Genetica dei batteri

I batteri: nemici e amici dell'uomo. Per ragioni ben evidenti, i batteri possono essere considerati nostri nemici, poiché causano malattie con conseguenze a volte mortali. Tuttavia, gli scienziati hanno iniziato a rivolgere un sempre maggior interesse verso questi organismi a causa delle loro particolari caratteristiche, specialmente quella di trasportare e scambiarsi materiale genetico. Le moderne biotecnologie utilizzano spesso i batteri (e dai virus) come modello per sviluppare trattamenti che hanno il potenziale di salvare innumerevoli vite umane.

Genetica batterica

Spesso, i batteri vivono a spese di altri organismi fino a causarne la morte, come quelli che provocano malattie quali la peste, il colera e la lebbra.

Figura 1. Mycobacterium tuberculosis, il batterio della tubercolosi polmonare.

Figura 2. Vibrio cholerae, il batterio del colera.

Tuttavia, esistono anche batteri utili all'uomo, come quelli che costituiscono la flora intestinale e che svolgono un'importante funzione di mantenimento della mucosa intestinale e digestione del cibo ingerito.

A livello strutturale, i batteri, in quanto procarioti, non sono dotati di un nucleo. Il loro materiale genetico è contenuto all'interno di un unico cromosoma circolare collocato in una zona della cellula chiamata nucleoide.

La particolarità dei batteri che risulta interessante per gli studiosi è il fatto di contenere plasmidi.

I plasmidi si duplicano autonomamente rispetto al cromosoma. Alcuni batteri ne contengono solo uno, altri ne contengono decine, altri ancora non ne contengono. Esistono diversi tipi di plasmidi:

• Plasmidi F. Consentono lo scambio di materiale genetico tra batteri.

• Plasmidi R. Responsabili della resistenza agli antibiotici.

• Plasmidi Col. Sono in grado di uccidere altri batteri.

• Plasmidi della virulenza. Infettano le cellule che li ospitano trasformandole in cellule patogene.

• Plasmidi degradativi. Permettono di smaltire sostanze tossiche, come i pesticidi.

Figura 3. Diagramma di un batterio comune.

La trasmissione del materiale genetico può avvenire con la riproduzione cellulare, in cui il batterio si riproduce per scissione binaria (mitosi) e le due cellule figlie ottengono lo stesso patrimonio genetico della cellula madre. Lo spostamento di geni avviene in questo caso in modo verticale. Tuttavia, non è questo l'unico modo di variazione del materiale genetico. I geni possono infatti cambiare posizione all'interno dei cromosomi oppure spostarsi verso una cellula batterica non discendente (spostamento orizzontale) in vari modi:

• Coniugazione. Il DNA passa da un batterio a un altro in modo diretto.

• Trasduzione. Il DNA passa da un batterio a un altro utilizzando i virus come vettori.

• Trasformazione. Il DNA presente all'esterno della cellula viene inglobato nella cellula batterica stessa.

• Trasferimento. Il materiale genetico cambia posizione all'interno del cromosoma.

Coniugazione batterica

Un esempio di coniugazione batterica è quanto avviene tra cellule dotate di plasmidi F (chiamate batteri F⁺) e cellule prive di plasmidi F (batteri F^-). I plasmidi F sono alla base della produzione di pili, strutture proteiche collocate sulla membrana cellulare che si sviluppano in lunghezza, come una sorta di peli. Un pilo di una cellula F⁺ si allunga per attaccarsi alla membrana di una cellula F^- e, una volta "agganciata" la cellula ricevente, si accorcia per avvicinare tra loro le due cellule. A questo punto, tra i due batteri si forma un ponte che collega i due citoplasmi. Il plasmide F si divide poi in due filamenti: uno rimane nella cellula F⁺, l'altro si sposta tramite il ponte nella cellula F^-. Infine, ognuno dei due filamenti singoli funge da stampo per ricreare il filamento complementare: entrambe le cellule batteriche hanno ora un plasmide F completo ciascuna. Il batterio F^- diventa quindi F⁺ e può procedere a sua volta nel trasferimento del plasmide.

Figura 5. Coniugazione batterica nella trasmissione del plasmide F.

Inoltre, il plasmide F può anche integrarsi al cromosoma di una cellula batterica, "rubarne" alcuni geni, poi spostarsi in un'altra cellula, integrarsi nuovamente al cromosoma di questa seconda cellula e trasferirvi i geni "rubati" alla prima cellula. Il risultato finale è la ricombinazione del materiale genetico che passa dal cromosoma di una cellula batterica al cromosoma di un'altra cellula batterica.

Trasformazione batterica

I batteri dotati di particolari proteine, chiamate fattori di competenza, sono in grado di individuare, catturare e inserire materiale genetico esterno nel proprio DNA. Questo materiale genetico consiste in un filamento di DNA appartenuto a un batterio morto e che può presentare informazioni utili, come ad esempio la resistenza agli antibiotici.

Trasduzione batterica

I tipi virus si distinguono tra loro per il rivestimento proteico, che permette loro di infettare soltanto determinate cellule. I virus specializzati nell'attacco ai batteri sono chiamati batteriofagi e sono i vettori della trasduzione. Quando un virus penetra in un batterio, il suo involucro proteico viene eliminato e il suo DNA (detto profago) si inserisce nel cromosoma della cellula ospite. A questo punto, il profago può rimanere latente per qualche tempo e duplicarsi congiuntamente al materiale genetico batterico. Quando si attiva, il materiale genetico virale avvia un processo di distruzione della cellula ospite ed è pronto così a infettare una nuova cellula, portando con sé il nuovo materiale genetico acquisito.

Trasferimento batterico

I trasposoni possono contenere soltanto una breve sequenza di materiale genetico oppure alcuni geni. Il trasposone è in grado di duplicarsi autonomamente dal resto del cromosoma e di spostarsi da una parte all'altra. Nei suoi spostamenti, esso utilizza degli enzimi contenuti nella sua stessa sequenza.