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I VIRUS
La parola “virus” è una parola latina che vuol dire “veleno”. Si tratta di agenti patogeni che causano malattie in tutti gli esseri viventi, dai batteri a tutti gli eucarioti. I virus sono PARASSITI ENDOCELLULARI OBBLIGATI, cioè per svolgere il loro ciclo vitale hanno bisogno di una cellula ospite, non si possono riprodurre al di fuori di essa, proprio per questo non si trovano neanche alla base dell’albero genealogico della vita (si parte dai batteri). Sono molto semplici, innanzitutto sono molto piccoli (circa 20-300 nanometri, il quale corrisponde a un miliardesimo di metro) e per poterli vedere è necessaria la microscopia elettronica. Sono formati da materiale genetico che o è DNA o è RNA, quindi non ci sono sia il DNA che l’RNA in contemporanea come avviene negli esseri viventi. Intorno al materiale genetico è presente un rivestimento proteico che prende il nome di CAPSIDE, a volte quando si parla di NUCLEOCAPSIDE si intende il materiale genetico quindi il DNA o l’RNA più il materiale proteico, quindi il vero e proprio capside. In alcuni casi all’esterno del capside è presente anche un involucro lipidico, in particolare fosfolipidico, che prende il nome di PERICAPSIDE, questo non è altro che membrana cellulare che il virus presenta in quanto nel fuoriuscire dalla cellula in cui si è formato si avvolge di una parte della membrana cellulare della cellula da cui fuoriesce. O sul capside o sul pericapside, sono sempre presenti delle glicoproteine che servono al virus per riconoscere le cellule bersaglio, ogni virus infatti predilige un certo tipo di cellule bersaglio, o una certa specie vivente (ci sono virus dell’uomo, virus dei cani, virus dei gatti,…), o addirittura a volte, come ad esempio per l’HIV, il virus non solo invade un certo tipo di specie, in questo caso la specie umana, ma predilige anche un certo tipo cellulare, in questo caso i linfociti T-helper. I virus sono molto utili, così come i batteri, in ingegneria genetica e in tutte le biotecnologie, perché sono molto semplici, si riproducono molto facilmente, sono facili da coltivare, hanno dei genomi molto piccoli e, essendo il codice genetico universale, sono utilizzabili per varie manipolazioni biotecnologiche, quindi possono essere usati, per esempio, per trasferire geni da un individuo a un altro. I virus dei batteri si chiamano BATTERIOFAGI e hanno una forma molto particolare, diversa dalle forme che hanno normalmente i virus [normalmente per esempio i virus degli animali o dei vegetali o hanno una forma ICOSAEDRICA, quindi hanno un capside icosaedrico, o hanno una forma ELICOIDALE come quello del mosaico del tabacco, o hanno forma SFERICA come il virus influenzale o il CORONAVIRUS (il termine coronavirus si riferisce al fatto che sulla superficie del virus sono presenti delle punte, che non sono altro che le glicoproteine che fanno da recettore, che ricordano la punta di una corona. Il coronavirus è un virus a RNA)] ed è la forma A RACCHETTA DA TENNIS o A NAVICELLA SPAZIALE in cui è presente una testa poliedrica con all’interno il materiale genetico e poi una coda elicoidale che termina alla fine sfiocchettandosi con le FIMBRIE che servono per l’adesione alla cellula batterica. Fra i virus annali, virus a DNA sono gli HERPES-VIRUS quindi virus che causano herpes labiale, genitale o la varicella, il virus dell’EPATITE-B e il PAPILLOMA-VIRUS. Mentre fra i virus a RNA abbiamo il virus del MORBILLO, quello della PAROTITE, quello dell’INFLUENZA e l’HIV che pero è un RETRO-VIRUS e quindi ha una capacità particolare. Fra i batteriofagi, particolarmente utile in ingegneria genetica e in biotecnologia è il FAGO LAMBDA che è un virus che infetta ESCHERICHIACOLI. Il fago lambda è un virus a DNA e quindi, così come i virus a DNA, invadendo una cellula da luogo a due tipi di cicli o invasioni: una più aggressiva che è il cosiddetto CICLO LITICO che termina proprio con la morte della cellula per lisi, quindi per rottura, e l’altra è il CICLO LISOGENO che invece è un ciclo più tranquillo ed è quello che da luogo a un’infezione cronica che poi è quello che succede nel retrovirus HIV (la cosiddetta FASE LATENTE dell’infezione).
CICLO LITICO DEL FAGO LAMBDA
Il virus attacca la cellula batterica, quindi la riconosce attraverso le fimbrie della coda, si lega alla cellula e inietta all’interno il suo materiale genetico, il suo DNA. Il DNA virale, una volta entrato presenta un PROMOTORE che viene riconosciuto dall’RNA POLIMERASI BATTERICA che viene, quindi, subito messa a lavoro per trascrivere i geni del virus. Intanto ci sono dei GENI PRECOCI (sono quelli che codificano per delle proteine che bloccano la trascrizione nella cellula batterica in modo tale che tutto il sistema enzimatico della cellula batterica sia concentrato nella riproduzione del virus. Intanto vengono trascritte e poi tradotte le proteine che vanno a stimolare la duplicazione del GENOMA VIRALE perché il DNA virale si deve duplicare per potere fare tante copie di sé stesso. Infine vengono trascritte anche delle NUCLEASI VIRALI che vanno a distruggere il DNA batterico per poter utilizzare i nucleotidi del batterio per sintetizzare il DNA virale) che vengono trascritti per primi e poi verranno trascritti i GENI TARDIVI (sono quelli che, intanto, codificano per le proteine del capside perché intorno al DNA che è stato duplicato dovrà essere posto un capside e poi codificano per quegli enzimi che vanno a lisare la cellula ospite, infatti il fago lambda, una volta che sono stati formati tanti VIRIONI (la particella virale viene anche chiamata “virione”) all’interno della cellula batterica, la cellula ospite viene distrutta (viene rotta la membrana cellulare) e i virioni fuoriescono per invadere altre cellule.
CICLO LISOGENO DEL FAGO LAMBDA
È quello che viene attivato quando il DNA virale, invece che venire subito trascritto e tradotto dando luogo quindi a nuovi virioni che quindi liseranno la cellula e fuoriusciranno, si va a integrare nel DNA della cellula ospite. Il fago si lega al batterio, il DNA del fago entra all’interno della cellula ospite e non viene, stavolta, subito utilizzato per la trascrizione ma si va a integrare nel CROMOSOMA BATTERICO e prenderà il nome di PROFAGO. Il batterio si duplica per scissione binaria, quindi da una cellula batterica se ne formano due, e all’interno del cromosoma circolare del batterio sarà presente anche il genoma virale quindi in qualche modo il virus, anche in questo modo, si diffonde alle cellule che derivano da quella cellula batterica. Quando, poi, le condizioni cambiano, per esempio il batterio si viene a trovare in delle condizioni sfavorevoli, il profago si può pure separare dal cromosoma dell’ospite e prosegue con il
RETROVIRUS
Hiv, ad esempio è un retrovirus, o anche i virus oncogeni come HTLV che è un virus che causa leucemie e linfomi. Il retrovirus HIV è di forma sferica, anche lui molto simile al coronavirus se non fosse che all’interno è presente un enzima che è la trascrittasi inversa che lo rende un retrovirus mentre il coronavirus è semplicemente un virus a RNA. Il retrovirus si avvicina alla cellula ospite, si tratta sicuramente in questo caso di un linfocita o un macrofago (si vede dal recettore chiamato CD4 con cui la glicoproteina virale si va a legare. La CD4 è una glicoproteina che è presente sulla superficie solo di alcune cellule del sistema immunitario come appunto linfociti o macrofagi ed è proprio la glicoproteina di superficie a cui i retrovirus si legano). Una volta avvenuto il legame e il riconoscimento il virus entra all’interno della cellula fondendosi con la membrana plasmatica. Una volta entrato dentro l’RNA virale viene liberato, è presente una trascrittasi inversa, un enzima virale, che è in grado di formare DNA usando come stampo l’RNA, cioè di operare quella che abbiamo chiamato TRASCRIZIONE INVERSA che ha fatto aggiungere quella freccia in più nel dogma centrale della biologia. Si forma un primo filamento di Cdna (DNA complementare) che verrà utilizzato come stampo, sulla base della complementarietà delle basi azotate, per formare un secondo filamento di DNA, e quindi a tutti gli effetti una molecola di DNA a doppia elica che andrà a integrarsi nel DNA della cellula ospite. Ecco che il retrovirus ha questa capacità in più, che i virus a RNA non hanno, di integrarsi con il DNA cellulare così come fanno i virus a DNA. Questo è quello che avviene nel caso di HIV (1.fase di infezione, 2.fase latente che può durare anni in cui il virus integrato nei linfociti si propaga via via che i linfociti si vanno dividendo finché tutte le cellule del sistema immunitario, o comunque una gran parte, sono compromesse e il sistema immunitario non è più in grado di rispondere anche ad agenti patogeni banali come i cosiddetti agenti opportunisti e il paziente nella fase 3. di AIDS conclamato).
I BATTERI
I batteri sono procarioti. I procarioti sono gli organismi più semplici e sono quelli che sono comparsi per primi nella storia dell’evoluzione degli esseri viventi del nostro pianeta (sono comparsi circa 3 miliardi e mezzo di anni fa). Essendo procarioti hanno una cellula molto semplice: sono tutti unicellulari anche se alcuni si possono associare a vivere in colonie come gli STREPTOCOCCHI o gli STAFILOCOCCHI ma comunque ogni cellula mantiene la sua autonomia. Le cellule sono abbastanza piccole, la dimensione va mediamente da 1 a 10 micron, le forme possono essere variabili: i BACILLI sono quelli allungati, i COCCHI sono tondi, gli SPIRILLI hanno una forma elicoidale e VIBRIONI hanno la forma a virgola. I batteri sono caratterizzati, essendo procarioti, dal fatto di non avere delle membrane interne quindi non hanno neanche la membrana nucleare a circondare il DNA, il DNA si trova in una zona della cellula che prende il nome di NUCLEOIDE ma dove in realtà manca una vera e propria membrana nucleare. Il DNA cellulare è organizzato a formare un unico cromosoma circolare. Nel citoplasma sono presenti anche delle strutture che però non hanno membrana cellulare in quanto non sono presenti veri e propri organelli cellulari, queste strutture sono i RIBOSOMI dove avviene la sintesi proteica. All’interno della cellula è presente un citoplasma dove sono presenti ioni, enzimi e tutto quello che è essenziale per la vita cellulare ma mancano gli organuli cellulari. All’esterno oltre alla membrana cellulare, possono essere presenti degli ulteriori rivestimenti di natura per lo più proteica come il CAPSIDE e a volte anche la cosiddetta PARETE. Sulla superficie esterna, in alcuni casi, sono presenti delle appendici che prendono il nome di PILI e FLAGELLI. I pili sono più corti e più numerosi (un po’ come le ciglia delle cellule dei tessuti animali) e sono utili per l’adesione e per prendere contatto con le altre cellule, mentre i flagelli sono presenti in minor numero, sono più lunghi e sono utili per il movimento. I batteri, pur essendo molto semplici, sono perfettamente adattati e vivono in tutti gli ambienti, quindi sono presenti tante specie di batteri, infatti, pur essendo limitati nella loro possibilità di evoluzione dalla riproduzione che è asessuata (i batteri si riproducono per scissione binaria, quindi ogni batterio che duplica il suo DNA si divide formando due cellule batteriche identiche alla cellula di partenza, due cloni) e questo da poche possibilità di variabilità genetica però i batteri hanno il vantaggio di riprodursi rapidamente (ogni 20- 30 minuti il batterio si divide) e hanno il vantaggio di adattarsi a condizioni di vita estreme, inoltre hanno la possibilità di dar luogo a delle forme di resistenza chiamate SPORE che permettono ai batteri di resistere durante le condizioni di vita particolarmente difficili in una condizione di passività per poi sbocciare con dei cicli attivi quando le condizioni difficili sono terminate. Il DNA batterico è costituito essenzialmente da una molecola di DNA circolare, un cromosoma circolare, formato da DNA a doppia elica. A parte il DNA circolare, molti batteri possiedono anche dei piccoli anelli di DNA aggiuntivo che prendono il nome di PLASMIDI che sono delle molecole di DNA a doppia elica circolari che contengono qualche decina di geni ma hanno anche la capacità di replicarsi autonomamente rispetto al cromosoma batterico. I plasmidi sono in grado, molto spesso, di consentire ai batteri di scambiare il materiale genetico, quindi di realizzare una sorta di scambio paragonabile quasi alla riproduzione sessuata che permette anche alla popolazione batterica una certa variabilità genica. I geni che sono presenti all’interno dei plasmidi possono essere distinti in tre gruppi principali: 1) OPERONI METABOLICI SPECIALIZZATI; 2) I GENI CHE CONFERISCONO LA RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI; 3) I GENI CHE PERMETTONO LA CONIUGAZIONE.
- Sono quei geni che codificano per delle proteine in grado di metabolizzare dei composti organici particolarmente complessi come ad esempio gli IDROCARBURI. Sono dei geni presenti, ad esempio, nei batteri detti METANOGENI.
- Si trovano all’interno di plasmidi che vengono chiamati PLASMIDI R dove la R sta per “resistenza” e sono quei geni che conferiscono al batterio la capacità di resistere a determinati antibiotici. Questa capacità è un problema per noi umani perché un batterio contro cui ci possiamo difendere attraverso un antibiotico può diventare resistente e quindi può non venire eliminato anche dall’antibiotico. Questo è un tema frequente: la popolazione italiana fa un abuso degli antibiotici. Gli antibiotici agiscono solo contro i batteri e non
- sono quelli che risiedono nei cosiddetti PLASMIDI F dove la F sta per “fattore di fertilità”, in quanto la coniugazione è uno dei modi attraverso cui i batteri possono scambiare materiale genetico. Le modalità attraverso cui i batteri possono scambiarsi materiale genetico sono fondamentalmente 3: 1 ) TRASFORMAZIONE BATTERICA; 2) CONIUGAZIONE; 3) TRASDUZIONE CHE PASSA ATTRAVERSO I VIRUS. 1 ) E’ un processore che fu scoperto già negli anni ’30 da Griffit che poi si studiò meglio e consiste nel fatto che quando un batterio muore, la sua cellula si apre e quindi si rompe e riversa il suo contenuto ad esempio in un mezzo di coltura e può capitare di versare anche del DNA PLASMIDICO che può essere legato da un’altra cellula batterica e introdotto all’interno in modo che i geni presenti in questo plasmide del batterio morto possano venirsi a trovare in una nuova cellula batterica andando ad arricchire il patrimonio genetico di questa cellula batterica. Questo processo si chiama “trasformazione batterica” e consiste essenzialmente nella CAPTAZIONE da parte della cellula batterica di DNA ESOGENO. In realtà non tutti batteri son in grado di fare la trasformazione, ma sono in grado di farla solo quei batteri che presentano sulla superficie cellulare delle glicoproteine di superficie con funzione recettoriale in grado di legare il DNA esogeno, queste proteine di superficie prendono il nome di FATTORI DI COMPETENZA. Esiste anche la TRASFORMAZIONE ARTIFICIALE che permette di rendere ceppi batterici che non sono dotati di fattori di competenza e renderli competenti. 2 ) Passa attraverso particolari plasmidi che prendono il nome di plasmidi F in quanto questa coniugazione è in qualche modo analoga al processo di riproduzione sessuata, cioè permette uno scambio di materiale genetico che avviene attraverso un contatto diretto fra due batteri.
A) A sinistra è presente un batterio che viene chiamato F+^ perché, oltre il cromosoma batterico, ha anche il plasmide F. Mentre il batterio di destra non ha il plasmide e si chiama F - , lo scambio può avvenire grazie ai geni presenti nel plasmide F del
batterio F+, questi geni, per
esempio servono per sintetizzare delle proteine che vanno a costruire il cosiddetto PILOSESSUALE che è una sorta di ponte citoplasmatico attraverso cui il batterio F+^ può prendere contatto con il batterio F -. Una volta preso il contatto il plasmide F si duplica, ciò può avvenire anche indipendentemente dalla duplicazione del cromosoma batterico, e una copia del plasmide passa dal batterio F+^ al batterio F –^ il quale, nel momento in cui i due batteri si separano, sarà diventato anche lui un batterio F+^ perché avrà anche lui il plasmide F e ovviamente avrà ricevuto del materiale genetico da un altro batterio quindi ci sarà stato uno scambio di materiale genetico che sicuramente va a permettere un certo livello di variabilità genetica. B) Sulla sinistra vi è una cellula HFR cioè una cellula batterica in cui è presente un plasmide F che però stavolta è integrato all’interno del cromosoma circolare batterico. Quello che succede è molto simile a quello che succede quando parliamo del batterio F+, la differenza è che nella cellula HFR il batterio presenta il plasmide F non libero nel citoplasma ma integrato nel cromosoma batterico. Quindi, quando si ha il contatto con un’altra cellula batterica e la cellula HFR trasferisce una copia del plasmide F nell’altra cellula batterica, può succedere che nel momento in cui il plasmide F si scinde dal cromosoma circolare batterico per duplicarsi e essere trasferito nell’altra cellula batterica, può portare dietro con sé, perché rimane attaccato, una parte del cromosoma batterico, quelle che prendono il nome di SEQUENZE FIANCHEGGIANTI, e nel momento in cui viene trasferito ad un’altra cellula andrà a portare a questa cellula ancora più materiale genetico rispetto a quella che è la normale coniugazione fra il batterio F+^ e il batterio F –^ perché la cellula ricevente non solo riceve il DNA plasmidico ma riceve anche una copia di parte del materiale genico del DNA presente nel cromosoma circolare del batterio HFR (la sigla HFR sta per “alta frequenza di ricombinazione). 3 ) È il processo che avviene grazie alla presenza dei fagi. I batteriofagi, infatti, in alcuni casi hanno la capacità di andarsi a integrare nel cromosoma batterico, quindi invadono la cellula batterica e invece di dar luogo a un processo replicativo che poi porterà all’assemblaggio immediato di tanti ioni e quindi alla fuoriuscita per lisi dalla cellula batterica (ciclo litico), alcuni fagi come il fago lamda possono fare un ciclo lisogeno, quindi il DNA virale può andarsi a integrare con il cromosoma batterico e rimanere integrato lì per un certo periodo di tempo. Quando fuoriesce dal cromosoma batterico per completare il ciclo e andare a invadere dei nuovi batteri, nel fuoriuscire può portarsi dietro delle sequenze fiancheggianti, cioè parte del DNA del cromosoma circolare del batterio. Quindi nel momento in cui fuoriesce il virione dove all’interno si è venuto a ritrovare anche del DNA batterico e questo virione va a invadere una seconda cellula batterica,
