Microbiologia con laboratorio

Lezione 14 ottobre

L’ENDOSPORA BATTERICA

La settimana scorsa stavamo parlando della cellula batterica e

abbiamo descritto le varie componenti della cellula stessa. Eravamo

arrivati a parlare della spora batterica, che in realtà viene chiamata

endospora batterica. Quella che vediamo in figura è l’endospora

del Clostridium tetani, ovvero l’agente che causa il tetano. Viene

chiamata endospora poiché dove c’è la zona con l’ovale

fluorescente, messo in evidenza con la colorazione, è la zona dove

si è formata la spora. Viene chiamata endospora perché si è formata

all’interno di una cellula madre, cioè questa clava, con la spora

contenuta all’interno del cerchio fluorescente. Poi la spora verrà

liberata in seguito a lisi della cellula madre. Lo scopo della cellula

madre è quello di portare alla produzione della spora e poi una

volta finito il suo compito verrà eliminata. L’endospora è una

cellula differenziata particolare che può essere prodotta solo da alcuni batteri gram positivi. In

particolare, sono due i generi capaci di produrre spore, ovvero i clostridi e i bacilli. Sicuramente

abbiamo sentito parlare di spore in botanica (funghi ad esempio), in realtà la spora batterica è

leggermente differente poiché la spora batterica permette di far sopravvivere la cellula in condizioni

ambientali avverse. Sappiamo bene che i microrganismi vivono in un ambiente da cui devono

ricavare tutte le loro risorse per sopravvivere e l’ambiente può cambiare; possono diminuire le

risorse ambientali, possono comparire sostanze tossiche, possono cambiare la composizione di pH,

eccetera... può succedere che le cellule si trovino in condizioni in cui non possono più crescere e

riprodursi. Per questi due generi di batteri esiste questo meccanismo per il quale la cellula può

differenziarsi e produrre la spora per sopravvivere. La spora è una cellula metabolicamente

quiescente e resistente agli agenti chimici e, siccome è quiescente, non è metabolicamente attiva,

non ha bisogno di nutrienti e non produce sostanze di scarto. È resistente alle temperature: quando

abbiamo parlato della sterilizzazione, le spore batteriche possono essere bollite per ore a 100 gradi e

stanno benissimo. La loro cellula corrispondente nelle stesse condizioni muore dopo qualche

minuto, quindi hanno una capacità di sopravvivere a condizioni avverse. Hanno anche una

resistenza alle radiazioni e questo non è dovuto a uno schermo, non sono schermate, ma è data dal

fatto che si portano dietro enzimi capaci di riparare i danni al DNA (le radiazioni sono pericolose

per gli esseri viventi poiché danneggiano il DNA). Loro si portano dietro diversi di questi enzimi,

per cui quando ritorneranno cellule vegetative questi enzimi ripareranno danni al DNA causati dalle

radiazioni.

Quanto può sopravvivere una spora? Sopravvivere per una spora vuol dire quanto tempo può

rimanere in queste condizioni e essere capace di ridare la cellula vegetativa. Per tempi

estremamente lunghi, ci sono prove di laboratorio che ci dicono che si conservano per anni o

decenni. Ci sono studi che dimostrano che addirittura possono sopravvivere per secoli. Ci sono stati

tentativi di vedere se spore presenti su mummie egizie potevano dare cellule vegetative, esperimenti

un po’ controversi poiché è difficile dimostrare che la spora prelevata provenga dal periodo in cui è

stato mummificato il corpo. Sappiamo comunque che le spore resistono molto. Alcune spore

esposte nello spazio sono sopravvissute e, in teoria, delle spore potrebbero sopravvivere dentro

meteoriti. Ci sono dei lavori in proposito. Ogni microrganismo sporigeno produce

l’endospora e ogni specie ha una propria

posizione in cui forma questa struttura nella

cellula madre. Queste sono foto al microscopio

ottico a contrasto di fase, dove evidenziamo bene

la spora poiché appare come un corpo rifrangente

che riflette la luce e ciò è collegato a modifiche

che avvengono a livello degli involucri della

spora. Ci sono batteri che producono una spora

nella parte terminale della cellula (quindi sono microrganismi con struttura bacillare), poi alcuni la

hanno sub-terminale, cioè verso un lato ma non al termine, e altre nella zona centrale.

Indipendentemente da dove verrà prodotta la spora il risultato finale sarà che poi verrà rilasciata in

seguito a distruzione della cellula dentro la quale si è formata.

Questo è uno schema per spiegare la

resistenza della spora. Qual è la parte

importante della spora? È quella centrale,

dove è conservato il DNA. La spora porta una

sola copia del genoma cellulare e questo DNA

è compattato in modo estremamente forte e

non deve essere duplicato né trascritto. In

questa zona centrale c’è un po’ di citoplasma

che si deve portare dietro, poiché, quando da

spora dovrà ritornare come cellula vegetativa

dovrà avere dietro tutto quello che gli serve,

quegli enzimi che gli servono per tornare a

cellula vegetativa. La quantità di citoplasma è

piccola poiché è ricco d’acqua e la resistenza della spora è data dal fatto che durante il processo di

sporificazione elimina la maggior parte di acqua presente nella cellula. L’acqua la rende debole alla

sopravvivenza anche se l’acqua è essenziale, ma la spora è metabolicamente inattiva e può

sopravvivere con pochissima acqua.

Poi ci sono una serie di rivestimenti che rendono la struttura estremamente forte: ci sono due

membrane che sono con polarità opposta e il risultato di aver due rivestimenti membranosi con

polarità opposta è che non passa nulla, è isolata completamente dall’esterno. Inoltre, ci sono vari

rivestimenti di varia natura. Bisogna tener conto che il lisozima, che è attivo contro la parete della

cellula vegetativa, non fa assolutamente niente alle spore.

Quando la cellula decide di produrre

la spora innesca un serie di processi

metabolici che portano alla

produzione di nuove molecole che

non sono presenti nella cellula

vegetativa. Una di queste molecole è

l’acido dipicolinico, che andrà a

localizzarsi negli involucri della

spora, e le molecole vengono legate

da ioni calcio andando a formare il

dipicolinato di calcio. L’acido

dipicolinico, andando a depositarsi

negli involucri, abbatte il contenuto in

acqua e contribuisce alla rifrangenza

che abbiamo visto al microscopio a contrasto di fase. L’acido dipicolinico è una delle molecole più

importanti che vengono prodotte.

In quale momento viene prodotto questo acido? L’acido dipicolinico viene prodotto nella fase della

sporificazione, che è composta da varie altre fasi. La tabella ci fa vedere le differenze

tra cellula vegetativa e endospora.

Per quanto riguarda la struttura, i

batteri sporigeni sono di tipo Gram

positivo, quindi la cellula vegetativa

ha la caratteristica tipica dei Gram

positivi, ovvero l’endospora ha tutti

i rivestimenti visti prima. Il livello

di calcio è basso nella cellula

vegetativa ma è alto nell’endospora

per via dell’acido dipicolinico, che è

assente nelle cellule vegetative ma

presente solo nelle spore. Attività

enzimatica, metabolismo, sintesi di

macromolecole, e RNA messaggero

sono tutte molecole e attività che

sono presenti nella cellula

vegetativa; tutto questo è ridotto quasi a zero o a zero a livello della spora. La resistenza al calore di

questi batteri sporigeni non è molto elevata, ma è elevata per la spora. Lo stesso per la resistenza

alle radiazioni, che non è un blocco al passaggio delle radiazioni, ma piuttosto un modo per riparare

il danno causato da queste radiazioni. La resistenza agli agenti chimici è dovuta al fatto che non

possono entrare, anche gli antibiotici non entrano e quindi non possono danneggiare la cellula. Il

lisozima non fa nulla perché ci sono modifiche comunque alla mureina, che viene impacchettata

negli involucri della spora. Da notare è l'abbattimento del contenuto in acqua: la cellula vegetativa è

per l’80-90% acqua e nel caso di una spora si va dal 10 al 25%, quindi notevolmente più bassa e

questo contribuisce a tutte queste caratteristiche.

Tutta questa slide è il processo di sporificazione che riguarda Bacillus sottilis, che è un gram + che

viene usato come modello per studiare i gram + e su cui sono fatti molti studi sul processo di

sporificazione.

La formazione della spora è un processo che va attraverso una serie di passaggi: il primo passaggio

è un segnale alla cellula che l’ambiente sta cambiando, che le condizioni non sono più adatte alla

riproduzione. All’inizio questo processo è reversibile, se parte e poi quasi subito le condizioni si

assestano e tornano normali la cellula non va avanti, ma se si supera un certo stadio ormai la cellula

è indirizzata a formare la spora e va avanti. L’aspetto più importante è la formazione nei primi stadi

di una zona tra due zone, la pre-spora e il resto della cellula madre. Queste due zone sono separate

dalla membrana citoplasmatica. Sono due entità distinte. Queste due zone, la pre-spora e la cellula

madre, durante tutto il processo, dialogano, c’è uno scambio di segnali e la regolazione

dell’espressione genica è coordinata. Stiamo parlando di due zone estremamente separate dalla

membrana, quindi abbiamo meccanismi di trasmissione di segnali tra due aree diverse, come se

fossero due cellule diverse all’interno di questa cellula. Andando avanti, si formano tutti i

rivestimenti, nel penultimo stadio abbiamo l’endospora ormai pronta e, infine, ci sarà la lisi della

cellula madre e il rilascio nel terreno della spora. La spora resta lì fino a quando ci saranno

condizioni favorevoli alla riproduzione delle cellule vegetative.

Il passaggio da spora a cellula vegetativa è un

passaggio fatto con una certa intelligenza, perché

la spora, per prima cosa, (nell’immagine si vede la

spora completa) deve ricevere un segnale che le

condizioni ambientali sono favorevoli alla crescita

--> segnale di attivazione. La spora però deve

anche controllare oltre a essere attivata, ovvero

controlla che realmente ci siano le condizioni

favorevoli e solo dopo averlo constatato, ritornerà

cellula vegetativa. Se questi due passaggi sono

garantiti entra nel processo di germinazione, dove

si deve libe