Estremofili: meccanismi di sopravvivenza e applicazioni biotecnologiche


    [14/02/2009] Il presente articolo fornisce una panoramica sugli organismi estremofili. Gli estremofili rappresentano modelli unici per lo studio dei meccanismi molecolari alla base della stabilità delle biomolecole e costituiscono una risorsa nuova di microrganismi ed enzimi che trova impiego nelle innovative applicazioni biotecnologiche.

    DOI: 10.3268/lswn.2009.02.14

    Gli estremofili, dal greco “philos†(che ama), sono organismi che vivono in condizioni ambientali ritenute proibitive per la vita (1,2). Si distinguono dai survivofili perché questi ultimi non amano l’estremo (3), bensì sono capaci di transire in uno stato inattivo, sospendendo le funzioni metaboliche quando le condizioni ambientali divengono difficili.

    È bene precisare che queste definizioni sono indubbiamente antropocentriche, dal momento che le condizioni ambientali cui si fa riferimento sono estreme dal punto di vista della sopravvivenza umana.

    Gli estremofili sono in grado di mantenere il flusso metabolico in condizioni ritenute abiologiche (4-8): alti o bassi valori di temperatura, pH, pressione e salinità (Figura 1).

    Figura - 1- classificazione degli estremofili

    Figura - 1 - Gli estremofili e i loro habitat in funzione della temperatura, della pressione, della salinità e del pH. Al centro la molecola di trealosio. ©Federica Migliardo, Physics Department, University of Messina Figura - 1 - [310 Kb, 1919 x 1439 pixels] click to enlarge

    Uno dei più noti ambienti estremi è il parco di Yellowstone, che sorge su un gigantesco catino magmatico e sfoga la propria potenza in geyser, sorgenti calde, fumarole e vulcani di fango (9). Il più famoso geyser del parco è l'Old Faithfull, che ogni 60 minuti spruzza acqua a un’altezza di circa 50 metri.

    All’interno del parco sono presenti numerosi microrganismi ipertermofili (1), in grado di vivere a temperature superiori a 110° C, come i batteri Sulfolobus acidocaldarius, Thermus aquaticus e Synechoccus.

    Quest’ultimo, in particolare, al tramonto cessa l’attività fotosintetica e comincia a fissare l’azoto, convertendolo in composti utili per la crescita cellulare (10).

    Esistono anche ambienti alofili, ovvero ambienti marini o lacustri interni in cui l’intensa evaporazione favorisce un elevato valore di salinità delle acque (11,12); nel lago Rosa in Senegal la concentrazione salina raggiunge i 400 mg per litro che, insieme a particolari microrganismi, conferisce al lago la tipica colorazione (13) rosa.

    Nelle regioni desertiche, invece, la scarsità di acqua e le notevoli escursioni termiche rendono molto difficile la vita. Nei deserti più estremi, con precipitazione annua inferiore a 100 mm, riescono a vivere solo poche specie di eubatteri e piante xerofite (14,15).

    Infine, gli ambienti glaciali, dove la temperatura può raggiungere i - 60° C, costituiscono un habitat alquanto ostile in cui si trovano microrganismi psicrofili come l’Aquaspirillum Arcticum e il Rhodococcus, capace di degradare gli idrocarburi (16).

    L’acqua è la “conditio sine qua non†per la vita: questa visione idrocentrica giustifica lo slogan della NASA per la ricerca della vita extraterrestre: “Segui l’acqua†(17).

    Pur coprendo la maggior parte della superficie terrestre, l’acqua viene classificata tra i liquidi complessi e le sue proprietà, dal punto di vista fisico, vengono considerate anomale, eccentriche, inusuali, paradossali e infine misteriose (18-20).

    Tra le proprietà dell'acqua ricordiamo:

    • il calore specifico a pressione costante che presenta un minimo a 36,0° C;
    • la compressibilità isoterma con un minimo a 46,5° C;
    • il coefficiente di espansione termica che diventa negativo a 3,9° C.

    Le proprietà dell’acqua la rendono il solvente essenziale per la vita. Pertanto, l’assenza di acqua rende estremo ogni ambiente. Gli organismi capaci di tollerare tale condizione entrano in uno stato di anidrobiosi (21). Tra questi, i tardigradi e l’Artemia salina (22-25).

    Numerosi estremofili, pur appartenendo a specie diverse, ricorrono allo stesso espediente per sopravvivere in condizioni estreme, ovvero sintetizzano uno zucchero, il trealosio.

    Ad esempio, alcuni tardigradi, artemie saline, batteri e piante, in condizioni ambientali di stress, come disidratazione e congelamento, mostrano straordinarie capacità di sopravvivenza grazie alla sintesi di questo disaccaride, che permette loro di transire in uno stato criptobiotico ovvero di “vita nascosta†nonché di ripristinare le funzioni vitali quando le condizioni esterne tornano nuovamente favorevoli (6,21,22).

    Uno degli esempi più impressivi del ruolo biologico giocato dal trealosio è rappresentato dai Criptobionti. Tali organismi già oggetto di studio da parte degli astrobiologi della NASA, sono in grado di sopportare pressioni di 6000 atmosfere, condizioni di vuoto pari a quelle dello spazio interstellare, temperature che vanno da pochi gradi al di sopra dello zero assoluto a oltre 150° C e radiazioni mille volte superiori a quelle considerate letali per gli esseri umani.

    Ricorrendo alla criptobiosi in condizioni di stress ambientale, sono in grado di ripartire il loro ciclo di vita attiva, mediamente pari a circa 7 mesi, in un arco di tempo di oltre un secolo (6,24).

    Gli embrioni di Artemia salina, particolari gamberetti più comunemente conosciuti come “scimmiette di mare†, sono presenti in gran numero nel Grande Lago Salato o nel Mar Morto e producono trealosio in un quantitativo pari al 15% del loro peso, in condizioni di salinità anche otto volte superiori a quelle degli oceani (23,25).

    Il trealosio è presente inoltre, in considerevoli quantitativi, in vegetali presenti in habitat desertici, come le piante chiamate genericamente “della resurrezione†, tra cui la Selaginella Lepidophylla e il Myrothamnus Flabellifolia. Queste piante possono subire reiterati processi di disidratazione totale senza evidenziare alcun danno cumulativo, tornando “quasi miracolosamente†a verdeggiare una volta reidratate (26).

    Sono state formulate diverse teorie per spiegare la funzione biologica del trealosio.

    Green ed Angell hanno posto l’efficacia bioprotettiva del trealosio in relazione all’elevata temperatura di transizione vetrosa del sistema trealosio-acqua, il che comporta una maggiore quantità d’acqua alla transizione rispetto agli altri disaccaridi omologhi (27). Si deve osservare, tuttavia, che tale ipotesi non è di per sé esaustiva, dal momento che un altro carboidrato, il destrano, pur presentando una temperatura di transizione vetrosa più elevata del trealosio, non ha la stessa efficacia (28).

    Secondo l’ipotesi formulata da Crowe, invece, il trealosio conserverebbe l’integrità delle membrane durante l’essiccamento e la reidratazione, in quanto capace di sostituire l’acqua (22). Questa ipotesi è suffragata dalle simulazioni numeriche di Grigera, il quale sostiene che la struttura tridimensionale del trealosio sia in perfetta calettatura con quella dell’acqua, le cui proprietà strutturali e dinamiche non risulterebbero alterate dalla presenza del disaccaride (29).

    È stato realizzato uno studio sistematico dei meccanismi molecolari che determinano l’efficacia bioprotettiva del trealosio e le sue potenzialità nel conferire protensività all’attività di proteine, antiossidanti e micelle, utilizzando diverse e complementari tecniche spettroscopiche, quali la diffusione di luce laser, l’assorbimento infrarosso, lo scattering di neutroni e di luce di sincrotrone (30-38).

    Questi studi hanno messo in luce come l’efficacia bioprotettiva del trealosio rifletta un complesso insieme di interazioni a livello strutturale, fisiologico e molecolare che derivano dagli specifici meccanismi di interazione con l’acqua, la quale a sua volta subisce drastiche modificazioni sia strutturali che dinamiche per la presenza dello zucchero.

    Più specificamente, nello spettro Raman dell’acqua pura è possibile distinguere tra un contributo (“open†) attribuito a vibrazioni O-H in coordinazione tetraedrica di molecole di acqua, e un secondo (“closed†) corrispondente a vibrazioni O-H di molecole non coinvolte in strutture locali tetraedriche, ovvero a legami incompleti o ancora distorti.

    Per le soluzioni di disaccaridi, l’area integrata del contributo open (o tetraedrico) assume valori decrescenti secondo la sequenza saccarosio, maltosio, trealosio, evidenziando un più marcato effetto destrutturante indotto dalla presenza di trealosio sul network tetraedrico di legami idrogeno delle molecole di acqua, come mostrato in Figura 2.

    Figura - 2 - Spettri Raman di soluzioni acquose di disaccaridi.

    Figura - 2 - Effetto destrutturante dei disaccaridi sul network tetraedrico dell’acqua evidenziato dal minore contributo “open†nello spettro Raman del trealosio. ©Federica Migliardo, Physics Department, University of Messina Figura - 2 - [316 Kb, 3500 x 2463 pixels] click to enlarge

    Si può ipotizzare, pertanto, che il ruolo del trealosio sia quello di imporre alle molecole di acqua una struttura non compatibile con quella del ghiaccio (37).

    Esperimenti di scattering elastico di neutroni su soluzioni acquose di disaccaridi omologhi in funzione della temperatura e della concentrazione hanno mostrato che la diminuzione nell’intensità elastica con la temperatura risulta meno pronunciata nel caso del sistema trealosio/acqua, evidenziando una più marcata resistenza strutturale a cambiamenti di temperatura rispetto ai sistemi maltosio/acqua e saccarosio/acqua (30).

    Una caratteristica molto importante messa in evidenza mediante scattering inelastico di neutroni riguarda la regione spettrale dei modi vibrazionali, i cui profili per il trealosio appaiono più “strutturati†(31,34). Tali evidenze sperimentali, mostrate in Figura 3, giustificano la sua maggiore efficacia criptobiotica, ovvero la sua capacità di creare con l’acqua un ambiente più rigido dove le biostrutture sono meglio protette.

    Figura 3 Spettri elastici e inelastici di soluzioni acquose di disaccaridi.

    Figura - 3 - Effetto criptobiotico del trealosio: maggiore rigidità (spettro elastico) e maggiore criptocristallinità (dallo spettro inelastico, nell’inserto).©Federica Migliardo, Physics Department, University of Messina Figura - 3 - [325 Kb, 2980 x 2160 pixels] click to enlarge

    Pertanto, le ricerche realizzate hanno portato a formulare un’ipotesi di bioprotezione per il trealosio. Secondo tale ipotesi, lo zucchero tenderebbe a destrutturare il network tetraedrico dell’acqua impedendo la formazione di ghiaccio e sarebbe in grado di rivestire, proteggendole, le strutture biologiche. Ciò trova curiosamente corrispondenza con l’etimo di ΧΡΨΠΤοσ le cui accezioni contestualmente precipue sono “nascosto†e “coperto†.

    E infatti la criptobiosi, condizione di vita nascosta, è riconducibile all’attitudine di molti organismi a ricoprire i propri organi vitali di uno strato rigido di zucchero amorfo che, su scala nanoscopica, disvela una natura cristallina o, come si conviene dire, “criptocristallina†. Il tratto distintivo dell’azione bioprotettiva del trealosio risiede, quindi, nella transizione da uno stato di vita attiva relativamente “fragile†caratterizzato strutturalmente e dinamicamente da un’accentuata complessità, a uno stato di vita sospesa “meno fragile†o “forte†, caratterizzato da una ridotta complessità (30).

    Uno dei principali obiettivi della ricerca sugli estremofili è lo studio di membrane, proteine ed enzimi da estremofili nei loro differenti stati biologici (attivo, inattivo e transiente), anche in presenza di sistemi bioprotettori, al fine di connettere i meccanismi protettivi e le strategie di sopravvivenza.

    La vita in condizioni estreme è limitata primariamente dalla stabilità delle biomolecole nonché dalla capacità funzionale delle stesse in condizioni non ottimali, che porterebbero al collasso delle strutture o all’inattivazione delle funzioni (1-4,8).

    Uno degli aspetti fondamentali da investigare riguarda quindi il mantenimento di un appropriato bilancio tra la stabilità molecolare e la flessibilità strutturale, necessario per le funzioni biologiche delle proteine. (La stabilità è necessaria per evitare la denaturazione, mentre la flessibilità è necessaria per permettere un rate metabolico appropriato).

    Lo studio degli estremofili ha aperto nuovi orizzonti nell’ambito delle innovative applicazioni biotecnologiche; si consideri che le potenzialità applicative delle molecole estratte dagli estremofili sono ancora parzialmente inesplorate.

    DNA polimerasi termostabili e termofile possono essere utili nell'applicazione esponenziale di specifiche sequenze di DNA mediante la polymerase chain reaction, con un impatto molto importante sull’esplorazione dei genomi e di problematiche diagnostiche. Enzimi attivi a basse temperature isolati da psicrofili trovano impiego in applicazioni agro-alimentari.

    I batteri acidofili possono essere utilizzati per l’estrazione di metalli e per limitare il fenomeno di inquinamento noto come “pioggia acida†. I batteri alcalofili producono ciclodestrine e proteine con attività antibatterica e antifungina. I batteri alofili, infine, presentano una grande quantità di nuove molecole utilizzabili in vari settori, ad esempio per la produzione di nuovi antibiotici e composti antivirali nonché di materiali plastici, biodegradabili e biocompatibili (39-42).

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    Sitografia:

    Old Faithful Geyser of California www.oldfaithfulgeyser.com

    Glossario:

    Acidofili: organismi che vivono sotto in condizioni di acidità particolarmente elevata (a pH 2 o inferiore). Alofili: organismi che adatti a sopravvivere su substrati ricchi di cloruro di sodio. Anidrobiosi: forma di vita latente, caratterizzata dalla quasi totale assenza di acqua. Coordinazione tetraedrica: laparticolare disposizione delle molecole in cui ogni molecola d’acqua risulta circondata da altre quattro molecole. I baricentri degli atomi di ossigeno di queste 4tali molecole formano un tetraedro. Denaturazione: modificazione della struttura secondaria, terziaria o quaternaria delle proteine. Eubatteri: batteri di forma bastoncellare o tondeggiante provvisti di ciglia per muoversi;, si dividono in autotrofi ed eterotrofi. Ipertermofili: insieme di organismi, appartenenti alla più amplia classe degli estremofili, che vivono e si moltiplicano a temperature molto elevate, ovvero oltre isuperiori a 100° C. Psicrofili: insieme di organismi resistenti alle basse temperature. Termofili: insieme di organismi, appartenenti alla più amplia classe degli estremofili, che vivono e si moltiplicano a temperature relativamente elevate, ovvero oltre superiori ai 45° C. Transizione vetrosa: passaggio dallo stato vetroso allo stato liquido. Xerofite: piante che richiedono un basso consumo d'acqua, originarie di zone estremamente aride.

    AUTORE:

    Dott.ssa Federica Migliardo Borsista Internazionale UNESCO-L’Oréal Gruppo di Ricerca in Biofisica e Materia Condensata Dipartimento di Fisica, Università di Messina, C.da Papardo Sperone 31 – 98166 Messina (Italia) Laboratoire de Dynamique et Structure des Matériaux Moléculaires, U.M.R. n° 8024, Universitè de Lille 1, U.F.R. de Physique – Bât. P5, 59655 Villeneuve D’Ascq Cedex (France)



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