endocitosi

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5524 (2022) Citare questo articolo

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È opinione diffusa che il trasferimento genico orizzontale nei batteri avvenga tramite coniugazione, trasduzione e trasformazione. Questi meccanismi facilitano il passaggio del DNA attraverso la parete cellulare protettiva utilizzando macchinari sofisticati. Qui, riportiamo che i batteri carenti della parete cellulare possono fagocitare il DNA e altro materiale extracellulare attraverso un processo simile all'endocitosi. Nello specifico, mostriamo che le forme L dell'actinomicete filamentoso Kitasatospora viridifaciens possono assorbire DNA plasmidico, polisaccaridi (destrano) e nanoparticelle lipidiche da 150 nm. Il processo comporta l'invaginazione della membrana citoplasmatica, portando alla formazione di vescicole intracellulari che incapsulano il materiale extracellulare. L'assorbimento del DNA non è influenzato dalla delezione di geni omologhi a comEC e comEA, necessari per la trasformazione naturale in altre specie. Tuttavia, l'assorbimento è inibito dalla sodio azide o dall'incubazione a 4 °C, suggerendo che il processo è dipendente dall'energia. I materiali incapsulati vengono rilasciati nel citoplasma dopo la degradazione della membrana della vescicola. Dato che i batteri carenti della parete cellulare sono considerati un modello per le prime forme di vita, il nostro lavoro rivela un possibile meccanismo con cui le cellule primordiali acquisiscono cibo o materiale genetico prima dell’invenzione della parete cellulare batterica.

I batteri sono costantemente esposti ai cambiamenti delle condizioni ambientali e fanno affidamento sul loro involucro cellulare per proteggersi. L'involucro cellulare è costituito da una membrana cellulare e da una parete cellulare per separare l'ambiente interno da quello esterno. La membrana cellulare è un doppio strato fosfolipidico che racchiude il citoplasma e funziona come una barriera selettiva. La parete cellulare è costituita da uno spesso strato di peptidoglicano (PG) per i batteri Gram-positivi e da uno strato più sottile di PG circondato da una membrana esterna per i batteri Gram-negativi. Lo strato di peptidoglicano è un'importante struttura a rete che non solo fornisce protezione contro lo stress meccanico e la pressione del turgore, ma definisce anche la forma e la rigidità della cellula.

Per facilitare il passaggio selettivo delle macromolecole attraverso l'involucro cellulare, i batteri hanno sviluppato sistemi di trasporto specializzati e sofisticati1. Ad esempio, i batteri naturalmente trasformabili si affidano a complessi proteici per l’assorbimento del DNA, con componenti simili ai sistemi di secrezione pili di tipo IV o di tipo II. Il trasporto attivo del DNA attraverso la parete cellulare è facilitato dalla retrazione delle strutture del pilus che legano il DNA2,3. Le proteine ​​che legano il DNA e che formano i pori vengono quindi utilizzate per traslocare il DNA attraverso la membrana cellulare.

Sebbene la parete cellulare sia una struttura vitale per la maggior parte dei batteri, alcuni batteri sono naturalmente privi di parete cellulare o possono liberarsene in condizioni specifiche. Gli esempi includono i membri dei Mollicutes, che sono parassiti e vivono in specifici ambienti osmoticamente protettivi come le superfici della mucosa umana o i tubi del setaccio floema delle piante4. L'esposizione prolungata a fattori di stress ambientale come gli agenti che prendono di mira la parete cellulare genera le cosiddette forme L, che sono cellule che possono proliferare senza le loro pareti cellulari. La riproduzione delle forme L è indipendente dal canonico macchinario di divisione basato su FtsZ5 ed è guidata da uno squilibrio nel rapporto tra superficie e volume delle cellule causato dalla sovraregolazione della sintesi della membrana che porta a blebbing spontaneo, tabulazione e vescicolazione6,7. Queste caratteristiche primitive simili a cellule rendono le forme a L un sistema modello interessante per studiare l'evoluzione dei primi anni di vita8,9.

Alcuni attinomiceti filamentosi, come la Kitasatospora viridifaciens che forma il micelio, hanno la capacità di liberare temporaneamente la loro parete cellulare in condizioni di stress iperosmotico (Fig. 1a)7. Contrariamente alle forme L, le cellule S non sono in grado di proliferare senza la parete cellulare, sebbene queste cellule siano in grado di ritornare alla modalità di crescita miceliale dopo aver ricostruito la parete cellulare. Le cellule con carenza temporanea di parete cellulare possono anche essere generate artificialmente da batteri con parete cellulare tramite rimozione enzimatica della parete cellulare, ad esempio mediante l'azione del lisozima che degrada il peptidoglicano. Ciò porta alla formazione di protoplasti o sferoplasti, ampiamente utilizzati per scopi di ingegneria genetica, che spesso comportano l'uso di polietilenglicole (PEG) per consentire l'ingresso del DNA nella cellula10. Sebbene questa trasformazione basata su PEG sia una tecnica ampiamente utilizzata per la trasformazione di attinomiceti filamentosi, non è mai stato dimostrato in modo inequivocabile se le cellule con parete di K. viridifaciens, o le sue cellule naturali carenti di parete cellulare, siano capaci di trasformazione genetica naturale senza utilizzare PEG. Non è noto come l’assenza della parete cellulare influisca sull’assorbimento naturale di macromolecole come il DNA dall’ambiente.