Mutazioni batteriche

Il cromosoma batterico possiede mediamente 5000 geni, inoltre alcuni batteri hanno dei cromosomi più estesi rispetto ad altri, ad esempio abbiamo 0,58 * 106 paia di basi per il Mycoplasma genitalium e 4600 * 106 paia di basi nel Escherichia coli, non è detto comunque che un cromosoma più complesso sia il segno di un’evoluzione superiore. Questo cromosoma codifica per varie informazioni, in particolare l’unità di codice necessaria per codificare un amminoacido è costituita da una tripletta di basi azotate su un mRNA. Gli amminoacidi sono 20 e le combinazioni delle triplette sono 64, si dice infatti che il codice genetico è degenerato perché vi sono diverse triplette che codificano per lo stesso amminoacido, solo la metionina ed il triptofano sono codificati solamente da una tripletta. Una variazione di una tripletta, a causa di una mutazione, può portare dunque all’acquisizione dello stesso amminoacido precedente, senza che fenotipicamente questa variazione sia rappresentata. Un aspetto molto importante è la condizione di aploidia, che si ha nelle cellule batteriche. Non essendo presenti gli alleli dominanti o recessivi, una mutazione porta immediatamente ad una variazione fenotipica (esclusi i casi visti precedentemente), senza la possibilità di regolare queste stesse mutazioni. Questo permette ai batteri di avere la capacità di variare rapidissimamente il proprio assetto, in base all’ambiente in cui si devono sviluppare. Immediatamente infatti queste variazioni ci indicano quale sia l’individuo ideale per quel tipo di ambiente, per esempio aggiungendo un antibiotico nell’ambiente in cui devono crescere dei batteri, possono comparire degli individui che sono più adatti a questa nuova condizione. L’insorgenza di mutazioni spontanee o indotte da sostanze mutagene quindi è alla base della differenziazione delle diverse specie batteriche.

                 L’ESPRESSIONE FENOTIPICA DELLE MUTAZIONI 

  • A) possiamo avere una mutazione che non modifica il prodotto genico, quindi non altera alcun carattere fenotipico, quando la sostituzione di una base azotata in una tripletta specifica lo stesso aminoacido
  • B) possiamo avere una mutazione che altera la struttura del prodotto genico, ma non in modo rilevante per la sua funzione, abbiamo cioè un aminoacido che viene sostituito da uno simile per caratteristiche chimico-fisiche
  • C) possiamo avere una mutazione che porta alla formazione di un prodotto genico alterato, ma che esplica, anche se a livello ridotto, la sua funzione originale (si parla in questo caso di un blocco metabolico incompleto)
  • D) possiamo avere una mutazione che provoca la formazione di un prodotto genico alterato, che funziona solo in condizione permissive
  • E) possiamo avere una mutazione che provoca la sintesi di un prodotto genico inattivo, ed è letale se il blocco metabolico interessa un processo essenziale per il batterio
  • F) possiamo avere una mutazione che provoca la formazione di un prodotto genico con una diversa struttura ed una nuova funzione all’interno del batterio 

Frequenza mutazionale: ci indica quanto frequentemente all’interno di una popolazione avviene una mutazione. Qualunque gene presente sul cromosoma batterico presenta una probabilità su circa 100 milioni di mutare.

Ad esempio si prenda una provetta di un brodo di coltura, che contenga all’interno circa 10 ml di brodo, i batteri presenti al suo interno sono circa 5 * 1010, teniamo infatti in considerazione che una brodo-coltura in fase stazionaria finale, in cui la cellula ha ultimato la sua proliferazione, si ritrova in una situazione di equilibrio (se si espandesse ulteriormente la colonia batterica sarebbe sommersa dai cataboliti e verrebbero a mancare i metaboliti). Una coltura in fase stazionaria di crescita viene raggiunta più o meno in 18/24 ore di incubazione, con la formazione di 5*109 UFC (unità formanti colonie) / ml. La probabilità di avere una mutazione in un gene qualsiasi è di 108 (una ogni 100 milioni), quindi abbiamo 50 possibilità di avere una mutazione su un gene all’interno di una provetta allestita in una notte, quindi è da considerarsi un evento non raro. Di solito queste mutazioni non vengono espresse, perchè sono sfavorite rispetto all’ambiente in cui si trova il batterio, se cambia però rapidamente l’ambiente (aggiungo ad esempio un antibiotico), ecco che l’ambiente elimina tutto quello che è sensibile all’antibiotico, si esprimono immediatamente i batteri che esprimono i geni di resistenza per quello stesso antibiotico. Quindi nonostante il tasso di mutazione sembri molto basso, è un evento che possiamo considerare comunque molto frequente.

Un batterio auxotrofo, a differenza di un batterio prototrofo (per questa differenziazione si considera sempre un particolare tipo di carattere), è un batterio che ha perso un enzima importante per una sua particolare via metabolica, di conseguenza non è più in grado di costruirsi una particolare sostanza partendo dai precursori, se viene fatto crescere questo batterio su un terreno di coltura minimo (ovvero un terreno su cui non è presente nessun tipo di sostanza preformata, dove cresce normalmente il batterio prototrofo), questo batterio non cresce.

Teniamo in considerazione che il fenomeno della perdita della capsula da parte di un batterio è una MUTAZIONE.

Le mutazioni si distinguono in:

  • Mutazioni spontanee, provocate dello spostamento tautomerico di elettroni in una purina o in una pirimidina. La timina nel suo stato normale (chetonico) forma due legami idrogeno con l’adenina. A volte questa timina può però esistere nello stato enolico, come risultato di un raro spostamento di elettroni, ed in questo stato forma tre legami idrogeno legandosi con la guanina. Se lo spostamento tautomerico si verifica durante la replicazione del DNA, la guanina viene utilizzata come stampo nel DNA al posto dell’adenina, ed una coppia G-C sostituisce una coppia A-T.
  • Mutazioni indotte (possono avvenire per un aumento della tautomerizzazione delle basi azotate o per la formazione di legami idrogeno con delle basi azotate sbagliate), dovute solitamente ad agenti chimici (quali ad esempio gli agenti intercalanti o gli agenti alchilanti (che permettono la reazione di alchilazione, ovvero di addizione di un gruppo alchilico, quali sono il gruppo metile od il gruppo etile)) che determinano un aumento del tasso mutazionale (che può aumentare anche di 100’000 volte) ed a mutageni fisici (che possono essere delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti).

Una sostanza mutagena è estremamente cancerogena, perciò è molto importante che queste non vadano a contatto con gli alimenti, i farmaci ed i dispositivi utilizzati dall’uomo. Esistono dei test molto importanti, come il test di AMES, che servono per valutare in 24 ore se una sostanza sia mutagena, quindi potenzialmente oncogena.

IL TEST DI AMES

Questo test si basa sulla correlazione che esiste tra la mutagenicità e la cancerogenicità, notiamo infatti che una sostanza cancerogena è mutagena, mentre una sostanza mutagena non è sempre cancerogena. Questo procedimento stabilisce la capacità di una sostanza di fare retromutare un ceppo microbico che ha una mutazione particolare. Si utilizza una Salmonella con un blocco metabolico tale da impedirle di svilupparsi su un terreno che non contiene l’istidina, si prepara un terreno di coltura di agar senza aggiungere istidina, quindi la Salmonella non potrebbe crescere se non per mutazione. Per vedere se una sostanza è mutagena si va ad impregnare un dischetto sterile con essa, e lo si pone al centro della piastra, che mettiamo in incubazione a 37° C:

  • Se la sostanza non è mutagena, non succede nulla attorno al dischetto, poiché non è in grado di aumentare il tasso mutazionale della Salmonella
  • Se la sostanza è mutagena, avviene una retromutazione della Salmonella, che ritorna capace di svilupparsi nei terreni dove è assente l’istidina. La sostanza incrementa cioè il numero di ceppi mutanti che si dispongono attorno al dischetto (in minima parte questi sono presenti comunque sulla piastra, poiché le mutazioni sono presenti anche a questo livello, infatti questa sostanza incrementa il tasso mutazionale in tutta la coltura)

La teoria di Lamarck e la teoria di Darwin

Vi fu una ben nota diatriba tra i sostenitori della teoria di Lamarck ed i sostenitori della teoria di Darwin, in merito all’acquisizione dei caratteri negli organismi viventi, cioè sulla presenza o meno di mutazioni già pre-esistenti nella popolazione. Negli anni 30-40 del secolo scorso, quando uscirono gli antibiotici, il principio lamarckiano era stato già completamente superato, mentre la teoria di Darwin era la più accreditata. Però accadde che alcuni sostenitori di Lamarck riemersero, visto che era difficile dimostrare, con l’avvento degli antibiotici, come la teoria di Lamarck fosse sbagliata. Infatti essi sostenevano che, seminando un batterio completamente insensibile all’antibiotico in un ambiente dove quest’ultimo era presente, la sua crescita fosse determinata da una mutazione conseguente al cambiamento di ambiente, cioè all’aggiunta dell’antibiotico. Lederberg, tramite la replica plating, riuscì a mettere in evidenza il fatto che la mutazione sia sempre presente in una popolazione, non è soltanto espressa perché l’ambiente la favorisce.