Comunicazione cellulare nei batteri lattici degli alimenti

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- la produzione di biofilm, come osservato in Pseudomonas aeruginosa (Davies et al., 
1998; Zhu e Mekalanos, 2003);  
- la virulenza in alcune specie, tra cui Vibrio cholerae (Miller et al., 2002); 
- la produzione di antibiotici (Derzelle et al., 2002; Takano et al., 2001); 
- l’induzione di fattori di virulenza negli organismi di ordine superiore (es. piante) (Dow et 
al., 2003); 
- la sintesi di batteriocine (Eijsink et al., 1996; Brurberg et al., 1997; Hauge et al., 1998);  
- la sporulazione (Perego e Hoch, 1996); 
- la regolazione dei flussi nutritivi (March e Bentley, 2004). 
La comunicazione cellulare tra i batteri si può avere a livello intra- e interspecie 
mediante meccanismi differenti in funzione dei batteri Gram-negativi e batteri Gram-
positivi. Affinché un composto chimico possa essere considerato una molecola segnale 
deve poter innescare una reazione all’interno di una popolazione microbica diversa da 
quella che le cellule presentano in una condizione individuale. Le molecole segnale devono 
possedere anche proprietà chimiche che ne consentano la diffusione nell’ambiente.  
In relazione agli ecosistemi alimentari tali molecole possono avere anche delle 
ripercussioni dal punto di vista organolettico. In generale, ogni specie batterica produce e 
risponde ad un solo segnale autoinduttore. Nei batteri Gram-negativi, la comunicazione 
intra-specie è mediata da una famiglia di molecole definite chimicamente come acil-
omoserina lattoni, in sigla AHLs dall’inglese acyl-homoserine lactones (oppure, HSL) 
(Fuqua et al., 2001). Nei batteri Gram-positivi, il quorum sensing intra-specifico è per lo 
più regolato da peptidi a basso peso molecolare (Merritt et al., 2003). 
Molti autoinduttori consentono di mettere in atto la comunicazione intra-specie, 
tuttavia un autoindutore di recente scoperta, definito come Autoinduttore di tipo 2 (AI-2), è 
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stato indicato come molecola segnale universale per la comunicazione a livello 
interspecifico. Alcuni studi indicano che l’autoinduttore AI-2 contiene informazioni 
aggiuntive oltre a quelle relative alla densità cellulare raggiunta. Tale molecola segnale è 
stata rilevata ed identificata in Vibrio harveyi. Questo microrganismo produce un tipico 
autoinduttore (HSL autoinduttore AI-1) dei batteri Gram-negativi; tuttavia, la risposta 
all’autoinduttore HSL è mediata da un circuito di fosforilazione a due componenti simile a 
quello dei batteri Gram-positivi. Inoltre, V. harveyi produce e rileva un secondo 
autoinduttore di tipo AI-2. Quest’ultimo è sintetizzato da una significativa varietà di batteri 
Gram-negativi e Gram-positivi, e in ogni caso la produzione richiede la presenza di una 
proteina denominata LuxS. 
Diversamente da quanto accade per l’HSL e per gli oligopeptidi autoinduttori, la via  
biosintetica dell’AI-2 è caratterizzata da composti intermedi che sono risultati identici  in 
tutti gli studi relativi a batteri produttori di autoinduttori AI-2 sinora affrontati. Tali risultati 
hanno portato a definire l’autoinduttore AI-2 un segnale “universale” che funziona nella 
comunicazione intercellulare (Miller e Bassler, 2001). Recentemente è stata determinata la 
struttura chimica dell’autoinduttore AI-2 di V. harveyi; che si identifica in un furanosil 
borato-diestere diverso da altri autoinduttori (Chen et al., 2002). 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO 1 
 
1.1 Il quorum sensing nei batteri Gram-negativi 
 
In tempi relativamente recenti (il primo lavoro risale al 1979) è stato descritto il 
sistema di comunicazione cellulare nei batteri Gram-negativi ed in particolare in Vibrio 
fischeri (Neaslon e Hastings, 1979). All’epoca, non si parlava ancora di quorum sensing e 
la comunicazione cellulare era considerata un fenomeno di scarsa importanza. V. fischeri è 
un batterio marino che vive in determinati organi di alcuni ospiti, come ad esempio il 
calamaro Euprymna scolopes o il pesce Monocentris japonicus (Neaslon e Hastings, 1979; 
Miller e Bassler, 2001). Nell’associazione tra il batterio e l’organismo superiore, il primo 
fornisce la bioluminescenza, mentre il secondo garantisce un ambiente ricco di nutrienti 
per il batterio. L’ospite utilizza la luce, prodotta dal batterio, per l’accoppiamento e per 
sfuggire ai predatori. Quando la densità della popolazione di V. fischeri aumenta, 
nell’organo luminescente si accumula una determinata quantità di autoinduttore, la cui 
rilevazione permette ai batteri di capire di essere all’interno dell’organo preposto. Quando 
nell’organo è raggiunta una determinata concentrazione di autoinduttore, si innesca una 
cascata di reazioni che porta alla trascrizione dei geni che codificano per la 
bioluminescenza. L’emissione di luce da V. fischeri si ha solo ad elevate densità cellulari e 
solo negli organi preposti dell’ospite. E. scolopes, infatti è un organismo animale notturno 
che vive su bassi fondali costieri ed il suo organo luminescente è in posizione ventrale. 
Esso è dotato di un’apertura, una valvola, grazie alla quale è in grado di modulare 
l’intensità della luce emessa dalla coltura simbiotica di V. fischeri. In funzione della luce 
lunare e stellare che colpisce il suo dorso, il calamaro è in grado di regolare l’apertura e la 
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chiusura di questa valvola in modo da non proiettare alcuna ombra al di sotto della sua 
sagoma. Tale strategia permette allo stesso di sfuggire ai predatori. Il sistema di quorum 
sensing in V. fischeri (Figura 1) ha inizio con la codifica, da parte del gene luxI presente 
nell’operone luxICDABE, per l’enzima autoinduttore sintetasi LuxI. Questo enzima è 
responsabile della sintesi della molecola segnale autoinduttore. In particolare, si tratta di un 
N-(3 oxoesanoil)-omoserina lattone (HSL).  
L’elevata concentrazione dell’autoinduttore segnala ai batteri che essi si trovano 
nell’organo luminoso. In ambiente oceanico, infatti, l’AI si disperderebbe, impedendo la 
comunicazione cellulare. L’HSL diffonde passivamente nell’ambiente esterno fino al 
raggiungimento di un “quorum”. Raggiunta tale soglia, la molecola ritorna nella cellula. Il 
passaggio, che avviene contro gradiente, prosegue fino a quando la concentrazione nel 
citosol (circa 10 nanomoli) equipara quella extracellulare (Kaplan e Greenberg, 1985). Un 
altro gene, luxR codifica per un fattore di trascrizione LuxR che interagisce con 
l’autoinduttore, formando un complesso HSL-LuxR. Il complesso si lega a monte 
dell’operone luxICDABE. Tale meccanismo innesca la trascrizione dei componenti 
strutturali del sistema “luciferasi”, implicato nella bioluminescenza.  
La formazione del complesso HSL-LuxR-operone induce inoltre la trascrizione del 
gene luxI (Miller e Bassler, 2001). Affinché l’elemento LuxR risulti attivo, e quindi in 
grado di esplicare la sua funzione, è richiesto l’intervento di chaperonine GroEL e GroES 
che operino un riavvolgimento della conformazione (Dolan e Greenberg, 1992). Numerosi 
studi hanno dimostrato che lo stesso meccanismo di quorum sensing è comune a molte 
specie gram-negative. Nei batteri Gram-negativi, la comunicazione intra-specie è mediata 
da molecole che prendono il nome di acil-omoserina lattone, in sigla AHLs (Fuqua et al., 
2001). I substrati necessari per la sintesi di queste molecole sono l’S-adenosilmetionina 
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(SAM) e la proteina trasportatrice acyl-ACP che è un intermediario nella biosintesi degli 
acidi grassi.  
L’enzima LuxI promuove la formazione di un legame amminico tra la catena laterale 
acilica dell’acyl-ACP e la molecola SAM (More et al., 1996), con conseguente produzione 
di AHLs e rilascio di metiltioadenosina (MTA). È stato dimostrato che questo processo di 
biosintesi è analogo in tutte la specie di batteri Gram-negativi e che l’anello dell’omoserina 
lattone è conservato in tutte le molecole segnale finora identificate (Parsek e Greenberg, 
2005). La differenza, pertanto, consiste nel tipo di catena acilica laterale. Sebbene il 
meccanismo biosintetico sia il medesimo in tutte le specie Gram-negative, gli studi hanno 
dimostrato che gli autoinduttori sono unici per ogni specie, e che vi è una relazione 
univoca tra gli AHLs e la proteina LuxR. In Tabella 1 è riportato un elenco di specie 
batteriche, caratteristiche di ecosistemi alimentari, che possiedono la proteina LuxI, 
l’autoinduttore e le proteine regolatrici. 
Tra le specie in cui è stato osservato un meccanismo di comunicazione simile a 
quello di V. fischeri vi è Erwinia carotovora che è un fitopatogeno responsabile di 
marciume radicale in numerose specie vegetali. La sua virulenza dipende da molti fattori 
tra cui la sintesi di esoenzimi (pectinolasi, poligalatturonasi, cellulasi, proteasi) che 
degradano i tessuti della pianta, permettendo al batterio di penetrare e dar luogo 
all’infezione. La sintesi di tali enzimi dipende dalla densità cellulare batterica (Jons et al., 
1993; Pirhonen et al., 1993). Difatti, l’azione patogena si esplica solo nel momento in cui 
la popolazione di E. carotovora ha raggiunto un livello tale da innescare un’infezione 
consistente. Il meccanismo tramite il quale i batteri rilevano le informazioni sulla densità 
cellulare è analogo a quello esplicato da V. fischeri nella bioluminescenza ed avviene 
mediante l’azione della coppia ExpI/ExpR, analoga alla coppia LuxI/LuxR. Gli studi su E. 
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carotovora hanno dimostrato che il patogeno può adottare un altro meccanismo di quorum 
sensing che conduce alla sintesi di antibiotici del tipo “carbapenem”. La produzione di tali 
molecole è regolata dalla coppia di omologhi CarI/CarR (McGowan et al., 1995). La 
patogenicità di E. carotovora è dovuta proprio alla possibilità di esplicare un’azione 
sinergica tra la produzione dell’antibiotico e la sintesi degli esoenzimi. Gli antibiotici che il 
microrganismo sintetizza consentono di eliminare, o comunque ridurre, la popolazione di 
microbiota competitivo. Gli elementi ExpI e CarI sintetizzano lo stesso AHLs che, 
raggiunta una certa soglia, si lega all’elemento CarI, innescando la trascrizione dei geni 
che codificano per la produzione dell’antibiotico.  
Un ulteriore esempio di quorum sensing nei batteri Gram-negativi è quello di P. 
aeruginosa i cui meccanismi sono controllati da un circuito di tipo gerarchico (de Kievit e 
Iglewski, 2000) (Figura 2). In particolare, due paia di omologhi LuxI/LuxR sono stati 
identificati come LasI/LasR e RhlI/RhlR. LasI e RhlI sono autoinduttori-sintetasi che 
producono, rispettivamente le molecole segnale tipo N-(3-oxododecanoil)-omoserina 
lattone ed N-(butirril)-omoserina lattone (Pearson et al., 1995). In P. aeruginosa, questi 
due sistemi funzionano in tandem per controllare il carattere della virulenza (Pesci e 
Iglewski, 1997). Sebbene la maggior parte degli studi siano stati volti a comprendere gli 
effetti del quorum sensing nella regolazione dei fattori di virulenza, risulta evidente che il 
6-10% dei geni di P. aeruginosa sono regolati da molecole di tipo AHL (Arevalo-Ferro et 
al., 2003). Una regolazione analoga è stata osservata anche in altre specie di Pseudomonas 
(es. Pseudomonas fluorescens).