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Esospore Streptomiceti Gram positivi GC-rich. Gli streptomiceti Eubatteri del suolo filamentosi, Gram positivi, appartenenti all’ordine Actinomycetales.

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1 Esospore Streptomiceti Gram positivi GC-rich

2 Gli streptomiceti Eubatteri del suolo filamentosi, Gram positivi, appartenenti all’ordine Actinomycetales Presentano un complesso ciclo di differenziamento morfologico e fisiologico Produttori di antibiotici

3 antibiotics Streptomycetes Actinomycetes

4 Il Genoma di Streptomyces coelicolor Cromosoma lineare Caratterizzato da: alto contenuto in G+C (72.1%) alto contenuto in G+C (72.1%) presenza di sequenze ripetute presenza di sequenze ripetute invertite ai telomeri (TIRs) proteine telomeriche legate proteine telomeriche legate covalentemente al 5’ (TPs) covalentemente al 5’ (TPs) geni “essenziali” geni “essenziali” posti nella regione centrale geni della “contingenza” disposti preferibilmente nelle “ARMS” geni della “contingenza” disposti preferibilmente nelle “ARMS”

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6 Esospora Superficie delle ife vegetative è idrofila Superficie delle ife aeree è idrofoba

7 Ciclo vitale di S. coelicolor

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9 agar surface spore chains diffusible antibiotic Sezione trasversale di una coloniaColonia vista dall’alto

10 RG1 (rapid growth 1) metabolismo primario RG1 T RG2 T (transition phase) diminuizione della sintesi di macromolecole RG2 (rapid growth 2) metabolismo secondario S (stationary phase) produzione massiva di antibiotici e di altri metaboliti secondari S Coltura liquida

11 bldJ ramC bldD,M SapB

12 I geni whi

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14 Metabolismo secondario Processi metabolici apparentemente non essenziali per la vita del microrganismo. Esempi di metaboliti secondari: pigmenti, sostanze odorose, siderofori, antibiotici

15 Myxospore Mixobatteri: Gram-negativi Aerobi

16 Myxococcus xanthus Movimento da pili di tipo IV 10 5 Cellule

17 Myxococcus xanthus

18 When nutrients are present, groups of cells (swarms) grow and divide and move outward in search of additional macromolecules. Upon starvation, cells aggregate at discrete foci to form mounds and then macroscopic fruiting bodies. The rod-shaped cells in the fruiting bodies undergo morphogenesis and form spherical spores that are metabolically inactive and partly resistant to desiccation and temperature. When nutrients become available, the spores germinate and complete the life cycle.

19 exists as a self-organized, predatory, saprotrophic, single-species biofilm called a swarm. It consists of rod shaped, gram-negative cells that exhibit self-organizing behavior as a response to environmental cues. This behavior facilitates predatory feeding, as the concentration of extracellular digestive enzymes secreted by the bacteria increases. M. xanthus is a model organism for development; a behavior in which starving bacteria self-organize to form fruiting bodies: structures of approximately 100,000 cells that, over the course of several days, differentiate into metabolically quiescent and environmentally resistant myxospores.

20 M. xanthus does not contain flagella and cannot swim in a liquid medium; it moves by gliding motility on solid surfaces. During vegetative growth, cells swarm to gather nutrients in the environment. When M. xanthus cells are unable to find sufficient nutrients, they enter a developmental process in which they aggregate in raised pigmented mounds, termed fruiting bodies. Within the fruiting bodies cells differentiate to form metabolically dormant spores

21 Genomics The complexity of the M. xanthus life cycle is reflected in its 9.14 MB chromosome, the largest prokaryotic genome sequenced until the sequencing of Sorangium cellulosum (12.3 Mb). Development is controlled through a cascade of transcriptional regulators (TR) that control downstream gene expression.

22 Thousands of Myxococcus xanthus cells amassed into a fruiting body with spores Stigmatella aurantiaca

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24 Sistemi di controllo globale dell’espressione genica Un batterio può regolare molti geni diversi simultaneamente in risposta a cambiamenti ambientali. Spesso più operoni o reguloni diversi possono essere attivati o disattivati Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso pathway Se geni e operoni appartengono a pathway differenti si parla di moduloni ESEMPI: regolazione mediante fattori sigma alternativi repressione da catabolita

25 Il regulone Il regulone è l’insieme di più geni o operoni sotto il controllo della stessa proteina regolatrice. I geni che lo costituiscono sono implicati nello stesso pathway Il regulone del maltosio è sotto controllo positivo gene1gene2gene3 gene regolatore P “activator binding site” maltosio attivatore + maltosio

26 Gene o operonelocalizzazione arg A 60 min arg B-C-E-H 88 min arg D 72.5 min arg F 6 min arg G 68 min Il regulone per la biosintesi dell’arginina Esempio di regulone sottoposto a controllo negativo: tutti i geni per la catena biosintetica dell’arginina sono regolati da un repressore

27 Fattori sigma alternativi e regolazione globale dell’espressione genica Subunità sigma Geni trascrittiSegnale in E. coli s 70maggior parte dei geni s 32geni heat-shocktemperatura elevata s 55geni regolati dall’azotocarenza di ammonio s 38geni da stress ossidativiagente ossidante Ogni fattore sigma riconosce una classe di promotori con specifiche sequenze consensus -35 e -10.

28 Repressione da catabolita Quando un batterio cresce in un mezzo contenente glucosio come risorsa di energia, la sintesi di enzimi catabolici non correlati viene inibita In presenza di diverse fonti di energia, il batterio sceglie per prima quella più facilmente utilizzabile Gli enzimi per il catabolismo del glucosio sono costitutivi Circa 300 geni di E. coli sono regolati mediante repressione da catabolita

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30 L’operone lac ZYAO lacZ:  -galattosidasi lacY:  -galattoside permeasi lacA:  -galattoside transacetilasi Geni strutturali mRNA policistronico regolazione coordinata: tutti i geni si esprimono all’unisono PI mRNA DNA proteine

31 Induzione: sintesi di enzimi in risposta alla comparsa di un substrato specifico Cellule di E. coli, in assenza di lattosio, contengono poche molecole di  -galattosidasi (<5) lattosio glucosio galattosio In presenza di lattosio, nel giro di pochi minuti, vengono sintetizzate fino a 5000 molecole di  -galattosidasi (5-10% delle proteine totali) La molecola che causa la produzione dell’enzima capace di metabolizzarla è chiamata induttore La capacità di agire da induttore è altamente specifica. Molecole strutturalmente affini al lattosio possono agire da induttori della  - galattosidasi ma non vengono metabolizzate: una molecola con questa caratteristica è chiamata induttore gratuito (IPTG) Se l’induttore è rimosso la sintesi degli enzimi si blocca

32 La crescita diauxica Tempo (ore) esaurimento del glucosio induzione  galattosidasi utilizzazione del glucosio utilizzazione del lattosio Densità batterica Crescita in un terreno contenente glucosio e lattosio il glucosio inibisce la sintesi di  -galattosidasi durante la fase di latenza viene espresso l’operone lac e sintetizzata  -galattosidasi Il tasso di crescita può variare


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