Esospore

StreptomicetiGram positivi GC-rich

Gli streptomicetiGli streptomiceti

• Eubatteri del suolo filamentosi, Gram

positivi, appartenenti all’ordine

Actinomycetales

• Presentano un complesso ciclo di

differenziamento morfologico e fisiologico

• Produttori di antibiotici

antibioticsStreptomycetes

Actinomycetes

Il Genoma di Il Genoma di Streptomyces coelicolorStreptomyces coelicolor

Cromosoma lineare Cromosoma lineare Caratterizzato da:Caratterizzato da:

• alto contenuto in G+C (72.1%)alto contenuto in G+C (72.1%)

• presenza di sequenze ripetute presenza di sequenze ripetute invertite ai telomeri (TIRs)invertite ai telomeri (TIRs)

• proteine telomeriche legateproteine telomeriche legate covalentemente al 5’ (TPs)covalentemente al 5’ (TPs)

• geni “essenziali” geni “essenziali” posti nella regione centraleposti nella regione centrale

• geni della “contingenza” disposti geni della “contingenza” disposti preferibilmente nelle “ARMS”preferibilmente nelle “ARMS”

Esospora

Superficie delle ife

vegetative è idrofila

Superficie delle ife aeree

è idrofoba

Ciclo vitale di S. coelicolor

agar surface

spore chains

diffusible antibiotic

Sezione trasversale di una colonia Colonia vista dall’alto

RG1 (rapid growth 1)

metabolismo primario

RG1

T

RG2

T (transition phase) diminuizione della sintesi di macromolecole

RG2 (rapid growth 2) metabolismo secondario

S (stationary phase) produzione massiva di antibiotici e di altri metaboliti secondari

S

Coltura liquida

bldJ < citA < bldK < bldA,H < bldG < bldC < ramR,S < or > ramC < or > bldD,M SapB

I geni whi

Metabolismo secondario

• Processi metabolici apparentemente non essenziali per la vita del microrganismo.

• Esempi di metaboliti secondari: pigmenti, sostanze odorose, siderofori, antibiotici

Myxospore

Mixobatteri:Gram-negativi

Aerobi

Myxococcus xanthus

Movimento da pili di tipo IV 105 Cellule

Myxococcus xanthus

When nutrients are present, groups of cells (swarms) grow and divide and move outward in search of additional macromolecules.

Upon starvation, cells aggregate at discrete foci to form mounds and then macroscopic fruiting bodies.

The rod-shaped cells in the fruiting bodies undergo morphogenesis and form spherical spores that are metabolically inactive and partly resistant to desiccation and temperature.

When nutrients become available, the spores germinate and complete the life cycle.

• exists as a self-organized, predatory, saprotrophic, single-species biofilm called a swarm.

• It consists of rod shaped, gram-negative cells that exhibit self-organizing behavior as a response to environmental cues.

• This behavior facilitates predatory feeding, as the concentration of extracellular digestive enzymes secreted by the bacteria increases.

• M. xanthus is a model organism for development; a behavior in which starving bacteria self-organize to form fruiting bodies: structures of approximately 100,000 cells that, over the course of several days, differentiate into metabolically quiescent and environmentally resistant myxospores.

• M. xanthus does not contain flagella and cannot swim in a liquid medium; it moves by gliding motility on solid surfaces.

• During vegetative growth, cells swarm to gather nutrients in the environment.

• When M. xanthus cells are unable to find sufficient nutrients, they enter a developmental process in which they aggregate in raised pigmented mounds, termed fruiting bodies.

• Within the fruiting bodies cells differentiate to form metabolically dormant spores

Genomics

• The complexity of the M. xanthus life cycle is reflected in its 9.14 MB chromosome, the largest prokaryotic genome sequenced until the sequencing of Sorangium cellulosum (12.3 Mb).

• Development is controlled through a cascade of transcriptional regulators (TR) that control downstream gene expression.

Thousands of Myxococcus xanthus cells amassed into a fruiting body with spores

Stigmatella aurantiaca

Sistemi di controllo globale dell’espressione genica

Un batterio può regolare molti geni diversi simultaneamente in risposta a cambiamenti ambientali. Spesso più operoni o reguloni diversi possono essere attivati o disattivati

Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso pathway

Se geni e operoni appartengono a pathway differenti si parla di moduloni

ESEMPI: regolazione mediante fattori sigma alternativi

repressione da catabolita

Il regulone

Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso pathway

Il regulone del maltosio è sotto controllo positivo

gene1 gene2 gene3

gene regolatore

P

“activator binding site”

maltosioattivatore +maltosio

Gene o operonelocalizzazionearg A 60 minarg B-C-E-H 88 minarg D 72.5 minarg F 6 minarg G 68 min

Il regulone per la biosintesi dell’arginina

Esempio di regulone sottoposto a controllo negativo: tutti i geni per la catena biosintetica dell’arginina sono regolati da un repressore

Fattori sigma alternativi e regolazione globale dell’espressione

genica

Subunità sigma Geni trascrittiSegnalein E. coli

s 70 maggior parte dei geni

s 32 geni heat-shock temperatura elevata

s 55 geni regolati dall’azoto carenza di

ammonio

s 38 geni da stress ossidativi agente ossidanteOgni fattore sigma riconosce una classe di promotori con specifiche sequenze consensus -35 e -10.

Repressione da catabolita

Quando un batterio cresce in un mezzo contenente glucosio come risorsa di energia, la sintesi di enzimi catabolici non correlati viene inibita

In presenza di diverse fonti di energia, il batterio sceglie per prima quella più facilmente utilizzabile

Gli enzimi per il catabolismo del glucosio sono costitutivi

Circa 300 geni di E. coli sono regolati mediante repressione da catabolita

L’operone lac

Z Y AO

lacZ: -galattosidasilacY: -galattoside permeasilacA: -galattoside transacetilasi

Geni strutturali

mRNA policistronicoregolazione coordinata: tutti i geni si esprimono all’unisono

PI

mRNA

DNA

proteine

Induzione: sintesi di enzimi in risposta alla comparsa di un substrato specifico

Cellule di E. coli, in assenza di lattosio, contengono poche molecole di -galattosidasi (<5)

lattosio

glucosio galattosio

In presenza di lattosio , nel giro di pochi minuti, vengono sintetizzate fino a 5000 molecole di -galattosidasi (5-10% delle proteine totali)La molecola che causa la produzione dell’enzima capace di metabolizzarla è chiamata induttore

La capacità di agire da induttore è altamente specifica. Molecole strutturalmente affini al lattosio possono agire da induttori della -galattosidasi ma non vengono metabolizzate: una molecola con questa caratteristica è chiamata induttore gratuito (IPTG) Se l’induttore è rimosso la sintesi degli enzimi si blocca

La crescita diauxica

0 1 2 3 4

Tempo (ore)

esaurimento del glucosio

induzione galattosidasi

utili

zzaz

ione

del g

luco

sio

utilizz

azione

del lat

tosio

Densi

tà b

att

eri

ca

Crescita in un terreno contenente glucosio e lattosio

il glucosio inibisce la sintesi di -galattosidasi

durante la fase di latenza viene espresso l’operone lac e sintetizzata -galattosidasiIl tasso di crescita può variare