Adattamento dei microrganismi
alle differenti condizioni ambientali
Adattamento fisiologico
•Variazione dell’espressione genica in risposta a segnali ambientali
(temperatura, pH, disponibilità di nutrienti, osmolarità, ecc).
•Coinvolge tutte o quasi tutte le cellule di una popolazione microbica
Adattamento genetico
•Risposta a variazioni ambientali drastiche al punto da rallentare o
impedire la crescita di una popolazione microbica.
•Variazione del genoma a causa di eventi rari e spontanei
(mutazione o acquisizione di DNA esogeno) che producono tipi
cellulari varianti (mutanti o ricombinanti).
•Coinvolge una o poche cellule della popolazione
Adattamento fisiologico:
regolazione dell’espressione genica
Gene
espresso
Attività Traduzione
enzimatica
Trascrizione
REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
Regolazione negativa: la sintesi dell’ mRNA è inibita da uno specifico
repressore che è a sua volta controllato da un
induttore (INDUZIONE) o da un corepressore (REPRESSIONE)
Sistemi catabolici
(es: operone lac)
Sistemi anabolici
(es: operone arg)
Regolazione positiva: la sintesi dell’ mRNA è attivata da uno specifico
attivatore (ATTIVAZIONE) che è a sua volta controllato da un
induttore o effettore
(es: operone mal)
REGOLAZIONE NEGATIVA DELLA TRASCRIZIONE:
Operone argCBH: un sistema reprimibile
traduzione
arg
(arg)
REGOLAZIONE NEGATIVA DELLA TRASCRIZIONE:
Operone lacZYA: un sistema inducibile
(allolattosio)
REGOLAZIONE POSITIVA DELLA TRASCRIZIONE:
Operone malEFG
(maltosio)
Adattamento fisiologico:
REPRESSIONE DA CATABOLITA
(un sistema di controllo globale)
Un meccanismo di regolazione dell’espressione genica che impedisce
l ’ espressione di geni preposti alla sintesi di enzimi catabolici in
presenza di fonti di carbonio velocemente metabolizzabili
Permette alla cellula batterica di coordinare e ottimizzare l’utilizzo
di diverse fonti di carbonio quando queste sono contemporaneamente
disponibili nell’ambiente circostante
CRESCITA DIAUXICA
REPRESSIONE DA CATABOLITA
In Escherichia coli
(Gram -)
Sistema di regolazione positiva mediata dalla proteina allosterica CAP,
Catabolite Activator Protein (o CRP, Cyclic AMP Receptor Protein)
-Glucosio
+ glucosio
>cAMP
< cAMP
>complesso CAP-cAMP
< complesso CAP-cAMP
Trascrizione attivata
Trascrizione non attivata
cAMP
CAP
CAP
cAMP
cAMP
CAP
CAP
Gene catabolico
Trascrizione attivata
cAMP
cAMP
x
Gene catabolico
Trascrizione non attivata
(REPRESSIONE DA
CATABOLITA)
AMP ciclico
TRASPORTO ATTIVO: TRASLOCAZIONE DI GRUPPO
Energia fornita dal gruppo fosfato
Attivazione di proteine con funzione di regolatori globali:
CAP (catabolite gene activator protein)
Gram-negativi
(- glucosio)
(+ glucosio)
IIAglc
Adenilato
ciclasi
IIAglc
PEP
Adenilato
ciclasi
Zucchero-P
(inattiva)
PEP
Zucchero-P
(inattiva)
I, HPr
IIBC
I, HPr
IIBC
Zucchero
Piruvato
Zucchero
Piruvato
P
(attiva)
Adenilato
ciclasi
ATP
P
Adenilato
ciclasi
IIAglc
IIAglc
(inattiva)
ATP
CAP
AMPc
AMPc
AMPc
CAP
CAP
Gene catabolico
Trascrizione attivata
AMPc
AMPc
CAP
AMPc
x
Gene catabolico
Trascrizione non attivata
(REPRESSIONE DA
CATABOLITA)
Regolazione della trascrizione dell’operone lattosio di E. coli
Sito operatore
QUORUM SENSING
Sistema di regolazione presente nei
batteri in grado di rispondere alla
densità di popolazione
Le molecole del quorum-sensing
Gram-positivi: piccoli peptidi modificati
Small Antimicrobial Peptides (AMPs):
lantibiotici
batteriocine
Gram-negativi: derivati degli acidi grassi
Omoserina lattone acetilato (AHL)
La bioluminescenza
in Vibrio fisheri
Euprymna scolopes
Il sistema lux in Vibrio fisheri:
il paradigma del sistema di regolazione basato
sull’N-acyl homoserine lactone
+1
R
+1
-40
I
C
D
A
B
E
150 bp
LuxR
luxR: attivatore trascrizionale della luminescenza
luxI: sintesi di N-acyl homoserine lactones
luxA e luxB: subunità a e b della luciferasi
luxC, luxD e luxE: complesso multienzimatico coinvolto nella sintesi
dell’aldeide, substrato della luciferasi
luxG: FMN reduttasi
G
La regolazione della
bioluminescenza
in V. fisheri
OHHL= N-(3-oxohexanoyl)L-homoserine lactone
Acyl-ACP=acyl carrier protein
SAM=S-adenosylmethionine
Meccanismo di attivazione trascrizionale mediato da LuxR:
La proteina interagisce con l’acyl-HSL
L’interazione con l’acyl-HSL induce una variazione
conformazionale che permette alla proteina LuxR di dimerizzare
Il dimero interagisce con la sequenza target del DNA (Lux-box)
L’interazione di LuxR con la subunità aCTD (a-subunit C-terminal
Domain) della RNA polimerasi guida il posizionamento di tale
enzima sul promotore
Processi fisiologici regolati dal quorum sensing nei
batteri Gram-negativi
Espressione di fattori di virulenza (Pseudomonas aeruginosa)
Produzione di antibiotici (phenazine in Pseudomonas aureofaciens;
carbapenem in Erwinia carotovora)
Produzione di un fattore di virulenza esopolisaccaridico (Erwinia stewarti,
responsabile dell’appassimento del mais dolce)
Produzione di un lipopeptide ciclico, biosurfattante coinvolto nello
“swarming” di Serratia liquefaciens MG1)
Coniugazione in Agrobacterium tumefaciens, per il trasferimento
del plasmide Ti
Formazione di biofilm
Le molecole del quorum sensing
Gram-positivi: piccoli peptidi modificati
Small Antimicrobial Peptides (AMPs):
lantibiotici
batteriocine
Gram-negativi: derivati degli acidi grassi
Omoserina lattone acetilato (AHL)
Peptidi Anti Microbici (AMPs)
Lantibiotici o AMPs di classe I
- peptidi contenenti modificazioni post-traduzionali
- heat-stable
- attività antimicrobica e di molecole segnale
Batteriocine o AMPs di classe II
- piccoli peptidi (40-70 aa) NON contenenti modificazioni
post-trasduzionali
- sintetizzati come precursori contenenti una porzione all’estremità
N-terminale che viene rimossa durante la secrezione
- contengono due residui di glicina (Gly-Gly motif) che precedono
il sito di taglio
- attività antimicrobica e di molecole segnale
- oggetto di studio per la produzione di conservanti alimentari
La produzione di AMPs è regolata dalla
desità cellulare: significato biologico
1. Garantisce livelli di AMPs nell’ambiente sufficienti ad
uccidere i microrganismi competitori
2. Il rapido incremento di AMPs previene lo sviluppo di
meccanismi di difesa o resistenza nelle cellule bersaglio
3. Evita una inutile produzione di AMPs quando le condizioni
di crescita sarebbero tali da favorire una rapida dispersione
nell’ambiente dei feromoni stessi
Two-component regulatory systems
Quorum sensing e Two-component
regulatory systems nei batteri Gram-positivi
Processi regolati dal quorum sensing nei
batteri Gram-positivi
Sviluppo della competenza genetica in Bacillus subtilis e
Streptococcus pneumonie
Espressione della virulenza in Streptococcus aureus
Produzione di peptidi antimicrobici (AMPs) da parte di
diverse specie di batteri Gram-positivi
La risposta adattativa agli stress ambientali
Cosa è:
la capacità della cellula batterica di rispondere velocemente al verificarsi di
una condizione di stress che potrebbe essere letale
Come si esplica:
Attraverso l’espressione coordinata di un insieme di geni i cui prodotti
determinano un aumento della tolleranza della cellula batterica allo stress
Impatto sull’uomo:
•Resistenza al sistema di difesa dell’ospite durante un’infezione;
•Riduzione dell’efficienza dell’effetto letale di trattamenti chimici e fisici;
•Possibilità di miglioramento di ceppi per applicazioni industriali e ambientali.
La risposta allo shock termico
Quando una cellula batterica è esposta ad un innalzamento
della temperatura, si attiva l’espressione transiente delle
proteine Hsp (heat shock proteins)
•Struttura primaria molto conservata lungo tutta la scala evolutiva;
•Appartengono principalmente a due classi di proteine:
- shaperon molecolari (chaperonine)
- proteasi ATP-dipendenti
Proprietà dei geni espressi dopo un insulto termico
•Sono poco espressi durante la crescita ad una temperatura ottimale;
•Sono indotti in maniera transiente all’insorgere dello shock termico;
•La loro induzione è a livello dell’inizio della trascrizione;
•Sono generalmente organizzati in diversi reguloni (diversi operoni
controllati dallo stesso regolatore) il cui insieme rappresenta lo
stimulone (reguloni controllati da uno stesso stimolo)
La risposta allo shock termico nei batteri Gram-negativi
Il regulone s32 (RpoH)
Il fattore s32 :
è codificato dal gene rpoH;
alla normale temperatura di crescita
subisce un turnover rapido;
l ’ RNA messaggero corrispondente alla
normale temperatura di crescita è
tradotto a bassa frequenza a causa della
formazione di strutture a stelo ed ansa;
Adattamento dei microrganismi
Adattamento fisiologico
•Variazione dell’espressione genica in risposta a segnali ambientali
(temperatura, pH, disponibilità di nutrienti, osmolarità, ecc).
•Coinvolge tutte o quasi tutte le cellule di una popolazione microbica
Adattamento genetico
•Risposta a variazioni ambientali drastiche al punto da rallentare o
impedire la crescita di una popolazione microbica.
•Variazione del genoma a causa di eventi rari e spontanei (mutazioni
o ricombinazione) che producono tipi cellulari varianti (mutanti o
ricombinanti).
•Coinvolge una o poche cellule della popolazione.
Le mutazioni sono eventi rari …
La maggior parte delle mutazioni sono peggiorative e dannose
per un efficiente metabolismo microbico e una gran parte
risultano letali;
Es.: per Escherichia coli K12
Tasso di mutazione per mutazioni dannose = 2-8 x 10-4 per genoma per evento replicativo
Tasso di mutazione per mutazioni migliorative = 2-8 x 10-9 per genoma per evento replicativo
I microrganismi hanno evoluto meccanismi che assicurano un tasso di
mutazione molto basso;
… tuttavia
Ceppi mutatori:
- ceppi batterici con un alto tasso di mutazione;
- trovati in popolazioni naturali di diversi batteri (Escherichia coli,
Sthaphilococcus aureus, Helicobacter pilori, Pseudomonas aeruginosa…);
- contengono mutazioni nei geni che codificano enzimi coinvolti
nei meccanismi di riparo del DNA e proteine che assicurano la
fedeltà di replicazione
In condizioni ambientali avverse l ’ aumento della variabilità
genetica in una popolazione assicura una maggiore probabilità di
comparsa di fenotipi migliorativi e quindi di sopravvivenza
Test di sensibilità all’antibiotico fosfomicina
(FOS) mediante diffusione in agar
Ceppo non mutatore: classico alone di inibizione
Ceppo mutatore: presenza di colonie resistenti
all’antibiotico all’interno della zona di inibizione
