dcsimg

pubblicato il 28 ottobre 2014 in la vita

Conan il batterio

Vi è mai capitato di sfogliare un libro dei Guinness World Records? Si possono trovare record di ogni genere, dai più “normali” ai più “bizzarri”. Tra questi possiamo anche trovare Conan. Chi è Conan? Conan è un “superbatterio” in grado di resistere a dosi di radiazioni impensabili e per questo entrato nel Guinness World Records come la “forma di vita più resistente del mondo”. Ma vediamo passo per passo chi è e cosa è in grado di fare.

CONAN: un nome una garanzia
Deinococcus radiodurans, volgarmente detto “Conan il batterio”, fu scoperto nel 1956 da Arthur W. Anderson presso l’Oregon Agricultural Experiment Station di Corvallis nel corso di un esperimento per dimostrare la possibilità di sterilizzare il cibo in scatola con alte dosi di raggi gamma. Durante l’esperimento, una scatola di carne macinata venne irradiata con una dose di raggi-γ pari a 4000Gy (nel Sistema Internazionale il gray è l’unità di misura della dose assorbita di radiazione e un’esposizione di un gray corrisponde a una radiazione che deposita un joule per chilogrammo di materia), una dose che è approssimativamente 250 volte superiore a quella tipicamente usata per uccidere Escherichia coli. Al termine dell’esperimento, nonostante la radiazione elevata, riuscirono a isolare un batterio che era sopravvissuto. Inizialmente lo chiamarono Micrococcus radiodurans per la sua somiglianza morfologica ai membri del genere Micrococcus, ma con studi successivi venne riclassificato come Deinococcus radiodurans, ossia “terrificante cocco resistente alle radiazioni”.

La carta di identità di Conan
Conan è un batterio di forma sferica piuttosto grande (diametro compreso tra 1,5 e 3,5 µm). Di solito si raggruppa in una struttura formata da quattro cellule, costituendo colonie lisce, convesse e pigmentate dal rosa al rosso. Si tratta di un batterio immobile che non forma endospore e con una parete cellulare particolare. In condizioni ottimali, il tempo di generazione di D. radiodurans è di circa 80 min; la temperatura di crescita ottimale è di 30°C, ma la sua moltiplicazione rimane ottima anche per temperature di 37°C mentre si blocca se scende sotto i 4°C o supera i 45°C.
Ad oggi non si è riusciti ancora a definire l’habitat naturale di questo “super batterio” in quanto i membri di questa famiglia si possono ritrovare un po’ ovunque. É possibile isolarli in ambienti ricchi di nutrienti organici come terreni, feci animali, carni lavorate e acque di scarico, ma lo si ritrova anche negli alimenti secchi, nelle polveri casalinghe, negli strumenti medici e nei tessuti dei vestiti che sono sicuramente ambienti poveri di nutrienti. Ciò porta gli scienziati a presumere che questo batterio si sia evoluto per sopravvivere a periodi di prolungato stress ambientale. Molto importante è notare che D. radiodurans è eccezionalmente resistente all’essicazione: da uno studio risulta in grado di sopravvivere per sei anni in un essiccatore mantenendo il 10% di vitalità.
Proprio per questi suoi adattamenti viene definito un batterio poliestremofilo (cioè in grado di resistere a molte condizioni proibitive per l’uomo) in quanto è resistente alle radiazioni ionizzanti, ai raggi ultravioletti, alla disidratazione, all’ossidazione e all’esposizione ad agenti elettrofili.
Il genoma di Deinococcus radiodurans è composto da due cromosomi di forma circolare, il primo da 2,65 Mbp (milioni di coppie di basi), il secondo da 412 kbp (migliaia di coppie di basi); un megaplasmide composto da 177 kbp e un plasmide (porzione di DNA circolare a doppio filamento, presente nel citoplasma dei batteri, in grado di replicarsi indipendentemente dal cromosoma) composto da 46 kbp, che contengono in totale circa 3.195 geni. In fase stazionaria, ciascuna cellula batterica contiene quattro copie del suo genoma, mentre nelle fasi di rapida moltiplicazione queste diventano da otto a dieci.
Questa combinazione di fattori ha fatto di Conan un candidato promettente sia per lo studio dei meccanismi di danno e riparazione del DNA, sia per il suo sfruttamento per scopi pratici quali la pulizia e la stabilizzazione dei siti dove vengono stoccati i rifiuti radioattivi.

Resistenza alla radioattività: come e perchè
La radiazione ionizzante, che comprende raggi-X, raggi-ɤ e una parte dei raggi ultravioletti, è un tipo di radiazione che possiede energia sufficiente per ionizzare atomi e molecole con le quali viene in contatto. In particolare la radiazione è in grado di ionizzare le molecole di DNA, inducendo basi adiacenti di timina a formare legami covalenti che possono interferire con i meccanismi di replicazione causando mutazioni che possono recare danni anche gravi alla cellula. Da studi svolti sulle vittime delle bombe atomiche di Hiroshima e Nagasaki, così come dai risultati di esperimenti condotti con gli scimpanzè e gli altri mammiferi, è noto che una persona esposta a una dose di 10 Gy di radiazione ionizzante morirà entro una settimana o due. Escherichia coli, che è il batterio più utilizzato durante gli esperimenti di ricerca, non riesce a sopravvivere a una dose di 60 Gy, mentre Deinococcus radiodurans è in grado di resistere ad una dose unitaria di 5 000 Gy senza perdere vitalità; se si sale a 17 500 Gy riesce a mantenere, nonostante tutto, una vitalità del 37%; anche a 30 000 Gy qualche batterio riesce a sopravvivere. D. radiodurans può quindi sopportare dosi di radiazione che ucciderebbero qualsiasi altro organismo. Questo però non vuol dire che il batterio non sia influenzato dalle radiazioni, anzi, il suo genoma viene rotto in centinaia di frammenti proprio come succede al genoma di qualsiasi altro organismo.
Come riesce allora Conan a sopravvivere nonostante il suo DNA venga frammentato?
Questo batterio è in grado di riparare completamente il proprio DNA entro 12-24 ore, come se nulla fosse mai accaduto. Tutte le cellule viventi sono in grado di riparare il proprio DNA in una certa misura: Saccharomyces cerevisiae (il banale lievito per produrre vino e birra) lo sa fare, Escherichia coli lo sa fare, anche noi ne siamo capaci, ma Conan lo sa fare meglio di qualsiasi altro.
Come riesce D. radiodurans a riparare così bene il suo DNA?
Spiegare quali sono i meccanismi che permettono a Deinococcus radiodurans di sopravvivere non è facile. Sicuramente il principale vantaggio di Conan è di possedere copie multiple del proprio materiale genetico. Come già detto, questo batterio possiede quattro copie del proprio genoma in fase stazionaria e da otto a dieci in fase di replicazione. Il materiale genetico supplementare protegge la cellula in due modi: ci sono copie multiple dei geni fondamentali per la sopravvivenza cosicché, se anche uno viene rotto dalla radiazione, ci sono le altre copie che permettono la salvezza; le copie multiple permettono al batterio di riparare il proprio DNA con i meccanismi che saranno spiegati tra poco.
Molti batteri possiedono copie multiple del proprio genoma, e anche E. coli è tra questi, ma ciò non basta per la sopravvivenza. Gli scienziati K. W. Minton e M. J. Daly nel 1996 hanno dimostrato che D. radiodurans ha un sistema di riparazione simile a quello degli altri organismi, il suo vantaggio è che tutti i suoi meccanismi di riparazione sono più efficienti.
Nel caso di riparazione per ricombinazione omologa o classica o RecA-dipendente quando un cromosoma si rompe, un enzima chiamato RecA si lega al frammento rotto e ricerca porzioni di DNA complementari per poterli usare come basi per replicare la parte di DNA mancante. Conan è in grado di fare questa “ricerca per omologia” in maniera eccellente, infatti è in grado di riunire 500 frammenti di DNA senza problemi in un solo giorno. In confronto, E. coli, pur essendo capace di operare questo tipo di ricombinazione, non riesce a riparare più di due o tre rotture a carico del DNA. Minton e Daly osservarono anche che la ricombinazione classica non inizia prima di quattro ore dopo l’esposizione alla radiazione. In questo intervallo di tempo il batterio ha già iniziato a riparare il DNA attraverso un processo noto come single-strand annealing (SSA).
Se la riparazione avviene per SSA bastano due frammenti di DNA omologhi a singolo filamento. Questo tipo di riparazione inizia quasi subito dopo il danneggiamento (è possibile rilevarla entro un’ora e mezzo). Minton e Daly affermano che non sono sicuri che D. radiodurans sia in grado di operare questo tipo di riparazione, ma è presente in molti batteri come in E. coli, nel caso di Conan sarebbe solo molto più efficace e efficiente.
La riparazione SSA ripara circa un terzo di tutte le interruzioni che sono causate ai cromosomi dalle radiazioni, riducendo così il numero di frammenti che devono essere ricomposti con la ricombinazione classica.
Questi processi di riparazione non introducono un maggior numero di mutazioni rispetto alla replicazione ordinaria, quindi permettono a Conan non solo di riparare i danni da radiazioni, ma anche di sopravvivere senza apportare ulteriori mutazioni dannose.

Da dove viene Conan? È un marziano?
Le resistenze multiple di D. radiodurans hanno favorito una serie di descrizioni piuttosto fantasiose sull’origine di questo organismo. Alcuni ipotizzano che questa specie sia giunta sulla Terra attraverso una cometa, altri, ancora più estrosi, ipotizzano che si sia originato attraverso mutazioni dovute ai tentativi dell’umanità di sfruttare l’energia nucleare. A favore di queste teorie c’è il fatto che gli attuali livelli di radiazioni di fondo dell’ambiente sono molto bassi. Ad eccezione della città di Ramsar in Iran (radiazione di fondo di 260 mGy all’anno), e Guarapari in Brasile (radiazione di fondo di 175 mGy all’anno) tutte le altre regioni della Terra hanno valori molto inferiori (radiazione di fondo intorno agli 0,4 mGy all’anno). Con radiazioni di fondo così basse, è normale chiedersi quale possa essere stata la pressione selettiva che abbia potuto dare un vantaggio evolutivo a un batterio così resistente alle radiazioni e indagare su una sua possibile origine extraterrestre.
Un team di scienziati russi e americani ha proposto che la radioresistenza di Conan abbia origini marziane. Secondo questi autori l’evoluzione del microrganismo potrebbe avere avuto luogo sulla superficie di Marte, per poi diffondersi sulla Terra dopo un impatto meteorico. Durante vari esperimenti, sono riusciti a rendere radioresistenti batteri “classici” come E. Coli esponendoli a cicli multipli di dosi quasi letali di radioattività seguiti da periodi di “riposo” durante i quali le popolazioni batteriche potevano accrescersi e recuperare vitalità. Cicli naturali di questo tipo potrebbero aver luogo solo su Marte. La loro ipotesi si basa sulla teoria astronomica delle oscillazioni del clima marziano. Il biota marziano potrebbe accumulare grandi dosi di radiazioni durante i periodi di clima freddo, mentre durante i periodi di clima caldo le popolazioni batteriche potrebbero riprendersi e moltiplicarsi, favorendo così la possibilità di adattarsi alla radioattività. Tuttavia, a parte l’estrema resistenza alle radiazioni, D. radiodurans è geneticamente e biochimicamente molto simile ad altre forme di vita terrestri, una circostanza che depone contro l’ipotetica origine marziana.
Valerie Mattimore e John R. Battista dell’Università della Louisiana hanno invece ipotizzato che la resistenza alla radioattività di Conan sia dovuta a un effetto collaterale di una prolungata essicazione cellulare. Dai loro esperimenti è risultato che ceppi mutanti del batterio, sensibili alle radiazioni, risultavano altrettanto sensibili ai danni causati da una prolungata essicazione, mentre i ceppi wild-type (ceppi con fenotipo selvatico, non mutato) sono resistenti ad entrambe. I ceppi radioresistenti, se essiccati per 6 settimane, sopravvivevano nel 63% dei casi; al contrario, ogni ceppo radiosensibile testato era sostanzialmente più sensibile all’essicamento. Durante la disidratazione, nel batterio si accumulano rotture del DNA a doppio filamento proprio come succede in seguito alle radiazioni. Da questi dati è quindi evidente che la resistenza all’essicazione e alla radioattività sono fenomeni funzionalmente correlati e che, perdendo la capacità di riparare il danno cellulare indotto dalle radiazioni ionizzanti, D. radiodurans risulta sensibile agli effetti letali dell’essicazione.

Applicazioni
1. Decontaminazione di siti radioattivi
Hassan Brim e altri collaboratori del dipartimento di patologia dell’Università di Bethesda (Maryland, USA) sono riusciti a sviluppare un batterio resistente alle radiazioni che può essere utilizzato per il trattamento dei rifiuti misti contenenti mercurio ionico, un elemento altamente tossico. La maggior parte dei rifiuti generati in seguito alla produzione di armi nucleari tra il 1945 e il 1986 sono stati sotterrati con il rischio di contaminare il sottosuolo di migliaia di siti. Negli Stati Uniti, circa un terzo dei siti di stoccaggio di rifiuti radioattivi presenta una radioattività pari a 370 MBq (Megabecquerel, il becquerel è l’unità di misura del SI dell’attività di un radionuclide -spesso chiamata in modo non corretto radioattività- ed è definita come l’attività di un radionuclide che ha un decadimento al secondo). Si stima che queste perdite di radioattività abbiano contaminato un’area di 7,5 x 107 m3 di superfici e terreni del sottosuolo e circa 2 x1012 dm3 di falde acquifere. Questi rifiuti altamente tossici contengono contaminanti inorganici e organici che includono radionuclidi (un nuclide, ossia una singola specie nucleare, instabile, che decade emettendo energia sotto forma di radiazioni) come 235Uranio, metalli pesanti come mercurio e solventi come il toluene. Il costo di bonifica di questi siti di rifiuti, con metodi fisico-chimici, è stato stimato intorno ai 265 bilioni di dollari. Quest’elevato costo ha stimolato lo sviluppo di strategie per il biorisanamento (rimozione di contaminanti dagli ambienti inquinati mediante processi di degradazione biologica) utilizzando microrganismi specializzati in grado di porre rimedio sia ai contaminanti organici che a quelli metallici. Lo sviluppo di metodi microbiologici per il trattamento dei rifiuti altamenti radioattivi dipende fortemente dalla capacità dei microrganismi di svolgere la funzione corretta per decontaminare il sito e di sopravvivere in un ambiente radioattivo. Sono numerosi i microorganismi studiati in grado di degradare inquinanti metallici ma, nella maggior parte dei casi, il microrganismo non è in grado di sopravvivere in un ambiente altamente radioattivo. Ad esempio il mercurio ionico può essere convertito in mercurio elementare volatile (molto meno tossico), dall’enzima Mercurio-reduttasi. Questo enzima viene prodotto dal gene merA presente in diversi batteri tra cui E. coli; tuttavia, come già sappiamo, questi batteri non possono essere utilizzati per detossificare scorie radioattive a causa della loro sensibilità alla radioattività. D. radiodurans, al contrario, potrebbe esser utilizzato, ma non possiede il gene merA e quindi l’enzima Mercurio-reduttasi.
Brim e colleghi sono riusciti a clonare (inserire un gene o un frammento di DNA in un’altra molecola di DNA grazie a enzimi particolari che tagliano e poi legano la sequenza nucleotidica), il gene merA da E. coli a D. radiodurans ottenendo così ceppi batterici in grado di crescere sia in presenza di radiazioni sia di mercurio ionico a concentrazioni molto superiori a quelle riscontrate nelle discariche radioattive, e di ridurre efficacemente la concentrazione di mercurio altamente tossico. Per clonare il gene merA all’interno di D. radiodurans, gli scienziati hanno preso il gene da E. coli e l’hanno inserito in un plasmide (piccolo filamento di DNA circolare a doppia elica, presente nel citoplasma dei batteri e riconoscibile dal cromosoma batterico per le dimensioni ridotte. Il materiale genetico che lo contraddistingue permette all’organismo ospite di svolgere varie funzioni non essenziali, ma che conferiscono alla cellula un vantaggio selettivo). Successivamente il plasmide stesso viene inserito all’interno di Conan in modo da renderlo capace di esprimere il gene merA, produrre la Mercurio-reduttasi e quindi degradare il mercurio ionico. L’espressione genica (quanto enzima viene prodotto) può essere regolata variando il numero di copie del gene per cellula; quindi, più copie del gene ci sono all’interno del batterio, più questo è in grado di decontaminare alte concentrazioni di mercurio.
Oltre a ciò sono riusciti anche a dimostrare che diversi cluster di geni, ossia gruppi di geni diversi, si possono utilizzare per ingegnerizzare Conan in modo da renderlo utilizzabile per il trattamento dei rifiuti radioattivi misti che contengono sia mercurio sia toluene. Ora Brim e colleghi stanno cercando di ingegnerizzare D. radiodurans per decontaminare anche tossine organiche presenti nei rifiuti radioattivi come gli idrocarburi.
2. Dispositivo di memorizzazione
Conan potrebbe avere anche un altro utilizzo importante; infatti potrebbe essere utilizzato come dispositivo di memorizzazione di dati in grado di resistere a catastrofi nucleari: in altre parole un hardware vivente. Il Dr. Hari Mohan E i suoi collaboratori hanno utilizzato batteri come dispositivi di memorizzazione in quanto, con loro, non c’è il rischio di perdere dati come può succedere con i dischi magnetici se vanno in crash. Diversi scienziati hanno anche provato a utilizzare altri biomateriali come proteine o tessuti ma si degradano troppo rapidamente; invece se i dati sono memorizzati nel DNA batterico possono essere conservati e trasmessi alla progenie senza perdita. L’ulteriore vantaggio di Conan è la sua capacità di conservare i dati anche in condizioni ambientali avverse.
Pak Chung Wong e i suoi collaboratori hanno sviluppato un protocollo per utilizzare microrganismi come dispositivi di memorizzazione, suddiviso in quattro fasi principali: codificazione della sequenza di DNA artificiale, ingegnerizzazione del microrganismo con la sequenza prodotta; moltiplicazione dei microrganismi; eventualmente estrazione delle informazioni inserite dai microrganismi.
Uno dei primi passaggi è scegliere il batterio migliore da utilizzare: tra quelli più utilizzati c’è E. Coli e soprattutto D. radiodurans. Successivamente viene prodotta artificialmente la sequenza nucleotidica. Poichè il DNA è una sequenza digitale, è possibile trasformare qualsiasi testo in una seguenza di numeri così come si utilizza il sistema binario per codificare i caratteri ASCII. Poi si trasforma la sequenza numerica con un sistema numerico quaternario ottenendo così una sequenza composta da quattro numeri diversi proprio come il numero di nucleotidi. Per ultimo si trasforma la sequenza quaternaria in una sequenza nucleotidica che può essere prodotta artificialmente in laboratorio. Wong e colleghi hanno deciso di utilizzare la canzone di Disneyland “It’s a small world” e di convertirla in una sequenza nucleotidica.
Il DNA così prodotto se è troppo grande viene tagliato in diversi frammenti e ognuno di questi viene inserito all’interno di un plasmide e poi nell’ospite batterico, dove può rimanere per sempre senza il rischio di perdere informazione.
Se necessario, la sequenza inserita nel batterio può essere estratta, riunita agli altri frammenti e riconvertita per riottenere l’informazione iniziale attraverso un processo che è praticamente l’opposto di quello visto ora.
Uno dei problemi principali nell’utilizzo di microrganismi come dispositivi di memorizzazione è il rischio che durante la sua crescita insorgano nel DNA batterico delle mutazioni casuali, che possono alterare l’informazione inserita. Il problema si è risolto in parte utilizzando proprio Conan che, come abbiamo già visto prima, ha un formidabile sistema di riparazione degli errori del DNA.
Questo nuovo protocollo potrebbe quindi essere utilizzato per memorizzare in modo permanente qualsiasi informazione in un batterio.
Abbiamo così visto quante cose sono state scoperte in circa 60 anni di ricerche su Deinococcus radiodurans, ma tante domande rimangono ancora aperte e solo continuando nella ricerca si potrà scoprire forse tutto di questo formidabile batterio in modo da poterlo utilizzare nelle più disparate applicazioni.

A cura di Marika Armani

 
 
 
Eni S.p.A. - P.IVA 00905811006