Persistenza batterica. Crescita, persistenza e resistenza

Crescita, persistenza e resistenza

Le cellule batteriche sanno regolare il proprio ciclo di crescita in risposta ai cambiamenti delle condizioni ambientali. Vi concorrono diversi meccanismi: lo stato vitale ma non coltivabile (VBNC), la persistenza (che rimanda a una resistenza agli antibiotici per varianti fenotipiche non ereditarie, tramite i sistemi tossina-antitossina) e l’inibizione della crescita dipendente dal contatto. Questi meccanismi sono esposti qui di seguito.

La persistenza batterica

Nel complesso è il DNA a trasmettere nel tempo i caratteri fenotipici (l’aspetto esteriore dell’organismo). I caratteri fenotipici rimandano ai geni espressi in quell’organismo; molti geni non sono espressi pur essendo presenti. Gli organismi presentano inoltre variazioni fenotipiche che possono persistere per più di una generazione senza alcuna modifica diretta del loro DNA. In altre parole, questa variazione fenotipica non è codificata nel DNA: il microrganismo conserva la memoria del proprio ambiente passato. Questa facoltà permette ai batteri di influenzare le generazioni successive. Popolazioni batteriche geneticamente identiche possono quindi reagire in modo diverso a un trattamento antibiotico. La persistenza resta poco compresa e coinvolge diversi meccanismi chiariti solo in parte.

Più di recente alcuni lavori hanno permesso di chiarire una via della persistenza. Ricordiamo che i batteri persistenti, sottopopolazione di una data specie, tollerano diversi tipi di antibiotici. Hanno lo stesso genoma dei loro simili non persistenti, ma sono entrati in uno stato di dormienza che li rende resistenti a certi antibiotici.

Un locus di persistenza è stato individuato in E. coli. Questo locus di DNA contiene una regione codificante un sistema tossina-antitossina (TA). Alcune sequenze nucleotidiche TA codificano una proteasi Lon (Long Form Filament, enzima che scinde le proteine) e un’endonucleasi dell’mRNA (enzima che scinde l’RNA, mRNasi). Le antitossine controllano l’attività delle mRNasi, che sono substrati di Lon. Si è osservato che la rimozione di Lon riduce la persistenza e che la sua sovrapproduzione aumenta la quota di batteri persistenti, il che non avviene in assenza delle mRNasi. Le mRNasi codificate dal locus TA vengono attivate in una piccola sottopopolazione di batteri in crescita, per degradazione delle antitossine a opera di Lon. Si è osservato inoltre che l’attivazione delle mRNasi inibisce la traduzione cellulare globale, il che induce dormienza e persistenza. Molti batteri patogeni noti per entrare in dormienza possiedono numerosi geni TA.

È stato proposto che i geni tossina-antitossina (TA) regolino la crescita cellulare in risposta allo stress ambientale. I geni di questa regione codificante vengono attivati in caso di carenza e in altre condizioni che inibiscono trascrizione e traduzione. Le tossine codificate dai geni TA batterici sono interferasi dell’mRNA (nucleasi che scindono l’mRNA). Queste interferasi inibiscono la sintesi proteica e arrestano rapidamente la crescita batterica. È stato dimostrato che provocano uno stato batteriostatico facilmente reversibile con l’espressione dell’antitossina, anch’essa codificata dai geni TA. Uno stress ambientale provoca quindi l’attivazione della tossina, che interrompe rapidamente la sintesi proteica fino al ritorno di condizioni migliori. Poiché i geni TA sono derepressi dalla degradazione dell’antitossina, il batterio deve produrre più antitossina per contrastare l’attività della tossina una volta adattatosi allo stress. Il ritorno alla normalità dopo l’attivazione delle interferasi dell’mRNA è agevolato anche dal sistema di controllo qualità dell’tmRNA, che ricicla i ribosomi bloccati durante la traduzione degli mRNA scissi dalla tossina.

La persistenza è un meccanismo di controllo della crescita per variazione fenotipica nei batteri. Ricordiamo che non è un carattere geneticamente ereditario: la resistenza agli antibiotici dovuta alla persistenza è un meccanismo del tutto diverso dalle forme ereditate geneticamente. I meccanismi di persistenza sono stati difficili da studiare perché non sono ereditari e si manifestano con bassa frequenza. È stata studiata una classe di cellule persistenti, detta di tipo I. La loro comparsa è legata al sistema TA e all’espressione dei geni HipA-HipB. Si è osservato che una mutazione del gene hipA (7) moltiplica per mille la frequenza delle persistenti. Queste cellule sono dormienti, non si dividono e compaiono spontaneamente in una popolazione batterica. È stato osservato un altro tipo di cellule persistenti, detto di tipo II, che si comporta diversamente dal tipo I: le cellule di tipo II continuano a crescere lentamente in presenza di ampicillina per qualche generazione. Si suggerisce che lo stato delle persistenti di tipo II possa essere debolmente ereditario; sarebbe allora mediato dalla metilazione del DNA, che è ereditabile ma può perdersi nel giro di poche generazioni batteriche.

Questi meccanismi sono ancora poco compresi e non si sa se l’attivazione del sistema TA sia la conseguenza o la causa della persistenza. Alcuni ricercatori suggeriscono che la persistenza possa derivare dall’invecchiamento cellulare. Altri ritengono che le persistenti possano essere governate da un interruttore bistabile doppiamente negativo: un aumento del rapporto tossina/antitossina avverrebbe in una cellula per una degradazione stocasticamente più forte dell’antitossina, con conseguente calo della traduzione in quella cellula e poi un ulteriore calo, essendo la tossina più stabile dell’antitossina.

Sono stati individuati fenomeni epigenetici, tra cui gli stati VBNC e di persistenza, con i quali i batteri creano diversità fenotipica. In quanto meccanismi di regolazione della crescita non ereditari, restano poco compresi. I batteri sono comunque capaci di regolare la propria crescita in funzione dei cambiamenti del loro ambiente. L’epigenetica comprende la modifica chimica di geni determinati o delle proteine a essi associate, modifica che cambia il modo in cui un gene è espresso e utilizzato dalla cellula. Mette spesso in gioco interazioni tra geni e prodotti genici, da cui risulta il fenotipo di un organismo.