Svelare le sequenze di DNA trasportate dalle vescicole di membrana dello Streptomyces coelicolor

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16651 (2022) Citare questo articolo

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Le vescicole di membrana (MV) sono particelle sferiche con dimensioni su scala nanometrica e caratterizzate dalla presenza di diversi carichi, come acidi nucleici, proteine, lipidi e metaboliti cellulari. In letteratura sono riportati numerosi esempi di (micro)organismi produttori di MV. Tra questi, le MV batteriche sono di particolare interesse perché sono ora considerate il quarto meccanismo di trasferimento genico orizzontale. I batteri Streptomyces sono ben noti per il loro ruolo ecologico e la capacità di sintetizzare composti bioattivi, essendo Streptomyces coelicolor l'organismo modello. È stato precedentemente dimostrato che può produrre popolazioni distinte di MV caratterizzate da diversi carichi di proteine ​​e metaboliti. In questo lavoro abbiamo dimostrato per la prima volta che le MV di S. coelicolor trasportano sia DNA che RNA e che il loro contenuto di DNA rappresenta l'intero cromosoma del batterio. Questi risultati suggeriscono che il DNA delle MV potrebbe avere un ruolo nell'evoluzione dei genomi degli Streptomyces e che le MV potrebbero essere sfruttate in nuove strategie di ingegneria dei ceppi.

Le vescicole di membrana batterica (MV) sono particelle sferiche e membranose con diametro nanometrico e il loro carico comprende varie macromolecole - come acidi nucleici (DNA e RNA), lipidi e proteine ​​(cioè enzimi e tossine) - e piccole molecole - come cellule metaboliti, segnali e molecole bioattive (ad esempio antibiotici)1,2,3,4. Il rilascio di MV può facilitare molte funzioni biologiche come l'assorbimento dei nutrienti, la competizione, la sopravvivenza, la risposta allo stress, la comunicazione intercellulare e il trasferimento genico orizzontale (HGT)1,3,5. Nel contesto dell'HGT, riconosciuto come una delle principali forze che guidano la formazione di geni e genomi e la loro evoluzione6, le MV possono svolgere un ruolo (molto) importante. I principali meccanismi studiati dell'HGT nei procarioti sono trasformazione, coniugazione e trasduzione6,7. Tuttavia, negli ultimi anni le MV sono state considerate come il quarto meccanismo dell’HGT, chiamato vesiduzione5,8,9,10. Infatti, diversi tipi di materiale genetico, come DNA cromosomico, plasmidico e/o fagico, insieme a sRNA, mRNA e miRNA, sono stati rilevati all'interno delle MV o in associazione alla loro membrana5,8,9,11. La comparsa di HGT mediata dalle MV è stata osservata in molti studi: ad esempio, Klieve et al.12 hanno dimostrato, per la prima volta, l'associazione del DNA con le MV rilasciate da batteri Gram-positivi appartenenti al genere Ruminococcus, e la capacità di queste MV per ripristinare un'attività metabolica specifica nei ceppi mutanti12. Inoltre, è stato segnalato che le MV trasferiscono plasmidi tra diversi ceppi 13,14 e carico di DNA in cellule ospiti eucariotiche 15.

Inoltre, il DNA extracellulare (eDNA) è un componente importante della matrice del biofilm batterico che consente l’adesione cellulare nelle prime fasi della formazione del biofilm. Nelle cellule planctoniche di Streptococcus mutans l'eDNA viene rilasciato anche mediante una modalità indipendente dalla lisi che coinvolge le MV. Pertanto, l’eDNA nelle MV delle colture planctoniche può svolgere un ruolo nella fase iniziale della formazione del biofilm promuovendo la colonizzazione batterica. Inoltre, è stato riportato che l'eDNA del MV influenza l'integrità e la stabilità strutturale del biofilm16.

Solo il 4% degli studi sulle vescicole di membrana dei procarioti condotti tra il 1972 e il 2021 riguardano MV di batteri Gram-positivi17: per molto tempo si è infatti ipotizzato che i batteri Gram-positivi non potessero produrre vescicole, a causa della mancanza di una membrana esterna strato di membrana e presenza di pareti cellulari spesse1. Negli ultimi anni, le MV Gram-positive hanno guadagnato maggiore attenzione e il loro rilascio è stato dimostrato sia in ceppi patogeni che non patogeni, come Staphylococcus spp., Bacillus spp., Lactobacillus spp. e Streptomyces spp.4,18,19, 20,21.

Streptomyces è un genere di batteri filamentosi Gram-positivi ubiquitari negli ambienti terrestri e marini, dove possono vivere in simbiosi, ad esempio, con piante, funghi, insetti e spugne22: adattamento a nicchie ecologiche così diverse e interazione con altri ( i microrganismi hanno portato alla peculiare diversità chimica dei loro metaboliti bioattivi, la cui produzione è regolata da una complessa rete di segnali ambientali, come la carenza di nutrienti e la presenza di concorrenti22,23,24. Gli streptomiceti hanno un ciclo vitale complesso poiché il micelio di una colonia è formato da tipi cellulari distinti (cioè ife vegetative, ife aeree e spore) e anche da diverse sottopopolazioni: infatti, le colonie di Streptomyces sono state recentemente descritte come simili a colonie di insetti sociali con divisione del lavoro, a causa della presenza di sottopopolazioni cellulari mutanti, caratterizzate da delezioni e/o amplificazioni nei bracci dei loro cromosomi lineari, e che iperproducono antibiotici a scapito della propria fitness25,26.