I batteri estremofili

USO DEGLI ESTREMOFILI
Perché ci interessiamo tanto ai batteri estremofili?
Osservando le caratteristiche di temperatura, pH o salinità possiamo individuare diversi tipi di habitat estremi.
Gli ambienti caratterizzati da temperature elevate sono generalmente associati a zone in cui si rileva anche attività sismica e/o fenomeni vulcanici.
Habitat terrestri con temperature elevate sono le solfatare, circa 100°C, caratterizzate anche da un ambiente acido per la presenza di solfati, i soffioni, i gayser, le acque termali, insomma tutti quei fenomeni di geotermia che si manifestano, talvolta in modo molto spettacolare, sul nostro pianeta.
Nelle profondità dei mari esistono sia abissi freddi e bui, sia luoghi che, per la presenza di attività vulcaniche, hanno temperature che possono raggiungere i 400°C; in particolare sono noti i black smokers, condotti che emergono dalle viscere della crosta terrestre sul fondale degli oceani dai quali fuoriescono sostanze a temperature elevatissime e che creano attorno a loro un habitat veramente particolare.
All'estremo opposto troviamo le fredde zone artiche ed antartiche che hanno temperature (in Antartide) comprese tra ­40° e +20°C.
La salinità normale dei mari è circa 3,5% ma ci sono acque di alcuni laghi, come il Mar Morto e il Gran Lago Salato in Utah, in cui la concentrazione di cloruro di sodio si fa altissima (circa 5.2 M), é così elevata da arrivare a saturazione.
Habitat estremi per il pH sono, oltre le già citate solfatare, i suoli di alcuni deserti e le acque di numerosi laghi, che presentano un alto livello di alcalinità.
I batteri che popolano questi ambienti, a seconda del tipo di habitat, vengono classificati come: •
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termofili (resistenti alle temperature elevate), psicrofili (resistenti alle basse temperature), acidofili (resistenti a pH acido), alcalofili (resistenti a un valore di pH superiore a 10) alofili (resistenti alle elevate concentrazioni saline). Lo studio della vita in condizioni estreme é senz'altro affascinante per il fisiologo, il biochimico, il genetista, richiede una ricerca multidisciplinare che coinvolge numerosi laboratori in Europa e negli Stati Uniti.
Conoscere questi organismi ci permette di capire meglio come si è originata e sviluppata la vita sulla Terra ma ci permette anche di capire come si possono migliorare alcuni processi produttivi o ottenere risultati migliori da processi che già conosciamo.
Questi particolari microrganismi, infatti, per sopravvivere e prosperare in condizioni così avverse, hanno sviluppato proprietà speciali quali ad esempio strutture e componenti chimici particolari per le membrane cellulari, processi metabolici incredibili, meccanismi di trasformazione dell'energia e di regolazione dell'ambiente intracellulare molto particolari. Per fare questo hanno elaborato biomolecole estremamente stabili e dinamiche. Proteine, lipidi, e altre biomolecole in grado di resistere agli assalti di ambienti tanto estremi.
Le potenzialità applicative di questi microrganismi sono enormi e toccano i settori più diversi. Nei processi condotti a temperature superiori ai 50°C, in cui si ottengono un alto grado di diffusione e solubilità di composti, una ridotta viscosità e tensione superficiale, un facile recupero di prodotti volatili e la soppressione di organismi patogeni per l'uomo, l'impiego di batteri termofili va sostituendo i tradizionali mesofili perché i loro enzimi non si denaturano alle alte temperature.
Batteri termofili sono attualmente usati nella produzione di alcoli e altri composti biologicamente attivi (carotenoidi, aminoacidi, antibiotici), nella rimozione di ioni metallici e termofili sono usati in campo alimentare per la produzione di sciroppi ad alto contenuto di zuccheri (amilasi, xiloso isomerasi, pullulanasi) e per migliorare le proprietà organolettiche (pectinasi) o la digeribilità di taluni cibi (beta galattosidasi); diverse proteasi e lipasi termofile trovano impiego nell'industria dei detergenti e nei processi di panificazione, la proteasi termolisina di Bacillus thermoproteolyticus é impiegata nella sintesi del dipeptide aspartame, un dolcificante a basso contenuto calorico.
Enzimi termofili sono utilizzati anche in campo medico­biologico quali precursori di farmaci, o, come le DNA polimerasi e DNA ligasi termofile, impiegate nella tecnica della PCR (Polymerase Chain Reaction) utilizzata in medicina diagnostica, in biologia molecolare, in tassonomia. Alcune proteine termofile potrebbero essere utili in patologie umane come il morbo di Alzheimer, il morbo di Creutzieldt­Jakob (il "morbo della mucca pazza"), la fibrosi cistica, l'enfisema, il morbo di Tay­Sachs.
I batteri psicrofili hanno lipidi ricchi di acidi grassi polinsaturi (come l'acido gamma linolenico e l'acido arachidonico) che sono precursori di prostacicline, prostaglandine, leucotrieni; potrebbero essere impiegati per arricchire diete in alcune particolari patologie (neuropatia diabetica ed eczema atopico). anche le loro proteasi sono attive a basse temperature e possono essere impiegate nella produzione di formaggi. Alcuni psicrofili sono utilizzati per produrre neve artificiale o nell'industria del gelato, per la loro capacità di formare cristalli di ghiaccio a temperature attorno agli 8°C.
I batteri acidofili possono essere utilizzati per l'estrazione di metalli (l'acidofilo Thiobacillus ferrooxidans viene utilizzato per ottenere il rame) ma potrebbero essere impiegati per limitare il fenomeno di inquinamento noto come "pioggia acida".
I batteri basofili producono ciclodestrine, alcune specie producono proteine con attività antibatterica e antifungina. Le loro proteasi sono utilizzate per i detergenti biologici.
Gli alofili presentano una grande quantità di nuove molecole utilizzabili in vari settori: nella costruzione di materiali plastici biodegradabili e biocompatibili, nell'industria dei detergenti e per il recupero di olii, come nuovi antibiotici e composti antivirali. Addirittura una proteina di Halobacterium halobium potrebbe essere utilizzata nello screening precoce di insorgenza di alcuni tumori.
I batteri alofili producono una vasta gamma di piccoli composti organici compatibili con il metabolismo cellulare (zuccheri, aminoacidi, betaine ed ectoine) e responsabili dell'equilibrio osmotico della cellula e della stabilizzazione di proteine e acidi nucleici. Una sostanza prodotta dai batteri alofili per regolare la loro concentrazione interna di acqua, chiamata dai ricercatori ectoina, è utilizzata nella produzione di creme e prodotti idratanti. Ci sono anche microrganismi, anche di habitat tradizionale, capaci di accumulare radionuclidi e metalli pesanti, in un prossimo futuro potrebbero essere utilizzati nell'industria del trattamento dei rifiuti.
Ma c'è ancora un ultimo, interessante, forse ancora un po' fantascientifico, utilizzo che si potrebbe fare dei batteri estremofili, quello di utilizzarli come "colonizzatori" di pianeti. Lo svilupparsi delle prime forme di vita in ambienti naturali è chiamato "ecopoiesis" e, almeno per quanto ne sappiamo noi, questo processo segue sempre uno stesso "protocollo". I primi a colonizzare un ambiente sono in genere microrganismi con poche esigenze, che riescono a sopravvivere con le poche risorse fornite dall'ambiente, anidride carbonica, metalli, acqua. Prima si pensava che la luce fosse la fonte di energia indispensabile per lo svilupparsi di catene complesse di organismi, ma ora, dopo la scoperta dei black smokers, si è visto che si possono utilizzare fonti alternative di energia anche in caso di catene di organismi più complesse. Alcuni scienziati hanno perciò intravisto nei batteri estremofili organismi in grado di "colonizzare"pianeti inospitali e i più probabili candidati appaiono Marte e Venere.
Marte ad esempio, presenta sbalzi di temperatura non eccessivi ma un ambiente secco e anerobio, con presenza di anidride carbonica, ci sono batteri estremofili che ci potrebbero tranquillamente sopravvivere come Chroococcidiopsis, che può praticamente vivere negli ambienti più ostili, Matteia, che può utilizzare come fonte di energia le rocce carbonatiche, Deinococcus radiodurans. Per Venere si potrebbe pensare a Pyrodictium occultum, e simili e Halobacterium salinarum.