Archaea e virus: caratteristiche, metabolismo e classificazione

Speciazione e Trasferimento Genico Orizzontale

Questo processo si ripete molte volte. Diversi cicli di mutazione e selezione che portano a nuova specie di ecotipo 1, geneticamente distinta dalla precedente. Tutto questo succede senza influire gli altri ecotipi che vivono in altre eco nicchie.

Quindi la speciazione è il risultato di mutazioni periodiche e selezione di geni nel genoma di un organismo.

Repeat process many times Several cycles of mutation and selection New species of Ecotype I Genetically distinct cell population Other ecotypes living in other niches are not affected

Il trasferimento genico orizzontale influenza la formazione di una specie, ma in misura minore. Perché i geni trasferiti possono anche essere persi se non c'è un'adeguata pressione selettiva.

Archaea

Gli Archaea sono uno dei tre rami dell'albero filogenetico universale basato sull'rRNA ribosomiale 16S.

Come abbiamo già visto gli Archea comprendono tre fila:

• Euryarchaeota, costituiti da metanogeni e alofili estremi
• Crenarchaeota, che includono gli ipertermofili e presentano rami più corti vicino all'ipotetico progenitore (la radice)
• Korarchaeota, scoperte dall'analisi delle comunità microbiche a partire da sorgenti termali calde, anch'essi sono ipertermofili.

Gli Archaea sono organismi considerati estremi per gli ambienti che colonizzano, come ad esempio fondali marini, solfatare (sorgenti termali calde e molto acide a causa della presenza di zolfo), sorgenti termali calde, saline, intestini di animale a sangue caldo.

Tratti Fondamentali degli Archaea

I tratti fondamentali sono:

1. Parete cellulare costituita da pseudo peptidoglicani, polisaccaridi e glicoproteine.
2. I lipidi della membrana citoplasmatica sono caratterizzati da legami etere (= tra il glicerolo e polisaccaridi ramificati come il fitano, il bifitano a 40 atomi di carbonio), quindi si hanno dieteri e tetraeteri del glicerolo. In particolare, si è visto che gli Alofili sono caratterizzati da un doppio strato di dieteri fitanilici; gli ipertermofili da un monostrato di tetraeteri difitanilici; i metanogeni presentano membrane di tipo misto.
3. Nella trascrizione presentano una TATAbox, quindi simili agli Eukarya; presentano RNA polimerasi complesse composte da molte subunità; il primo amminoacido è la metionina e la traduzione è simile agli Eucaria.

Gli Archea sono costituiti da microrganismi con diversi metabolismi: esistono i chemiorganotrofi che usano composti organici come fonti di energia; i chemiolitotrofi, che impiegano l'idrogeno come donatore di elettroni, oppure possono avere l'autotrofia: ad esempio con la fissazione della CO2 attraverso la via dell'acetil-CoA, oppure i metanogeni che riducono CO2 e idrogeno formando metano.

Alofili Estremi

Vivono in habitat ipersalini (tipo saline artificiali, laghi salati), la crescita è ottimale quando la concentrazione di NaCl è tra 2 a 4 M fino a 5.5 M.

lon Concentration (g/l) Great Salt Dead Soda lake Lake Sea Na+ 105 401 142 10.6 K+ 6.7 7.7 2.3 0.38 Mg2+ 11 44 <0.1 1.27 Ca2+ 0.3 17.2 <0.1 0.40 CI- 181 225 155 18.9 SO 2- 27 0.5 23 2.65 HCO3- 0.7 0.2 67 0.14 pH 7.7 6.1 11 8.1 SeawaterUn tipico habitat è ad esempio il Gran Lago Salato, la cui concentrazione di NaCl è dieci superiore a quella del mare; il Mar Morto, che presenta anche un'alta concentrazione di magnesio, o il Lago Alcalino caratterizzato anche da un pH acido dovuto alla grande concentrazione di carbonato delle rocce.

Il colore verdastro del Gran Lago Salato è dovuto alla presenza di un'alga alofila che è un fototrofo ossigenico, e la materia organica che genera quest'alga favorisce la crescita di Archea iper-alofili, dotati di un metabolismo chemiorganotrofo e nella maggior parte aerobi. Il colore rosso delle saline invece è dovuto alla fioritura degli alofili estremi per la presenza dei batteri ruberine presenti nelle cellule degli alofili estremi, questi sono pigmenti carotenoidi con effetto protettivo contro i danni della fotossidazione.

Il lago Amara, in Egitto, è un lago alcalino con pH=10 e il colore è dovuto alla fioritura di microrganismi alcalofili pigmentati, inoltre, le rocce sono caratterizzate da depositi di carbonato di calcio.

Agrobacterium Salinarum

Esistono circa 10 generi di alofili estremi, noi ricordiamo Halobacterium salinarum, che cresce a concentrazioni di 4-5M di NaCl, vicino al limite di saturazione.

Se si osservano al microscopio quelle cellule, si vede che presentano delle macchie lisce rosso porpora dovute alla presenza di una particolare proteina: la bacterio rodopsina.

La concentrazione di sodio è più alta nell'ambiente rispetto all'interno delle cellule perché necessaria per la crescita del batterio, mentre invece il cloro diffonde liberamente.

Una peculiarità di Agrobacterium salinarum è l'alta concentrazione intracellulare dello ione potassio, usato come soluto compatibile, che, accumulandosi dentro la cellula, controbilancia la pressione osmotica dell'ambiente esterno e mantenere l'idratazione, quindi è pompato all'interno grazie a pompe ioniche di membrana e lo ione potassio permette di mantenere.

La parete cellulare è stabilizzata dagli ioni sodio che si legano alla superficie esterna, perché la parete è costituita da glicoproteine con un alto contenuto di amminoacidi acidi carichi negativamente come aspartato e glutammato. Quindi in presenza di alte concentrazioni di sali nell'ambiente, gli ioni sodio schermano le cariche negative dei COH degli AA e si mantiene l'integrità; se invece nell'ambiente la concentrazione salina fosse minore, le cariche negative si respingerebbero portando a lisi cellulare.

Nel citoplasma, oltre allo ione potassio, si trovano proteine acide con amminoacidi acidi e idrofobici, perché solo le molecole polari restano in soluzione nel citoplasma ad alta concentrazione ionica, l'attività di queste proteine dipende dagli ioni potassio.

Per quanto riguarda il metabolismo, è un chemiorganotrofo aerobio, usa composti organici come fonte di energia e ha una catena di trasporto di elettroni con citocromi. Tuttavia, Agrobacterium salinarum, è capace di sviluppare anche un meccanismo energetico anaerobico con produzione di ATP mediato dalla luce.

In particolare, questo microrganismo è capace sia in presenza che assenza di O2, ma alla luce, di un metabolismo simile alla fotosintesi utilizzando pigmenti e producendo ATP. Infatti, sono capaci di crescere alla luce grazie alla presenza di pigmenti carotenoidi come le bacterio ruberine, che conferiscono un colore rosso arancio, oltre all'effetto protettivo contro idanni della fotossidazione, questa infatti viene sintetizzata dall'organismo e comporre fino al 75% della superficie.

Inside cell COO Outside cell Phospholipid membrane Retinal NHỜ Qui è riportata la struttura tridimensionale della batteriorodopsina, la catena di AA passa 7 volte attraverso la membrana, quindi abbiamo 7 domini legati tra di loro da porzioni idrofobiche che sporgono all'esterno.

La batteriorodopsina è coniugata all'interno ad una molecola di retinale, un cromoforo simile ai carotenoidi che conferisco colorazione rosso porpora alla proteina.

Meccanismi di Azione della Batteriorodopsina

Ecco i meccanismi di azione della proteina:

1. Quando viene colpita dalla luca il retinale inserito all'interno della proteina, assorbe la luce nella regione verde dello spettro del visibile a 570nm;
2. Il retinale dallo strato trans stabile passa allo stato cis eccitato, si apre il canale e si ha trasferimento di un protone da una molecola di acido aspartico 96 ad un'altra 85, verso la superficie esterna extracellulare, infine all'esterno;
3. Con l'espulsione all'esterno di un protone, ne viene catturato un altro dal citoplasma, provocando il rilassamento del retinale che ritorna allo stato trans con chiusura del canale;
4. Si ha la formazione di un gradiente protonico sulla superficie esterna;
5. Questa forza motrice protonica attiva l'ATPasi di membrana con sintesi di ATP.

Out In H+ hv570 Ret - - Rett H+ H+ Bacteriorhodopsin H+ H+ ATP ADP + P ATPase a Ground state all-trans retinal protonated b L intermediate 13-cis retinal protonated F Inside HOOD -Asp 96 Membrane Asp 86 4 Arg 82 Outside d N intermediate 13-os retinal protonated e Late M intermediate 13-cis retinal neutral

Metanogeni

Sono procarioti produttori di metano, capaci di convertire CO2 e H+, o altri substrati di natura organica in CH4.

Si tratta di anaerobi obbligati stretti, la maggior parte mesofili o estremofili.

Habitat dei Metanogeni

Gli habitat colonizzati possono essere:

• Sedimenti anossici ricchi di materiale organico in decomposizione come paludi, risaie, zone umide di discarica;
• Il tratto digestivo degli animali, come il rumine dei ruminanti, il cieco di cavalli e conigli, l'intestino crasso dell'uomo, l'intestino superiore di insetti cellulolitici (es termiti);
• Sorgenti geotermali fonti di H2 e CO2, come camini idrotermali;
• Impianti artificiali di biodegradazione, come i digestori a fanghi attivi;
• Endosimbionti di protozoi anaerobi.

COMPLEX POLYMERS (Proteins, Polysaccharides, etc.) FERMENTATIVE BACTERIA MONO-AND OLIGOMERS (Sugars, Amino Acids, Peptides) FERMENTATIVE BACTERIA PROPIONATE, BUTYRATE, etc. (Long Chain Fatty Acids) FERMENTATIVE BACTERIA H2 + CO2 ACETOGENS ACETATE CO2-REDUCING METHANOGENS ACETOTROPHIC METHANOGENS CH4 , CO2 Ho,La metanogenesi rappresenta lo step terminale di biodegradazione di materia organica in un ambiente anossico, quindi possiamo avere:

• I metanogeni che riducono la CO2 con l'H2 che vengono rilasciati da altri batteri come batteri fermentanti;
• Metanogeni acetotrofici, che trasformano l'acetato in CO2 e CH4.

La CH4 rilasciata verrà utilizzata da altri batteri come fonte di energia.

Quindi i metanogeni chiudono la catena alimentare ed impediscono il sequestro di materia organica che verrebbe mineralizzata lentamente in un ambiente anaerobio.

Qui vediamo l'immagine di un metanogeno: Methanococcus jannischii, che è stato isolato da sorgenti idrotermali sottomarine ad una profondità di 2600 m e può crescere solo in terreni contenenti H2 e CO2.

Substrati Convertiti in Metano

Quali sono i substrati convertiti in metano dai vari metanogeni?

1. I substrati simili a CO2 -> CO2, ridotta con elettroni derivanti da H2, alcol o piruvato; il formiato e il monossido di carbonio
2. Con metili -> metanolo, metilamina, dimetilamina, metilmercaptano, dimetilsolfito;
3. Acetotrofi -> acetato o piruvato

Le razioni di metanogenesi sono esoergoniche associate alla produzione di ATP e avvengono attraverso una serie di reazione in cui sono coinvolti diversi coenzimi:

• Trasportatori di unità monocarboniose, dalla CO2 al CH4 -> metanofurano, interviene nella prima tappa di metanogenesi; la metanopterina che ha una struttura simile all'acido folico, interviene nella tappa intermedia; il coenzima M, nella fase finale quando abbiamo la conversione del gruppo metilico a CH4; il coenzima F430, avente struttura tetrapirrolica contente un atomo di nichel, non è propriamente un trasportatore, ma è coinvolto nelle fasi finali ed appartiene al complesso di metil-reduttasi. (in giallo le posizioni di attacco)

COO CH2 CH2 H2N-CH2 -CH2-O CH2-CH2[-NH-C-CH2-CH2-CH]3-CH Methanofuran COO (a) CH2 NH- CH2[-CHOH]3-CH2-O O CH2 OH HO CH2-0-P-O-CH HN CH HON N H CH3 Methanopterin (b)

• Donatori di elettroni -> il coenzima F420, un derivato della flavina passa dalla forma ridotta a quella ossidata, in cui assorbe a 420nm emettendo una fluorescenza verde-blu; il coenzima B, struttura simile all'acido pantotenico; la vitamina B5, è un 7-mercapto-eptanoiltrenonina-fosfato interviene nella tappa finale con il complesso enzimatico della metil-reduttasi.

coo- H2C-CH-CH-CH-CH2-O-P-O-CH-C-NH-CH CH2 HO Oxidized NH C=0 NH 1 HC-COO" 2H+ 2e CH2 COO H HỌ O Reduced JH H 0 Coenzyme F 420 (e) 0 CH3 O HS-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-C-NH-CH-CH-O-P-O COO 0 Coenzyme B (CoB) (f) OH OH OH CH3 O O=0- -C CH2 0 CH2 O H HC COO O COO COO