Batteri

Processi di trasporto
Il trasporto dei materiali influenza notevolmente la dimensione e la forma delle cellule. I batteri fanno affidamento sui nutrienti che raggiungono la cellula, attraversano l’involucro cellulare e poi si spostano all’interno della cellula dove vengono utilizzati. Allo stesso modo, i rifiuti tossici devono essere rimossi dalla cellula. Il trasporto delle molecole avviene tramite due processi elementari: la diffusione e la convezione. La convezione è il
movimento di materiali in un fluido, come quando l’aria calda sale o quando il vento soffia o le correnti d’acqua scorrono
(avvezione). La convezione è un processo rapido per lo spostamento di molecole alla rinfusa. Su una scala più piccola le molecole possono muoversi anche per
diffusione, che diventa troppo lenta su larga scala. Un’eccellente rassegna sulla forma e la dimensione delle cellule batteriche è data da: Young,
Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2006, 70(3):660. Alcuni dei punti chiave sollevati in questa revisione e in altri articoli sono riassunti di seguito.
I batteri variano in diametro da nanobatteri non più di 0,2 micrometri di larghezza, a Thiomargarita namibiensis, un
batterio solforato incolore di 750 micrometri di diametro (molto più grande di una cellula animale media!) e la loro massa
varia di 10 ordini di grandezza. Nei grandi batteri, le inclusioni (riserve di stoccaggio che formano granuli nel citoplasma)
riducono il volume del citoplasma attivo. Solo il più grande e veloce batterio nuotatore conosciuto, il Thiovulum majus, può
aumentare l’apporto convettivo di nutrienti con la propria motilità, cioè può generare correnti d’acqua muovendosi e questi
batteri ventilano attivamente la loro popolazione. Altri batteri sono limitati dalla diffusione, quindi possono acquisire solo i nutrienti che si diffondono a loro. Il più grande batterio eterotrofo è l’Epulopiscium spp. grande 80 x 600 micrometri che vive nell’intestino dei pesci tropicali. Questo organismo esiste probabilmente in un mezzo ricco di nutrienti. I batteri solforati incolori ossidano l’idrogeno solforato in
solfato con ossigeno o nitrato. Questi batteri formano filamenti multicellulari lunghi diversi cm, permettendo loro di penetrare lo strato limite diffusivo spesso 500 micrometri e raggiungere l’acqua contenente l’accettore di elettroni ossigeno o nitrato.
Quando un fluido scorre su una superficie solida, l’attrito o la resistenza con la superficie crea uno strato di fluido che è essenzialmente stazionario,
questo è lo strato limite. Le molecole si muovono dentro e fuori lo strato limite prevalentemente per diffusione piuttosto che per
convezione. Questi batteri possono anche immagazzinare diversi mesi di riserva di nitrato e zolfo.
I materiali che entrano e attraversano il batterio per diffusione devono essere metabolizzati dagli enzimi. Gli enzimi sono
catalizzatori biologici che accelerano la velocità delle reazioni chimiche. Ogni enzima catalizza una o poche reazioni specifiche e le
molecole su cui l’enzima agisce, e che cambia in qualche modo, sono chiamate substrato dell’enzima. Senza
enzimi, i processi chimici sarebbero troppo lenti per sostenere la vita. Il metabolismo è la somma di tutte le reazioni chimiche nella cellula. Queste reazioni sono di due tipi generali: le reazioni cataboliche rompono le molecole, mentre le reazioni anaboliche
costruiscono le molecole. Quindi: metabolismo = catabolismo + anabolismo.
Il tempo di mescolamento delle piccole molecole in un batterio di un micrometro è dell’ordine di un millisecondo, quello delle
molecole più grandi 10 millisecondi e i tassi di rotazione degli enzimi sono circa 100/s (possono metabolizzare circa 100
molecole di substrato al secondo). Così, le molecole possono muoversi attraverso l’intero volume della cellula molte volte durante un giro di
catalisi (un giro di azione enzimatica). Il tempo di traffico è il tempo teorico impiegato da due molecole qualsiasi all’interno di una cellula per
incontrarsi. In un secondo è probabile che qualsiasi molecola di substrato abbia incontrato qualsiasi molecola di enzima. Nei grandi procarioti,
circa 100 micrometri di lunghezza, il tempo di traffico (che è proporzionale al cubo della lunghezza della cellula) è di circa 10 ore. Questo può
risultare in differenze regionali all’interno della cellula, o in una compartimentazione non limitata. In altre parole, questo non è un problema
perché le cellule sono strette, ma ogni sezione della cellula si mescolerà e reagirà, ma le molecole ad ogni estremità della cellula
di rado si incontreranno e reagiranno l’una con l’altra.
Oltre ai problemi di trasporto dei materiali all’interno della cellula, ci sono problemi nel far arrivare i nutrienti alla cellula dall’esterno.
La viscosità dell’acqua smorza le fluttuazioni più piccole della scala di Kolmogorov o lunghezza viscosa, che è di circa 1 a 6 mm. (Questa lunghezza ha il suo valore più piccolo nella turbolenza più vigorosa). Le cellule di diametro inferiore a 100 micrometri sono
sempre circondate da una sfera di diffusione che non è influenzata dalla turbolenza circostante e quindi la turbolenza non è
localmente importante per il flusso di substrato alla cellula. In altre parole, sono circondati da uno strato limite di acqua ferma che non si mescola facilmente con l’acqua più lontana dalla cellula. I substrati devono quindi attraversare questa barriera per diffusione lenta. La dimensione delle cellule più piccole allevia efficacemente la limitazione di diffusione che ne risulta. La secrezione di enzimi digestivi (catabolici) nell’acqua circostante, come fanno molti batteri, può aumentare l’intervallo effettivo di utilizzo del substrato a circa 10 micrometri.
Il numero di Péclet è il rapporto tra trasporto per convezione e trasporto per diffusione. Se Pe >>>> significa: è molto maggiore
di), allora il flusso di fluido o il nuoto aumenta fortemente la disponibilità del substrato. Per i batteri, Pe << 1
(<< significa è molto meno di) e quindi il nuoto non aumenta il trasporto del substrato. La dimensione minima di una cellula per
ottenere un aumento del trasporto di substrato con il nuoto è di circa 10 micrometri. Si noti che stiamo parlando qui di
miscelazione del fluido, i batteri piccoli possono ancora ottenere più cibo nuotando verso di esso, un processo diverso (vedi chemochinesis).
Thiovulum majus è un’eccezione. Si tratta di un grande batterio solforato (circa 8 micrometri di diametro, da 5 a 25
micrometri, che è davvero molto grande per un batterio!) Questi batteri aumentano il loro assorbimento di substrato di 4 volte nuotando fino a 600 micrometri/s. Le loro grandi dimensioni e l’alta velocità di nuoto permettono loro di superare lo
spostamento browniano e di subire il nuoto direzionale. Questo è un punto importante – quasi tutti i batteri capaci di motilità possono
localizzare il cibo solo alterando la loro frequenza di rotazione, un processo classicamente chiamato chemochinesis, che statisticamente aumenta notevolmente la loro probabilità di localizzare il cibo (vedi chemochinesis). Non sono in grado di nuotare direttamente verso la fonte di cibo, un
processo chiamato chemiotassi, perché sono troppo piccole per discernere la direzione della fonte di cibo (non possono
misurare la differenza di concentrazione delle sostanze nutritive rilevate ad ogni estremità della cella). Le cellule più grandi, invece, possono farlo.
Le cellule più grandi possono usare gli stereorecettori per dire loro se la sostanza chimica “odora” più forte a sinistra o a destra e quindi
dirigersi verso la fonte. il tiovulo è abbastanza grande per fare proprio questo. È, per quanto ne so, unico nei batteri a
effettuare una vera chemiotassi.
Thiovulum majus è microaerofilo e cerca l’interfaccia oxic-anoxic (4% di saturazione dell’aria) ideale per l’
ossidazione dell’idrogeno solforato. Questi batteri mantengono la loro posizione con modelli di nuoto a forma di U, nuotano e ruotano in un percorso elicoidale (3-
10 rps, r = 5-40 mm, passo = 40-250 mm). I batteri più piccoli devono localizzare le condizioni ottimali per mezzo della chemiochinesi e lo fanno ruzzolando per cambiare la loro direzione di movimento in modo casuale in una passeggiata casuale di sbieco.
L’interfaccia sedimento-acqua
L’interfaccia sedimento-acqua ha uno strato limite tipicamente dell’ordine di 0,5 mm (500 micrometri). La
respirazione microbica nel sedimento superficiale stabilisce un ripido gradiente di ossigeno attraverso questo strato limite diffusivo (DBL). Il tempo medio di diffusione dell’ossigeno attraverso il DBL è di diversi minuti e c’è un trasporto limitato alla diffusione (cioè il trasporto attraverso questo strato richiede una diffusione lenta). Filamenti o catene di cellule batteriche possono raggiungere oltre questo strato limite, per
accedere a nutrienti e ossigeno. Questo è uno dei vantaggi di formare catene di cellule. Molti cianobatteri formano filamenti che
secernono guaine di melma, formando tubi di melma. I filamenti possono scivolare su e giù all’interno di questo tubo di melma per accedere ai nutrienti.
Eucarioti, come i ciliati possono essere peduncolati (ad esempio Vorticella) per la stessa ragione. Zoothamnium niveum è un ciliato che
cresce sulla torba di mangrovia altamente solforosa. Viene invaso da batteri chemoautotrofi, simbiotici ossidanti lo zolfo (che fanno l’autostop per superare lo strato limite). Le contrazioni periodiche (ogni 5-30 s) del gambo di 15 mm del vorticellide generano una turbolenza (con un Re = 2500) che modifica l’acqua aderente alla superficie dei batteri simbionti, apportando nutrienti freschi e rimuovendo i rifiuti.
Grandi batteri (Megabatteri, Gigantobatteri)
Staphylothermus marinus è largo circa 0,5 – 1 micrometri, ma aumenta fino a 15 micrometri di diametro in ambienti ricchi di
nutrienti. In questa condizione allargata, solo il 2% del citoplasma è attivo, il resto è occupato da un grande vacuolo. Molti
grandi batteri sono cianobatteri o ossidatori di solfuro. Thiomargarita namibiensis è largo circa 150-200 micrometri,
ma può arrivare a 750 micrometri. Epulopiscium spp. abita le viscere dei pesci chirurgo erbivori nel Mar Rosso e nella
Grande Barriera Corallina e sono larghe circa 10-20 micrometri e lunghe 70-200 micrometri. Il grande zolfo incolore
batterio Achromatium oxaliferum varia dai depositi di carbonato di calcio e zolfo. I grandi batteri si trovano sul
fondo del mare, dove c’è una grande produzione di idrogeno solforato e immagazzinano zolfo per i periodi di
ventilazione meno attiva del solfuro vulcanico e possono anche utilizzare il nitrato come accettore di elettroni alternativo (vedi sistemi energetici). Alcuni crescono su animali mobili, come policheti, ostracodi e larve di mayfly, in ambienti ricchi di solfuro.
Batteri multicellulari
La maggior parte dei batteri forma strutture multicellulari, chiamate biofilm, su superfici solide in qualche fase del loro ciclo vitale. I
batteri comunicano tra loro per costruire queste strutture di melma e in questo stato sono più resistenti agli
agenti nocivi come gli antibiotici. È importante notare che possono formare strutture simili a torri, lunghe da 300 a 400 micrometri, dalle quali rilasciano cellule più grosse, come spore, sopra lo strato limite stagnante, dove possono essere disperse per convezione. Tuttavia, anche se queste strutture sono multicellulari, non sono veri organismi multicellulari, ma piuttosto
società multicellulari. In quasi tutti i biofilm, i batteri non sono mai in intimo contatto l’uno con l’altro e non
comunicano direttamente attraverso speciali contatti elettrici come fanno le cellule in un tessuto.
I filamenti batterici, catene di cellule, possono crescere fino a 7 cm di lunghezza. Nelle forme magnetottiche, ci sono connessioni intercellulari (microplasmodesmata) tra 10-30 cellule per il coordinamento della locomozione. Si pensa che le correnti elettriche passino tra le cellule, attraverso queste connessioni, in modo che tutte si muovano nella stessa direzione allo stesso tempo.
Connessioni come queste sono la caratteristica che definisce i veri organismi multicellulari (le cellule animali formano giunzioni di gap, le cellule vegetali plasmodesmata). Alcuni filamenti cianobatterici hanno connessioni simili, così come alcuni altri batteri filamentosi,
incluse strane forme viste in Antartide. questi filamenti sono veri organismi multicellulari, anche se di un semplice tipo monodimensionale.
Beggiatoa spp. formano filamenti mobili su gradienti opposti ossigeno – idrogeno solforato (all’aumentare della concentrazione di idrogeno solforato, la concentrazione di ossigeno diminuisce vicino alla superficie del sedimento, essendo i sedimenti ricchi di solfuro) e formano densi tappeti bianchi sulle coste marine. Questi batteri ossidano l’idrogeno solforato con l’ossigeno. Hanno bisogno di entrambe le molecole, ma possono tollerare solo basse concentrazioni di ossigeno, poiché non sono in grado di scomporre l’idrogeno
perossido tossico che si forma a concentrazioni di ossigeno più elevate. Questi batteri abitano una zona < spessa 1 mm all’interfaccia sedimento-
acqua. Consumano fino al 70% dell’ossigeno del sedimento e tutto il suo solfuro. L’assorbimento di queste molecole è limitato dalla diffusione. I filamenti si avvolgono e sono lunghi da alcuni mm a 1 cm. La zona di coesistenza di ossigeno e solfuro è meno di 100 mm di spessore. Così questi batteri occupano una nicchia stretta e specializzata all’interfaccia ossigeno/solfuro. uesti batteri si muovono scivolando sulle superfici solide ed esibiscono una risposta fobica a concentrazioni di ossigeno superiori al 5% circa di saturazione dell’aria – cioè si allontanano per evitare tali concentrazioni di ossigeno “elevate”. Dopo un ritardo di 20-30 secondi invertono la loro direzione di scivolamento. Quando le cellule sulle punte del filamento incontrano concentrazioni di ossigeno al di sopra della soglia, si
ritirano, mentre il resto del filamento scivola ancora verso l’alto e come risultato la parte centrale del filamento è costretta ad uscire da un lato all’interfaccia ossi-anossica, formando dei loop. (Sembra che non ci sia coordinazione del movimento lungo il filamento). Questi batteri mostrano anche una risposta fobica alla luce. Alla luce le diatomee bentoniche e i cianobatteri producono ossigeno come
sottoprodotto della fotosintesi, che è tossico per i Beggiatoa. Tuttavia, di notte, gli organismi continuano a respirare e a consumare ossigeno mentre la fotosintesi non ne produce, e questo fa sì che l’interfaccia ossigeno-solfuro si sposti sopra il sedimento. In risposta a questo i filamenti si muovono verso l’alto. Durante il giorno si muovono verso il basso. Con il passaggio delle nuvole e il cambiamento dei livelli di luce, i filamenti si muovono su e giù per seguire il loro ambiente ottimale.
I movimenti di scivolamento dei filamenti assicurano che i batteri possano sfondare la barriera diffusiva o lo strato limite, anche se
questo confine si ispessisce. Quando il flusso di acqua ossigenata diminuisce i filamenti si muovono verso l’alto e quando il flusso di acqua ossigenata diminuisce i filamenti si muovono verso il basso.
Le cellule di Beggiatoa hanno un diametro di 5-23 micrometri e contengono inclusioni di zolfo. Questo zolfo viene ossidato quando gli apporti di solfuro diminuiscono. Nelle acque costiere eutrofiche, per esempio nei fiordi, uno strato anossico del fondo si forma durante l’estate.
Questo strato può durare per giorni o mesi. Il nitrato può essere utilizzato, invece dell’ossigeno, come accettore di elettroni alternativo per l’ossidazione del solfuro o dello zolfo. Il nitrato può anche penetrare fino a 4 cm nel substrato (rispetto a solo alcuni mm per l’ossigeno). I camini idrotermali, le sorgenti di idrocarburi e gli idrati di metano hanno alte concentrazioni di solfuro e qui
formano tappeti di cellule di Beggiotoa insolitamente grandi (ogni cellula 40-200 micrometri di diametro!) presumibilmente pieni di
riserve di zolfo. Queste cellule allargate contengono nitrato accumulato in un vacuolo centrale ad una concentrazione fino a 160mM. I
materiali sono > spessi 1 cm. Le emissioni idrotermali pulsanti producono un flusso d’acqua attraverso gli spazi porosi delle stuoie.
Questa acqua è fredda e ricca di ossigeno e nitrati. Le riserve immagazzinate dalle cellule le trasportano durante i periodi tra gli
impulsi intermittenti.
Thiovulum majus è un batterio altamente mobile e sferico il cui biofilm forma un velo sulla superficie del sedimento. Il velo può essere attaccato o parzialmente galleggiante. Questi batteri sono chemioautotrofi che ossidano l’idrogeno solforato a zolfo e solfato. I chemioautotrofi possono fissare il proprio carbonio, ma si basano sull’energia chimica per farlo piuttosto che sulla luce. (Le piante verdi sono fotoautotrofe). Ogni cellula ha un diametro di 9-18 micrometri. Le cellule sono mobili, con una velocità massima di 615
micrometri/s (sono i batteri più veloci conosciuti). Sciamano verso la zona di transizione ossigeno-solfuro e secernono un filo di melma. I fili si attaccano insieme e si diffondono per formare una maglia 2D contenente da 100 mila a un milione di cellule per centimetro quadrato. Questa maglia separa l’acqua di mare ossigenata che scorre al di sopra da uno strato limite stagnante di acqua arricchita di solfuro di idrogeno, quindi il velo crea il proprio strato limite diffusivo sospeso nella colonna d’acqua. Questo è un fenomeno veramente notevole di “semplici procarioti” che lavorano insieme! Il nuoto concertato muove attivamente il velo verso l’alto o verso il basso. Il velo può essere legato da un filo di bava lungo fino a 100 micrometri. I flagelli creano
un flusso d’acqua verso il basso di 200 micrometri/s attraverso il velo, che porta acqua ossigenata (e possibilmente solfuro). deflussi sono incanalati attraverso numerose piccole aperture nel velo, che ha un aspetto di pizzo fine. Il numero di Péclet per l’ossigeno è circa 40, in questo sistema, e quindi la convezione domina il trasporto di ossigeno. In questo modo le cellule
acquisiscono collettivamente più ossigeno di quanto potrebbero con la sola diffusione.
Commuting
Thioplaca è un batterio marino con un vacuolo centrale in ogni cellula che può conservare fino a 500 mM di nitrato. Forma dei
filamenti multicellulari che secernono guaine di melma o tubi intorno a se stessi. Questo organismo si trova sui sedimenti delle piattaforme ed è
a volte l’organismo bentonico dominante. La Thioplaca usa solo nitrato come accettore di elettroni. Quando le concentrazioni di ossigeno
superano il 10% di saturazione dell’aria, questi organismi si ritirano nelle loro guaine melmose. Il Niño invernale aumenta le concentrazioni di ossigeno nelle acque di fondo e può ridurre la popolazione di Thioplaca in modo drammatico.
Thioplaca secerne bava mentre scivola. Questa bava forma dei tubi all’interno dei quali i filamenti si muovono lungo i loro percorsi. I tubi inutilizzati si disintegrano rapidamente. Nella colonna d’acqua questi batteri riempiono i loro serbatoi di nitrato e quando sono nel sedimento ossidano il solfuro e immagazzinano lo zolfo. Così la tioplaca ha una doppia capacità di stoccaggio. In alte concentrazioni di solfuro, i filamenti lasciano le loro guaine e vivono come filamenti che scivolano liberamente sulla superficie del sedimento.
Thiomargarita namibiensis è non-motile e il più grande batterio dello zolfo conosciuto. Abita il fango di diatomee semi-fluido dove le concentrazioni di solfuro sono superiori a 10 mM. Queste cellule entrano in contatto con il nitrato e l’ossigeno solo quando il sedimento sciolto è
sospeso nella colonna d’acqua in seguito a tempeste, pompaggio di onde o eruzioni di metano. Hanno un vacuolo che occupa il
98% del volume della cellula. Possono respirare per 40-50 giorni o più senza assumere nuovi nitrati (per oltre due anni in una camera fredda). Possono sopravvivere in acqua satura d’aria e possono usare l’ossigeno come accettore di elettroni per l’ossidazione del solfuro.
Struttura interna
Anche se non è complessa come le cellule animali o vegetali, i batteri contengono comunque un macchinario composto da migliaia di
parti funzionanti, ma bisogna ingrandire la scala nanometrica (un nanometro, 1 nm, è un milionesimo di millimetro)
per vedere questo complesso macchinario!
Guardiamo un po’ più da vicino una sezione di un batterio (clicca per ingrandire):