Fin dagli albori dell’umanità l’Homo sapiens ha sempre guardato alla natura per escogitare metodi sempre più efficienti per la sopravvivenza. Più le tecnologie vengono sviluppate, più siamo in grado di scoprire aspetti estremi del mondo che ci circonda: un esempio è Deinococcus radiodurans.
Aspetti generali
D. radiodurans è un batterio estremofilo gram-positivo, anche se la sua capsula lo rende più simile ad un gram-negativo, aerobio; infatti utilizza l’ossigeno per ossidare le catene di trasporto degli elettroni e ricavare l’energia di cui necessita. Il suo nome significa proprio “cocco unusuale” riferendosi alla sua non determinata appartenenza ad una delle due classi di Gram. Ha una grandezza media di 1 micrometro e cresce a circa 39 gradi centigradi. Non è, ad oggi, causa di patologie nell’uomo ed è sensibile ad antibiotici che inibiscono le sintesi di RNA, di proteine e delle componenti della parete cellulare. È caratterizzato da una tetrade, ovvero 4 cellule che si riproducono contemporaneamente.
Per la prima volta fu isolato dallo scienziato Anderson a partire da una confezione di carne in scatola. Lo scopo dello studio era capire come sterilizzare al meglio le confezioni. Dopo averle irradiate con radiazioni di vario tipo si è isolato un ceppo che aveva resistito alle radiazioni: Deinococcus radiodurans. Inizialmente fu chiamato Microccocus, ma con l’analisi dell’RNA 16S si è visto come fosse distante da tale clade e venne creata una nuova famiglia di batteri: i Deinococcacaea.
Ad oggi può essere trovato nei posti più disparati come il canale alimentare di numerosi animali, nei deserti, in Antartide e anche sulle Alpi; gli unici ambienti in cui non è presente sono quelli eccessivamente umidi. Esso è caratterizzato da due cromosomi circolari, uno di quasi 4 milioni di coppie basi ed il secondo di circa 4oo mila, un megaplasmide e un plasmide.
Ciò che più lo caratterizza è la resistenza alle radiazioni. Si è visto che possiede una capacità di resistenza di circa 50 mila volte superiore ad una qualsiasi cellula animale. Resiste benissimo anche ad essiccamento e condizioni di vuoto. Il motivo è da attribuire alla struttura toroide del DNA che facilita le operazioni di riparazioni. Infatti sono sovra-espressi enzimi di “riallineamento” del DNA che lo riparano entro 24 ore dal danno e non inducono altre mutazioni.
Aspetti strutturali e metabolici
Essendo un batterio Gram-positivo è caratterizzato da uno spesso strato di peptidoglicano necessario affinché il colorante di Gram possa legare alla parete. Lo strato più esterno è caratterizzato da polisaccaridi e glicoproteine, soprattutto glucosio, da amminoacidi quali glicina, L-ornitina, alanina e glutammato, e da carotenoidi.
I carboidrati vengono accumulati in granuli nel citoplasma e il loro utilizzo passa tramite glicogenosintesi e -lisi, via dei pentoso fosfati e degli acidi tricarbossilici.
Gli amminoacidi sono la fonte di carbonio primaria utilizzata dal batterio, secondariamente può utilizzare i carboidrati, in particolare fruttosio. Necessita di ambienti con fonti, esterne ad esso, di niacina in quanto manca degli enzimi per la sintesi del NAD, catena di trasporto degli elettroni. Quando utilizza la metionina è importante la presenza di biotina per il completamento del metabolismo.
Può utilizzare anche fonti di azoto che può reperire solamente dai gruppi amminici degli amminoacidi, in particolare di glutammato per la presenza di sintetasi e deidrogenasi coinvolte della sintesi di tale amminoacido.
Stress ossidativo e radiazioni
Con stress ossidativo si intende la situazione di stress cui una cellula si trova se si accumulano troppi ROS, reagenti attivi dell’ossigeno. Questi hanno la capacità di ossidare molecole, per esempio le catene degli acidi grassi, facendo loro cambiare conformazione danneggiando il sito in cui si trovano. D. radiodurans presenta un enzima detto Aconitasi, importante anche nel ciclo di Krebs.
Si è visto che tale enzima è presente in grandi quantità dopo l’esposizione ai raggi Gamma e durante il passaggio degli elettroni dai NADH e FADH2 all’ossigeno, questo è infatti uno dei momenti più rischiosi per la formazione di ROS.
Invece che ridurre quantitativamente la respirazione D. radiodurans induce la via del gliossilato che limita il trasferimento di elettroni. Infatti quando la respirazione avviene troppo velocemente l’aconitasi, che catalizza il passaggio da citrato ad isocitrato, induce la formazione, a partire da quest ultimo, di succinato e gliossilato che diviene nuovamente ossalacetato con l’aggiunta di un Acetil-CoA riducendo il “carico” sul ciclo di Krebs ed il trasferimento di elettroni nella fosforilazione ossidativa.
Si è anche riscontrato come un difetto all’apparenza fatale venga sfruttato a vantaggio del batterio.
Infatti la sua incapacità di sintetizzare NAD se non tramite assorbimento esterno porta all’accumulo dei suoi precursori insieme a vari amminoacidi, fondamentali per la produzione di energia. Se nel batterio è presente lo ione bivalente del manganese questo si combina con le precedenti molecole per formare uno scudo alle proteine danneggiabili.
Da qui si è dedotto che l’oggetto della protezione dalle radiazioni non sia tanto il genoma quanto le proteine presenti nella cellula; nel primo infatti ci sono metodi estremamente efficienti, ma comunque comuni; nel secondo una strategia tipica di questo microrganismo.
Ad oggi, tramite l’analisi dei ribosomi 16S si sono uniti tali organismi ai termofili formando il phylum dei Deinococcus-Thermus. Come i termofili posseggono la capacità di resistere all’essiccamento e vivere in ambienti ad altissime temperature. Vengono anche considerati come gli organismi di passaggio tra i cianobatteri primitivi e gli attuali microorganismi proprio per la particolare struttura della parete cellulare cui accennavo prima.
Addirittura si ritiene che la resistenza alle radiazioni sia solo un carattere secondario strettamente collegato all’essiccamento, da qui l’unione con i termofili. Si è dimostrato come il silenziare geni per la resistenza alle alte temperature possa intralciare o impedire del tutto la ricombinazione del DNA dopo l’esposizione a radiazioni ionizzanti.
Conclusioni
In conclusione lo studio di microorganismi estremofili è di vitale importanza per capire come potremmo superare ostacoli che ad oggi non sono più così lontani dalla realtà. In particolare lo studio di Deinococcus radiodurans è applicabile allo studio delle risposte cellulari allo stress ossidativo e a come rendere più efficiente la riparazione del DNA per prevenire l’insorgenza di tumori.
Fonte: Oxidative Stress Resistance in Deinococcus radiodurans
