Picrophilus spp: caratteristiche ed approfondimenti

Caratteristiche

Con il termine Picrophilus, che letteralmente si traduce come amante degli acidi, si indica un genere di microrganismi termoacidofili appartenente al dominio degli Archea e al phylum degli Euryarcheota; questo genere include due specie: Picrophilus oshimae e Picrophilus torridus. Il nome che li identifica non è casuale ma evidenzia la capacità di questi microrganismi di crescere a valori di pH estremamente acidi, compresi tra 0-0,7 ,quindi, di gran lunga inferiori rispetto a quelli riscontrati nel succo gastrico (pH 2). Unitamente a ciò, la capacità di resistere ad elevate concentrazioni molari di acido solforico li rende gli organismi acidofili più estremi finora conosciuti.

Le due specie di Picrophilus hanno proprietà fisiologiche simili e sono morfologicamente indistinguibili, ma differiscono nel pattern dei frammenti di restrizione, nella sequenza del gene codificante per l’rRNA16S e nella presenza di elementi extracromosomici (plasmidi).

A differenza di altri termoacidofili noti, che mantengono valori di pH interni prossimi alla neutralità, i membri del genere Picrophilus mostrano un pH intracellulare molto basso (prossimo a valori di 4,6). Un’analisi comparativa della composizione aminoacidica del proteoma di P. torridus con quello di altri procarioti ha evidenziato un leggero aumento del contenuto medio di isoleucina rispetto agli organismi di riferimento. In accordo con ciò, è stato recentemente affermato che un aumento dei residui amminoacidici idrofobici sulla superficie proteica può contribuire alla sua stabilità strutturale in ambiente acido.

Filogenesi

Dominio	Archaea
Regno	Euryarchaeota
Phylum	Euryarchaeota
Classe	Thermoplasmata
Ordine	Thermoplasmatales
Famiglia	Picrophilaceae
Genere	Picrophilus

Genoma e metabolismo

E’ ormai noto da tempo che le dimensioni genomiche degli Archea siano abbastanza ridotte e i membri del genere Picrophilus non fanno eccezione. Il genoma di P. torridus è stato interamente sequenziato e risulta costituito da un singolo cromosoma circolare di 1.545.900 bp (Fig.1).

*Figura 1 – Rappresentazione schematica del genoma di Picrophilus torridus*

La porzione codificante corrisponde al 92% della sequenza totale, una delle più alte percentuali riscontrate nei termoacidofili. Sono state identificate ben 1.535 ORF, di cui 397 presenti esclusivamente in P. torridus, mentre 318 riscontrate in altri organismi. Alcuni geni codificano per enzimi (superossido dismutasi, proteine simili alla perossiredossina e un’alchil idroperossido reduttasi) coinvolti nella protezione cellulare dal danno ossidativo derivante dalla produzione dei ROS; altri codificano per trasportatori, implicati principalmente nel processo di disintossicazione cellulare.

Per garantire l’integrità genomica, P. torridus dispone di un gran numero di enzimi di riparazione (endonucleasi di tipo III e IV e V, elicasi, proteine con domini simili a MutT) e di ricombinazione (RadA, RadB, MRE11 e Rad50).

P. oshimae, a differenza di P. torridus, possiede un cromosoma circolare e due plasmidi parzialmente omologhi; uno avente lunghezza di circa 8,3 kbp e l’altro circa 8,8 kbp.

Per ciò che concerne il metabolismo, i microrganismi del genere Picrophilus sono eterotrofi ed aerobi. I composti polimerici dello zucchero vengono metabolizzati mediante l’enzima glucoamilasi mentre il glucosio viene metabolizzato mediante una variante non fosforilata della via di Entner-Doudoroff (ED). La degradazione delle proteine è operata da proteasi acide extracellulari, tra cui due proteine simili alla termopsina e due serinproteasi.

Per prevenire un’ulteriore acidificazione del pH intracellulare, P.torridus, durante il processo di respirazione cellulare, utilizza una catena di trasporto degli elettroni più complessa per generare un potenziale di membrana. Sono stati trovati molti geni che codificano per complessi proteici che trasferiscono gli elettroni nella catena di trasporto, tra cui diversi chinone ossidoreduttasi. Inoltre, è stato isolato un gene codificante per una presunta solfuro deidrogenasi, che trasferisce gli elettroni direttamente ai citocromi.

Immagini al microscopio

Come già anticipato le cellule di Picrophilus sono morfologicamente molto simili nelle due diverse specie, e si presentano come cocchi irregolari aventi un diametro di 1-1,5 μm (Fig. 2)

Micrografia a contrasto di fase di cellule di P.oshimae: a) all'inizio della fase esponenziale di crescita; b) alla fine della fase esponenziale di crescita — *Figura 2 – Micrografia a contrasto di fase di cellule di P.oshimae: a) all’inizio della fase esponenziale di crescita; b) alla fine della fase esponenziale di crescita*

In linea con l’ambiente in cui prosperano, le membrane sono costituite principalmente da lipidi eterei polari. Inoltre, è stato osservato che, la membrana cellulare di P. torridus mostra una permeabilità protonica molto bassa e la sua integrità viene minata quando le cellule sono incubate a pH 7. Esternamente alla membrana plasmatica è presente un involucro proteico, lo strato S, con simmetria tetragonale caratterizzato da uno strato esterno denso e uno strato interno, quasi vuoto, e ancorato alla superficie della membrana mediante sottili filamenti (Fig.3). I microrganismi sono immobili in quanto privi di pili e flagelli.

*Figura 3 – Micrografia elettronica a sezione sottile di Picrophilus oshimae che mostra lo strato S e le cavità*

Ecologia

Le due specie di Picrophilus sono state isolate da località solfatare nel nord del Giappone (Fig.4). Nello specifico P. oshimae è stato isolato da una sorgente calda a Noboribetsu e a Kawayu, mentre P. torridus è stato isolato da un campo solfatarico secco (il nome torridus significa essiccato, bruciato).

*Figura 4 – Rappresentazione della sorgente calda da cui sono stati isolati i microrganismi del genere Picrophilus*

Metodi di identificazione

I membri del genere Picrophilus possono essere coltivati in laboratorio su terreni contenenti estratto di lievito allo 0,2% e zuccheri semplici. E’ stato dimostrato che l’aggiunta di zuccheri (1% glucosio, saccarosio o lattosio) come fonte di carbonio, comporta un aumento della densità cellulari e un maggior tasso di vitalità. La crescita avviene a temperature comprese tra 47 e 65°C e valori di pH compresi 0 e 3.5. In condizioni ottimali di temperatura e pH (60°C e pH 0,7) il tempo di generazione è di 6 h.