Microbiologia: Canadian Edition
- Illustrare e descrivere brevemente i requisiti di temperatura minima, ottimale e massima per la crescita
- Identificare e descrivere diverse categorie di microbi con requisiti di temperatura per la crescita: psicrofili, psicrotrofi, mesofili, termofili, ipertermofili
- Dare esempi di microrganismi in ogni categoria di tolleranza alla temperatura
Quando è iniziata l’esplorazione del lago Whillans in Antartide, i ricercatori non si aspettavano di trovare molta vita. Le temperature costanti sotto lo zero e la mancanza di fonti ovvie di nutrienti non sembravano essere condizioni che avrebbero sostenuto un ecosistema fiorente. Con loro grande sorpresa, i campioni recuperati dal lago hanno mostrato un’abbondante vita microbica. In un ambiente diverso ma ugualmente duro, batteri e archei crescono sul fondo dell’oceano intorno alle bocche di mare profonde (Figura 9.38), dove le temperature possono raggiungere i 340 °C (700 °F). Infatti, alcuni di questi batteri e archei sono i produttori primari dell’ecosistema della bocchetta, fornendo carbonio fisso per gli altri organismi.
A differenza di altre condizioni ambientali come il pH o l’osmolarità, i microbi non hanno modo di regolare la loro temperatura: la loro temperatura interna corrisponde a quella del loro ambiente. I cambiamenti di temperatura hanno il maggiore effetto sugli enzimi e sulla loro attività, con una temperatura ottimale che porta al metabolismo più veloce e al conseguente tasso di crescita. Temperature inferiori a quella ottimale portano a una diminuzione dell’attività enzimatica e a un metabolismo più lento, mentre temperature più alte possono effettivamente denaturare proteine come gli enzimi e le proteine trasportatrici, portando alla morte cellulare. Di conseguenza, i microbi hanno una curva di crescita in relazione alla temperatura, con una temperatura ottimale alla quale il tasso di crescita raggiunge un picco, così come temperature minime e massime in cui la crescita continua ma non è così robusta. Per un batterio, l’intervallo di crescita è tipicamente intorno ai 30 gradi (Figura 9.39).
La tendenza all’aumento dei tassi di crescita tra psicrofili e ipertermofili è attribuita alla relazione tra energia termica e tasso di reazioni chimiche ed è stata definita “effetto Arrhenius”. Questo è un riferimento all’equazione di Arrhenius che descrive la relazione tra la temperatura e la velocità di una reazione chimica.
Mesofili
Gli organismi classificati come mesofili (“amori medi”) sono adattati a temperature moderate, con temperature di crescita ottimali che vanno dalla temperatura ambiente (circa 20 °C) a circa 45 °C. Come ci si aspetterebbe dalla temperatura centrale del corpo umano, 37 °C (98,6 °F), il normale microbiota umano e gli agenti patogeni (ad esempio, E. coli, Salmonella spp. e Lactobacillus spp.) sono mesofili. I mesofili occupano gli stessi ambienti che occupano gli esseri umani, in termini di cibi che mangiamo, superfici che tocchiamo e acqua in cui nuotiamo e beviamo.
Psicrofili
Gli psicrofili sono gli amanti del freddo, con un optimum di 15oC o inferiore e un range di crescita da -20oC a 20oC. La maggior parte di questi microbi si trova negli oceani, dove la temperatura è spesso di 5oC o più fredda. Possono anche essere trovati nell’Artico e nell’Antartico, vivendo nel ghiaccio ovunque possano trovare sacche di acqua liquida. Gli organismi recuperati dai laghi artici come il lago Whillans sono considerati psicrofili estremi. L’adattamento al freddo ha richiesto l’evoluzione di proteine specifiche, in particolare enzimi, che possono ancora funzionare a basse temperature. Questi enzimi sono più flessibili dei loro omologhi mesofili e termofili e hanno siti catalitici più accessibili per adattarsi a tassi di diffusione più lenti. Questo aumento di flessibilità ha un costo, poiché le proteine psicrofile si denaturano rapidamente al di sopra della loro temperatura ottimale. L’adattamento alla crescita a temperature più basse ha richiesto anche la modifica della membrana plasmatica per mantenerla semifluida. Gli psicrofili hanno una maggiore quantità di acidi grassi insaturi e a catena più corta. Infine, gli psicrofili producono crioprotettori: proteine o zuccheri speciali che impediscono lo sviluppo di dannosi cristalli di ghiaccio. Gli psicrofili o microbi tolleranti al freddo hanno una gamma di 0-35oC, con un optimum di 16oC o superiore. Si trovano in molti ambienti naturali nei climi temperati e sono responsabili del deterioramento degli alimenti refrigerati. Il patogeno umano Listeria monocytogenes ne è un esempio. Cresce nell’intestino del bestiame, può contaminare carne di manzo, latte e colture, ma a differenza dei tipici patogeni umani mesofili, cresce a temperature refrigerate. Le infezioni alimentari derivano dal consumo di cibi pronti, tra cui lattuga, formaggi non pastorizzati e salumi. Poiché sono attivi a bassa temperatura, gli psicrofili e gli psicotrofi sono importanti decompositori nei climi freddi e i loro enzimi sono interessanti per la biotecnologia.
FOCUS CLINICO: Risoluzione
La presenza di Listeria nel sangue di Jeni suggerisce che i suoi sintomi sono dovuti alla listeriosi, un’infezione causata da L. monocytogenes. La listeriosi è un’infezione grave con un tasso di mortalità del 20% ed è un rischio particolare per il feto di Jeni. Un campione del liquido amniotico coltivato per la presenza di Listeria ha dato risultati negativi. Poiché l’assenza di organismi non esclude la possibilità di un’infezione, è stato eseguito un test molecolare basato sull’amplificazione dell’acido nucleico dell’RNA ribosomiale 16S di Listeria per confermare che nessun batterio ha attraversato la placenta. Fortunatamente, anche i risultati del test molecolare erano negativi.
Jeni è stata ricoverata in ospedale per il trattamento e il recupero. Ha ricevuto una dose elevata di due antibiotici per via endovenosa per 2 settimane. I farmaci preferiti per il trattamento della listeriosi sono l’ampicillina o la penicillina G con un antibiotico aminoglicoside. La resistenza agli antibiotici comuni è ancora rara nella Listeria e il trattamento antibiotico ha solitamente successo. È stata rilasciata all’assistenza domiciliare dopo una settimana e si è completamente ripresa dalla sua infezione.
L. monocytogenes è un bastoncino corto gram-positivo trovato nel suolo, nell’acqua e nel cibo. È classificato come psicotrofo ed è anche alotollerante. La sua capacità di moltiplicarsi a temperature di refrigerazione (4-10 °C) e la sua tolleranza per alte concentrazioni di sale (fino al 10% di cloruro di sodio) ne fanno una fonte frequente di intossicazione alimentare. Poiché Listeria può infettare gli animali, spesso contamina alimenti come carne, pesce o latticini. La contaminazione degli alimenti commerciali può spesso essere ricondotta a biofilm persistenti che si formano sulle attrezzature di produzione che non sono sufficientemente pulite.
L’infezione da Listeria è relativamente comune tra le donne incinte perché i livelli elevati di progesterone abbassano la regolazione del sistema immunitario, rendendole più vulnerabili alle infezioni. L’agente patogeno può attraversare la placenta e infettare il feto, causando spesso aborto spontaneo, parto morto o infezione neonatale fatale. Si consiglia quindi alle donne incinte di evitare il consumo di formaggi molli, salumi refrigerati, frutti di mare affumicati e latticini non pastorizzati. Poiché il batterio Listeria può essere facilmente confuso con i difteroidi, un altro gruppo comune di bastoncini gram-positivi, è importante allertare il laboratorio quando si sospetta una listeriosi.
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Termofili e ipertermofili
Gli organismi che crescono a temperature ottimali di 50 °C fino a un massimo di 80 °C sono chiamati termofili (“amanti del calore”). Non si moltiplicano a temperatura ambiente. I termofili sono ampiamente distribuiti nelle sorgenti calde, nei terreni geotermici e negli ambienti artificiali come i cumuli di compost da giardino dove i microbi scompongono i rifiuti organici. Esempi di termofili includono Thermus aquaticus e Geobacillus spp. Più in alto nella scala delle temperature estreme troviamo gli ipertermofili, che sono caratterizzati da intervalli di crescita da 80 °C a un massimo di 110 °C, con alcuni esempi estremi che sopravvivono a temperature superiori a 121 °C, la temperatura media di un’autoclave. Le bocche idrotermali sul fondo dell’oceano sono un primo esempio di ambienti estremi, con temperature che raggiungono circa 340 °C (Figura 9.38). I microbi isolati dalle bocchette raggiungono una crescita ottimale a temperature superiori a 100 °C. Esempi degni di nota sono Pyrobolus e Pyrodictium, archei che crescono a 105 °C e sopravvivono all’autoclave. Sia i termofili che gli ipertermofili richiedono enzimi specializzati stabili al calore che sono resistenti alla denaturazione e allo spiegamento. In contrasto con i loro omologhi psicrofili, sono più strettamente ripiegati, rendendoli meno flessibili con un sito catalitico meno accessibile. Inoltre, questi organismi esprimono proteine chaperone protettive per aiutare il ripiegamento delle proteine e per mantenere la loro struttura nativa. Gli enzimi di questi organismi sono anche interessanti per la biotecnologia. Fu la scoperta di Thermus aquaticus che portò il biochimico Kary Mullis a inventare la rivoluzionaria tecnica della PCR (Polymerase Chain Reaction), utilizzando la polimerasi del DNA dell’organismo (la Taq polimerasi). Questa tecnica è usata in ogni campo della biologia e, in combinazione con i progressi del sequenziamento e lo sviluppo della metagenomica, ha rivoluzionato il campo della microbiologia. Il Dr. Mullis ha ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1993.
L’adattamento a temperature di crescita più elevate ha richiesto anche adattamenti per mantenere la consistenza semifluida della membrana plasmatica. I lipidi di membrana di questi organismi contengono un alto contenuto di acidi grassi saturi. A causa delle loro strutture lineari, i lipidi saturi si impacchettano più strettamente, dando una membrana più organizzata e aumentando la sua temperatura di fusione. Inoltre, il legame etereo degli archaea termofili e ipertermofili è più termostabile del legame estere dei fosfolipidi. L’alta stabilità termica delle membrane degli archei ipertermofili è anche dovuta alla loro struttura monostrato tetraetere, poiché gli strati interni ed esterni di un bilayer di membrana si separano a temperature molto elevate.
Adattamento alle fluttuazioni di temperatura
La capacità di adattarsi alle fluttuazioni di temperatura permette agli organismi di sopravvivere, se non di crescere, a temperature pari o vicine ai minimi e massimi. La maggior parte degli organismi può alterare i tipi di lipidi che sintetizzano in risposta a tali fluttuazioni. Inoltre, l’induzione di proteine da shock termico o da shock termico sono risposte di stress globale che coinvolgono l’espressione di proteine chaperone che possono aiutare a ripiegare le proteine spiegate o possono formare gusci protettivi intorno alle proteine per prevenire la loro denaturazione. È importante ricordare, tuttavia, che questa capacità non altera la temperatura ottimale di crescita dell’organismo: quindi il fatto che l’E. coli possa sopravvivere in un hamburger poco cotto non lo rende un termofilo o un ipertermofilo!
Applicazioni pratiche
Alcune delle applicazioni pratiche degli effetti distruttivi del calore sui microbi sono la sterilizzazione a vapore, la pastorizzazione e l’incenerimento dei circuiti di inoculazione. Mentre la refrigerazione e il congelamento sono usati per la conservazione degli alimenti, il congelamento a 80 °C, o anche più in basso con l’azoto liquido, è usato per la conservazione a lungo termine delle culture batteriche e archeologiche. Gli effetti dannosi della formazione di cristalli di ghiaccio possono essere evitati mescolando sospensioni liquide di cellule con soluzioni sterili di glicerolo crioprotettore. Le colture possono resistere alla liofilizzazione (liofilizzazione) e poi essere conservate come polveri in ampolle sigillate per essere ricostituite con brodo quando necessario.
La vita in ambienti estremi solleva domande affascinanti sull’adattamento delle macromolecole e dei processi metabolici. L’astrobiologia è una disciplina relativamente nuova che coinvolge la ricerca multidisciplinare sull’origine, l’evoluzione e la distribuzione della vita nell’universo. Gli studi degli psicrofili e degli (iper)termofili possono informare la nostra comprensione dell’evoluzione della vita sulla Terra (e forse altrove) durante i giorni più caldi del giovane pianeta, e la possibile esistenza della vita negli ambienti generalmente più freddi dello spazio, e in particolare, su Marte.
Visita il sito web di astrobiologia della NASA per saperne di più su questa disciplina, e scopri come gli studi sui cianobatteri estremofili possano fornire informazioni sulla possibilità di vita microbica su Marte
- Quali requisiti di temperatura hanno la maggior parte dei patogeni umani batterici?
- Quale adattamento del DNA presentano i termofili?
- I microrganismi prosperano in una vasta gamma di temperature; hanno colonizzato diversi ambienti naturali e si sono adattati a temperature estreme. Sia le temperature estreme fredde che quelle calde richiedono adattamenti evolutivi alle macromolecole e ai processi biologici.
- Gli psicrofili crescono meglio nell’intervallo di temperatura di 0-15 °C mentre gli psicrotrofi prosperano tra i 4 °C e i 25 °C.
- I mesofili crescono meglio a temperature moderate nell’intervallo di 20 °C a circa 45 °C. Gli agenti patogeni sono di solito mesofili.
- Termofili e ipertermofili sono adattati alla vita a temperature superiori ai 50 °C.
- L’adattamento alle temperature fredde e calde richiede cambiamenti nella composizione dei lipidi e delle proteine di membrana.
Scelta multipla
Drag and Drop
Risposta breve
- Come si adattano le proteine degli ipertermofili alle alte temperature del loro ambiente?
- Perché la NASA dovrebbe finanziare la ricerca microbiologica in Antartide?
Pensiero critico
- Il batterio che causa la malattia di Hansen (lebbra), Mycobacterium leprae, infetta soprattutto le estremità del corpo: mani, piedi e naso. Puoi fare un’ipotesi educata sulla sua temperatura ottimale di crescita?
- Riferimento alla Figura 9.39. Alcuni ipertermofili possono sopravvivere a temperature da autoclave. Sono una preoccupazione in ambito sanitario?