono indispensabili poichè agiscono come coenzimi.

Coltivazione e crescita microbica

Per coltivare i microrganismi in laboratorio è indispensabile fornire loro un ampio spazio per le loro esigenze. I terreni di coltura mettono a disposizione le sostanze nutritive di cui batteri hanno bisogno.

(Accanto a batteri poco esigenti, ne esistono molti altri che richiedono terreni di coltura arricchiti con sostanze particolari e di alto valore nutritivo.

In seguito a mutazioni genetiche può accadere che ceppi selvatici prototrofi diventano incapaci di sintetizzare un particolare elemento essenziale di crescita trasformandosi in ceppi auxotrofi, in questo caso occorre fornire il nutriente o un suo precursore nel terreno di coltura.)

Concentrazione e sopravvivenza cellulare

La concentrazione dell’ambiente extracellulare condiziona la vita delle cellule. Infatti, le cellule non possono sopravvivere in ambienti ipnotici, cioè troppo concentrati, ma richiedono un ambiente extracellulare isotonico rispetto al loro interno, cioè la stessa concentrazione di soluti.

Quando la concentrazione di soluti nell’ambiente è inferiore a quella endocellulare, ci troviamo in un ambiente ipotonico, ci saranno valori di aw: in questo ambiente, un microrganismo tende a introdurre acqua rigonfiandosi.

Se invece le cellule si trovano in un ambiente a concentrazione di soluti maggiore di quella endocellulare, cioè in una soluzione ipertonica, ci saranno bassi valori di aw : in questo ambiente, i microrganismi perdono acqua attraverso la membrana citoplasmatica deidratandosi e vanno in conto a plasmolisi. Quindi l’aggiunta di sale o zucchero a concentrazioni elevate contrasta la crescita dei batteri.

Batteri e concentrazioni saline

Esistono i batteri in grado di resistere a concentrazioni saline molto alte: sono gli alofili estremi che spesso richiedono concentrazioni saline elevatissime.

-I batteri non alofili si sviluppano in ambiente a concentrazione di nacl (cloruro di sodio) prossima allo zero, come i batteri aquaspirullium e caulobacter che vivono in acque dolce.

-I batteri alotolleranti in genere si sviluppano a concetrazione basse di nacl , ma sono in grado di sopportare le concentrazioni più elevate come staphyloccuds aerus

-I batteri alofili richiedono concentrazioni di nacl più elevate della norma,come i batteri che vivono in mare, quelli appartenenti ai generi viberio e pseudomonas

-I batteri alofili estremi richiedono e tollerano concentrazione elevate di nacl, ne sono un esempio i batteri che vivono in laghi salati come halobacterium e halococcus