Un batterio molto speciale! A very special bacterium!

I batteri sono organismi unicellulari procarioti. Sono quindi, per definizione, di piccole dimensioni (invisibili ad occhio nudo) e semplici di struttura. 

Batterio al microscopio elettronico

In genere quando si parla di batteri vengono in mente malattie e pericoli vari. In realtà non tutti batteri sono cattivi ed, anzi, non potremmo vivere senza batteri! ma di questo parleremo in altra sede.  Qui volevo solo farvi conoscere un batterio molto speciale che abbiamo scoperto nel nostro laboratorio all’Università di Pisa.

Come la maggior parte dei batteri il nostro è piccolo (è di forma ovoidale lungo 2 micrometri, cioè 2 millesimi di mm e largo 1), ma ha una struttura decisamente complessa e non è per niente cattivo, anzi……

Lo abbiamo chiamato epixenosoma (dal greco corpo estraneo che  si trova sopra) perché vive come simbionte esterno sulla superficie dorsale di protozoi ciliati del genere Euplotidium (se avete letto gli altri post ormai sapete chi sono i protozoi ciliati, se non li avete letti allora leggeteli).

Euplotidium con epixenosomi

Perchè gli epixenosomi sono batteri speciali?

Perchè, almeno nella forma matura, hanno una struttura cellulare molto più complessa di quella degli altri batteri, con alcune caratteristiche più eucariotiche che procariotiche anche perché alla complessità strutturale corrisponde una compartimentalizzazione funzionale. Il DNA è localizzato nella regione apicale e, insieme alle proteine a cui è legato, assume al microscopio elettronico un aspetto molto simile a quello della cromatina delle cellule eucariotiche; nel citoplasma ci sono fasci di tubuli probabilmente formati da tubulina, (una proteina finora considerata esclusiva degli eucarioti). 

Epixenosomi - Sezione longitudinale

Epixenosoma con la tecnica del Freeze Etching

Ma la struttura più intrigante è, a mio parere, l’apparato estrusivo.
L’apparato  estrusivo è una struttura molto efficiente: si tratta di un sottile nastro probabilmente proteico che, in condizione di riposo, è avvolto strettamente intorno ad un asse centrale ed ha forma e dimensioni ben adattate a quelle della cellula. Però, in risposta a stimoli ambientali, recepiti attraverso recettori di membrana situati nella regione apicale della cellula, il nastro si srotola dall’interno (come quando si fa il naso con le stelle filanti), e forma un tubo lungo 40µ (cioè venti volte la lunghezza della cellula) con una  parete continua, rigida alla cui estremità c’è una testa contenente il DNA che il tubo trascina con sé passando attraverso la regione apicale. Il fenomeno dell’estrusione è ben visibile con un buon microscopio ottico.

A sinistra: fase iniziale dell'estrusione (TEM); a destra: epixenosoma completamente estruso (SEM)

Ancora non sappiamo qual è, per l’epixenosoma, il significato dell’estrusione che ne causa la rottura e l‘espulsione del materiale genetico.  Che sia un modo per cercare altri ospiti?    Per ora è mistero.

Sappiamo però, perché lo abbiamo dimostrato sperimentalmente, che l’estrusione degli epixenosomi giova al protozoo ospite: infatti protozoi predatori non mangiano gli Euplotidium dotati di epixenosomi mentre mangiano tranquillamente quelli che ne sono privi.  Da notare che Euplotidium privi di epixenosomi non sono mai stati trovati in natura ma si possono ottenere in laboratorio. Questo vuol dire che l’associazione con gli epixenosomi non è vitale per gli Euplotidium ma è una speciale forma di difesa così efficiente che in natura solo gli individui che ne sono dotati riescono a sopravvivere!  Mentre altri ciliati si difendono con i loro estrusomi, cioè con organuli cellulari, questi come strumento di difesa “allevano” gli epixenosomi. Non per niente in un blog americano (Small things considered) sono stati paragonati a James Bond, l’agente 007 capace di escogitare i più imprevedibili trucchi!  wikipedia http://schaechter.asmblog.org/small things considered

 A very special bacterium

 Bacteria are unicellular procaryotic organisms. They are very small in size, too small to be seen with the naked eye, and have a very simple structure. In general the word “bacteria” is evocative of diseases and dangers. The fact that not all bacteria are dangerous and that, on the contrary, we could not leave without bacteria will be the subject of  an additional post. Here I want only to introduce a very special bacterium we discovered in our laboratory at Pisa University.

Like the majority of bacteria it is small (oval in shape 2 µm, that is two thousandths of millimiter in length and 1 µm in width) but possesses a complex structure and is far for being dangerous! We called this bacterium “Epixenosome”  (from the ancient Greek external alien body) because it lives on the dorsal surface of ciliated protozoa of Euplotidium genus.

Why epixenosomes are so special?

First of all because, as you can see in the picture, their structure is more complicated than that of the majority of known bacteria. Some characteristcs are more eukaryotic than prokaryotic and a  functional compartmentalization corresponds to the structural complexity,

Longitudinal section of epixenosomes (transmission electron microscope)

  Their DNA is localized in the upper region, is bound to basic proteins and,

at the electron microscope, it assumes a chromatin-like appearance. Moreover in the cytoplasm there are bundles of tubules in all  likelihood consisting of tubulin (a protein that up to now was considered only eukaryotic).  But the more astonishing structure is, in my opinion, the extrusive apparatus.

 The extrusive apparatus is a very well engineered structure.  It consists of a ribbon rolled up around a central core. In resting position it is compact, with shape and size well adapted to that of the intact epixenosome. The detection of external signals through membrane receptors starts up the extrusive process.

During the ejection  the ribbon unrolls from the inside by the slipping of the layers one into the other (like when we make a nose with streamers). Thus a tube forms which passes through the opening of the cell membrane (the first step of the ejecting process), and takes away the apical portion of the epixenosome containing  the genetic material.  At the end of the process the tube is 40 mm long,  that is 20 times the length of the organism, with a head 2mm long. The wall of the tube consists of the layers that are rolled up in the resting state but which are now extended, one after the other, with oblique overlapping thus ensuring the continuity of the tube.  At present we do not know the meaning of the ejection, which causes the dispersion of the epixenosomal DNA, for the bacterium itself.

 The tube at the end of the ejection

Euplotidium with some ejected epixenosomes

We know however that the ejection of epixenosomes is useful for the ciliate host. Indeed we experimentally demonstrated that predator ciliates do not eat Euplotidium with epixenosomes while easily eat those without. Note that Euplodidium without epixenosomes have never been found in nature: they can only been obtained in the laboratory. This means that  the presence of epixenosomes and their ejection is not vital for the host but represents an efficient defensive tool in nature. 
Other ciliates are able to escape predators by means of their own extrusomes:  ciliates of Euplotidium genus grow epixenosomes on their surface for their defence. For this reason in an american blog they have been compared to James Bond, the 007 agent able to invent different special weapons!