Biotecnologie dei protisti

Biotecnologie dei protisti

Lezione 1 - 26/09/19

I protisti sono microrganismi eucarioti generalmente unicellulari. Costituiscono un gruppo molto eterogeneo, pur avendo tutti le tre caratteristiche dette prima. Tale gruppo comprende circa 50 mila specie diverse ed è divisibile in quattro sottogruppi:

• Alghe unicellulari (verdi, brune, rosse) [le uniche autotrofe dei quattro sottogruppi]
• Micromiceti o muffe mucillaginose
• Oomiceti o muffe d'acqua
• Protozoi

Nella maggior parte dei casi sono unicellulari, ma ci sono eccezioni come Volvox, un’alga flagellata che forma colonie costituite da più individui. Questo organismo è coloniale e le colonie sono spesso visibili a occhio nudo e dotate di complessità strutturale-funzionale tale da ricordare la complessità degli eucarioti superiori pluricellulari.

L’acqua allo stato liquido è fondamentale per la vita dei protisti, ciò vale sia per acqua dolce che salata fino ad acqua salmastra. Alcuni protisti vivono all’interno di altri organismi a livello dei fluidi corporei (endosimbionti), altri vivono nel suolo umido, nel terreno e nelle acque del suolo dove contribuiscono al ciclo dell’azoto mangiando i batteri che trasformano i composti azotati in nitrati. Alcune specie conducono vita libera, altri sono endosimbionti; in alcuni casi sia l’ospite che il simbionte sono protisti (raro) come nel caso del protozoo Euplotes woodruffi, che ospita microsporidi.

Euplotes è caratterizzato da cirri nella parte ventrale, da ciglia dette membranelle orali che circondano la bocca. Questi protozoi hanno due tipi di nucleo: il micronucleo con funzioni riproduttive e i macronuclei con funzioni vegetative. Alcuni possono avere un solo tipo di nucleo o più nuclei di un tipo. I microsporidi si concentrano vicino al macronucleo dell’Euplotes, presentano spore con due nuclei e sono detti Euplospora inucleata.

Alcuni phyla comprendono solo cellule immobili, mentre altri hanno cellule con movimento di tre tipi: ameboide tramite pseudopodi, tramite battito ciliato e infine tramite battito flagellato.

I protisti possiedono caratteristiche metaboliche varie, possono essere autotrofi o eterotrofi (per assorbimento o per ingestione di particelle di cibo), altri sono mixotrofi (scelgono il tipo di nutrizione in base alle condizioni ambientali). Quest’ultima caratteristica è un gran vantaggio per sfruttare l’ambiente.

Esempi di mixotrofi sono alcune alghe unicellulari flagellate come Euglena: la maggior parte si riproduce per via asessuata mediante scissione binaria, multipla, gemmazione o tramite spore. Alcuni hanno anche una via sessuata che si sviluppa in vari modi. Nei protisti c’è una grande diversità di morfologia, habitat, locomozione, riproduzione e metabolismo. La densità si riflette nelle vie evolutive da cui si sono originati gli eucarioti superiori. I protisti infatti sono gli antenati degli organismi superiori (funghi, piante e animali) e le colonie sono il passaggio da organismo unicellulare a pluricellulare.

Opaline e altri protisti

Opaline sono protozoi ciliati di grandi dimensioni dotati di forma piatta e corte ciglia. Sono eterotrofi per assorbimento, non hanno un apparato buccale. Le ciglia sono disposte lungo fila a decorso elicoidale. La matrice cellulare presenta ripiegamenti tra le fila di ciglia formando pliche membranose a livello delle quali avviene l’assorbimento. Molte opaline vivono come commensali di organismi, ci sono anche dei parassiti di vertebrati superiori. La femmina contiene numerosi micronuclei.

Volvox rappresenta l’anello mancante tra unicellulari e pluricellulari. Le cellule della colonia non sono identiche tra loro, né sono indipendenti le une dalle altre. Cellule con ruolo di gameti si trovano all’interno, quelle vegetative si trovano all’esterno (nutrizione, locomozione), ciò ricorda un abbozzo di un organismo pluricellulare.

Radiolari sono protozoi marini con guscio. I gusci hanno fori per far uscire filamentici citoplasmatici per catturare le prede. La disposizione e il numero di fori sono importanti per identificare le specie, inoltre i gusci sono di natura silicea (possono contenere anche altri metalli). Quando il radiolario muore, il guscio forma delle rocce silicee sui fondali marini.

Foraminiferi sono protozoi marini con gusci a forma di spirale, che può essere monotalamico (una camera) o politalamico. Nell’ultimo caso le camere possono essere concatenate una dentro l’altra. Anche questi possono avere fori dai quali fuoriescono pseudopodi per il movimento. Il guscio è formato da carbonato di calcio.

Stentor è un protozoo ciliato a forma di imbuto. Vive nelle acque dolci dove si muove grazie al battito di ciglia. Esse sono localizzate sul bordo della porzione più larga della cellula. Le ciglia sono importanti anche nella nutrizione, perché creano una corrente ciliare nell’acqua che viene incanalata verso la parte centrale della parte larga della cellula dove si trova il citostoma (bocca). Nell’acqua ci sono particelle nutritizie. Nella parte sottile troviamo pseudopodi per l’ancoraggio al substrato. Presenta due nuclei, il macronucleo è formato da tante sfere unite tra loro, formando una spirale. Stentor ceruleus produce metaboliti secondari per uccidere altre specie di stentor. Tale sostanza non è tossica per il ceruleus se è sotto una concentrazione particolare: ad alte concentrazioni la stentorina è tossica anche per il ceruleus. Si può bloccare la divisione cellulare abbassando la temperatura oppure diluire la provetta.

Cryptomonas sono alghe unicellulari flagellate che contengono cloroplasti con clorofilla. Hanno due flagelli per movimento in acqua dolce, essi originano a livello di una tasca detta vestibolo. Attorno ad esso ci sono granuli detti eiectosomi, che rilasciano sostanze tossiche per uccidere aggressori (a livello della membrana).

Evoluzione dei protisti

Durante l’evoluzione della vita sulla Terra:

• 4,5-5 miliardi evoluzione prebiotica
• 4 miliardi comparsa della vita sulla Terra (progenitori procariotici).

I procarioti si sono diversificati in tre linee evolutive: archeobatteri, procarioti e antichi eucarioti. Antichi eucarioti e procarioti fondendosi con endosimbiosi danno origine ai moderni eucarioti, forme viventi che si sono originati da organismi molto simili, originatisi due miliardi di anni fa (antichi eucarioti).

Gli antichi eucarioti sono gli antichi protisti, principali artefici dei due più grandi salti evolutivi verificatisi: conquista della cellula eucariote e passaggio al pluricellulare. I protisti hanno una duplice natura, sono sia cellule che microrganismi completi. Pur essendo singole cellule, sono molto più complesse di qualsiasi altra singola cellula eucariotica. La vescicola di Muller del ciliato è un sensore di gravità all’interno di una cellula non si verifica in nessun’altra cellula.

Lezione 2 - 1/10/2019 Alghes

Le alghe sono organismi eucaristici autotrofi e vivono in ambiente acquatico/umido. Ci sono alghe nel terreno umido, nell’acqua delle nevi, nel tronco degli alberi, alghe che vivono in simbiosi con i funghi (licheni). Esistono anche alghe che vivono come endosimbionti in spugne.

Organizzazione cellulare: le alghe possono essere unicellulari (A), coloniali (B), cenocitiche o sifonale o sinciziale (C), pluricellulari (D) (questa non rientra nel gruppo dei protisti).

(A) E’ rappresentato da singole cellule flagellate e si comportano come individui indipendenti (sono microrganismi). Ci sono anche alghe prive di parete cellulare che si spostano emettendo pseudopodi con movimento ameboide.
(B) Organizzazione rappresentata da più individui unicellulari che si raggruppano in maniera più o meno ordinata. Osserviamo un certo grado di specializzazione (preannuncia passaggio tra unicellulare e pluricellulare). Gli individui che sono raggruppati qui sono avvolti in una guaina mucillaginosa che tiene unite le cellule.
(C) Rappresentato da singoli individui unicellulari che sono plurinucleati, nuclei che derivano da successive divisioni mitotiche (ma non si ha citodieresi). Gli individui con questa organizzazione hanno notevoli dimensioni per la moltiplicazione dei nuclei.
(D) Non rientrano nei protisti; sono rappresentati da organismi con più cellule che possono essere sia uni che plurinucleate. Anche qui come in (B) si vede una specializzazione tra le varie parti dell’organismo.

Tipi di ciclo vitale: Esistono tre tipi di ciclo vitale: ciclo aplonte o zigotico; diplomate o gametico; aplodiplonte o spiritico. Il primo termine si riferisce alla fase dominante del ciclo vitale mentre il secondo termine indica la generazione nucleare minore.

Dimensioni: Organismi microscopici (Diatomee); forme giganti (Pheopyta o alghe brune).

Tipi di gamia:

• Esogamia (A): Unione di gameti complementari morfologicamente simili provenienti da organismi diversi.
• Anisogamia (B): Unione di gameti complementari morfologicamente simili ma anche fisiologicamente diversi (se i due gameti derivano dallo stesso individuo si parla di autogamia).
• Eterogamia (C): Gameti diversi per morfologia e dimensioni (il più piccolo di solito rappresenta il gamete maschile).
• Oogamia (D): E’ una specializzazione della eterogamia: il gamete piccolo è mobile grazie a un flagello, quello grande è invece immobile.

Alghe e classificazione

Il gruppo alghe è un gruppo polifiletico, cioè non hanno un antenato comune. Distinguiamo Rhodophyta (alghe rosse), Phaeophyta (brune), Chrysophyta, Cryptophyta, Pyrrophyta, Euglenophyta, Clorophyta (verdi), Plantae. Alghe brune, chrysophyta e cryptophyta sono raggruppate nelle Chromophyta.

Alghe verdi (Clorophyta)

Presenta la maggior diversità per quanto riguarda l’organizzazione cellulare, i cicli vitali e gli ambienti di vita. Secondo alcuni, i progenitori delle Plantae sono proprio le alghe verdi. Ci sono due prove: ci sono molte caratteristiche in comune (presenza di pigmenti fotosintetici nelle stesse proporzioni, parete cellulosica, presenza nelle clorophyta di organismi pluricellulari); l’altra prova è che le alghe verdi si trovano più vicine alla superficie dei corsi d’acqua (max 30 metri). Esempi:

• Gonium: organizzazione coloniale; si trovano colonie di 8 o 16 cellule, ognuna delle quali è biflagellata e formano un tappeto sul substrato.
• Ematococcus: il nome deriva dal fatto che in condizioni sfavorevoli assume una colorazione rossa (aumenta la concentrazione di un pigmento rosso, principalmente carotenoidi). Ha forma sferica. Il corpo cellulare è contenuto in una teca rigida e incolore alla quale è fissato x mezzo di filamenti citoplasmatici. Hanno due flagelli di uguale lunghezza ma con un movimento diverso che fa si da muovere l’organismo a “balzi”.
• Pediastrum simplex: Colonia a forma di ruota dentata. Le cellule all’esterno presentano delle punte.
• Scenedesmus: Coloniale da 4 a 8 cellule. Le cellule hanno estremità anteriore appuntita e quella posteriore rotondeggiante. Le cellule sono sfalsate tra loro.

Pheophyta (alghe brune)

Comprende organismi più grandi fino a 60 metri di fronda. Hanno organizzazione cenocitica.

Rhodophyta (alghe rosse)

Hanno parete cellulare di natura calcarea (alghe coralline). Il colore rosso è dovuto alla presenza di ficoeritrina (pigmento accessorio del gruppo delle ficobiline). Sono alghe marine presenti fino a 200 metri di profondità.

Chrysophyta

Le Chrysophyta comprendono le Diatomee e le alghe giallo-dorate. Le Diatomee sono alghe unicellulari senza flagelli con corpo cellulare racchiuso da una parte silicea (frustolo a forma di scatola con coperchio). Altri esempi di alghe:

• Anisomea: due flagelli, uno trainante e uno più lungo.
• Peranema: unico flagello anteriore ricurvo all’estremo.
• Phacus: unicellulare; forma appiattita; un aculeo obliquo posteriore e all’interno della cellula è presente lo stigma (organo fotosensibile).
• Closterium: forma di mezza luna/falce.
• Cosmarium: Una strozzatura divide la cellula in due parti.
• Spirogira: tante cellule cilindriche disposte una dopo l’altra a formare un filamento. Ciascuna cellula presenta un cloroplasto a forma di nastro disposta a spirale.

Tutte le alghe sono fotosintetiche e hanno clorofilla A, la quale è associata con pigmenti fotosintetici accessori, diversi a seconda del gruppo (sono responsabili della colorazione). Ogni pigmento accessorio ha una lunghezza d’onda di assorbimento diversa. Ogni gruppo di alghe rimane a determinate profondità per assortire la lunghezza d’onda giusta per i suoi pigmenti. Clorofilla B assorbe nel rosso (nelle alghe verdi); le alghe rosse hanno la ficoeritrina che ha picco di assorbimento nella lunghezza d’onda del blu (fino a 200 metri di profondità).

Le alghe unicellulari costituiscono il fitoplancton e sono i produttori primari di ossigeno. Come utilizzi biotecnologici si considerano i frustoli delle diatomee da cui si ricavano la farina fossile utilizzata come abrasivo, catarifrangenti ecc. Dai polisaccaridi di alghe rosse e brune si ricavano gelatine, utili come substrato di coltura per batteri (agar). Acetabularia è un’alga unicellulare con organizzazione cenocitica, utilizzata per la ricerca.

Lezione 3 - 3/10/19 Funghi unicellulari

Sono compresi i mixomiceti (muffe mucillaginose) e oomiceti (muffe d’acqua).

Mixomiceti

I mixomiceti sono stati considerati dei funghi fino a poco fa poiché formano una struttura pluricellulare sporgente di natura mucillaginosa detta sporangio o corpo fruttifero come nei funghi. Differiscono però per i cicli vitali e per la forma e dimensione dei corpi fruttiferi. Hanno avuto evoluzione convergente con i funghi: entrambi hanno sviluppato una struttura (lo sporangio) in risposta allo stesso stimolo ambientale (disperdendo spore nell’ambiente). Sono forme ameboidi terrestri, vivono nel terreno umido; raramente superano i 3 mm di altezza/diametro e sono caratterizzati da colori vivaci (tipici della fase di maturazione). I cicli sono caratterizzati da fasi unicellulari alternate a fasi pluricellulari. Le diverse specie si differenziano tra loro per la forma/dimensione dello sporangio e per caratteristiche del ciclo vitale. Lo sporangio è costituito da una porzione basale (ipotallo) con cui si ancora al substrato, una parte centrale (stelo) e una apicale (peridio) all’interno della quale ci sono le spore in reticoli ancorate ad uno stelo centrale chiamato columella.

Possiamo distinguere due tipi di cicli vitali:

Primo ciclo vitale

In questo tipo si forma il plasmodio, che è una struttura unicellulare plurinucleata con sincizio ed è diploide. Quando le condizioni ambientali sono favorevoli, ciascuna spora dispersa nel terreno germina e per meiosi produce numerose cellule ameboidi aploidi. Sporangio diploide -> spore aploidi -> cellule ameboidi aploidi. Queste cellule ameboidi si nutrono di batteri e “inglobano” per fagocitosi e a volte formano due flagelli e si trasformano reversibilmente in cellule flagellate (solo in condizioni sfavorevoli) si ha riproduzione e formazione di uno zigote diploide il cui nucleo subisce numerose divisioni mitotiche che portano alla formazione del sincizio -> porta al plasmodio (si ritrova sui tronchi in decomposizione e ha dimensioni grandi arancio). Il plasmodio si sposta lentamente e quando ritrova condizioni ambientali favorevoli, ciascuno sporangio produce nuove spore aploidi che disperde nel terreno, viene così a chiudersi il ciclo.

Secondo ciclo vitale

Esempio tipico di Dictyostelium discoide. Non si forma un plasmodio ma uno pseudoplasmodio aploide (lumaca) poiché è una struttura pluricellulare ed è aploide. Quando le condizioni ambientali sono sfavorevoli, due cellule ameboidi aploidi formano uno zigote diploide (riproduzione sessuata). Lo zigote per meiosi produce nuove cellule ameboidi aploidi, che si aggregano senza fondersi e formano lo pseudoplasmodio. Quest’ultimo cresce e si sposta lasciando una scia viscosa (da qui il nome lumaca) e in condizioni favorevoli dà uno sporangio con spore prodotte per mitosi. Esempi di mixomiceti: Arcyria helvetica, Camatricha fusiformis.

Oomiceti

Sono organismi acquatici saprofiti o parassiti e come i mixomiceti venivano considerati funghi anche perché producono filamenti sui corpi in decomposizione simili alle ife. Due tipi di flagelli: a pettine e a frustino, per questo sono stati uniti ad alcune alghe in un gruppo autonomo: gruppo eteroconti (presenza di due tipi di flagelli). Hanno parete cellulare di cellulosa e ciò li separa dai veri funghi, insieme a un'analisi scientifica. Presentano oogamia e molti di loro sono parassiti di pesci e appartengono all’ordine saprolegnales. Ci sono endoparassiti di organismi vegetali pluricellulari, per esempio le peronosporaceae della vite e della patata.

Ciclo della peronospora della vite

Inizia a fine inverno quando le foglie della pianta di vite sono sul terreno. All’interno di esse ci sono le oospore 2n del parassita. Ciascuna forma uno zoosporangio 2n, che per meiosi fa zoospore n biflagellate. Queste, nuotando, si portano nelle foglie di un’altra pianta di vite sana dove penetrano nei tessuti, dando origine all’infezione.