Le spirochete possono essere patogeni importanti quali Il flagello nelle Spirochete. Le spirochete sono batteri molto sottili in grado di muoversi con un movimento a cavaturaccioli. Il flagello è localizzato nel periplasma al di sotto della membrana esterna. Le spirochete possono essere patogeni importanti quali Treponema pallidum agente della sifilide Borrelia burgdorferi agente della malattia di Lyme

I flagelli nelle spirochete sono localizzati nel periplasma e sono attaccati ad i poli della cellula tramite il corpo basale. l flagello contiene un filamento interno costituito da una proteina simile alla flagellina FlaB ed è rivestito da una guaina formata da subunità di un’altra proteina FlaA. La rotazione dei flagelli fa ruotare l’intera cellula grazie ai 2 motori basali posizionati ai poli, il motore anteriore ruota in senso AO mentre il motore posteriore in senso O. L’inversione del movimento è determinata dall’inversione del senso di rotazione dei 2 motori .

FOTOTASSIA Il movimento dei microrganismi verso la luce per ottimizzare il processo di fotosintesi. Con uno spettro di luce orientato verso un vetrino si può osservare come i batteri si accumulino in corrispondenza della lunghezza d’onda ideale per l’assorbimento da parte dei loro pigmenti fotosintetici

Colonie di Rhodospirillum che si muovono all’unisono verso la luce La fototassi è un movimento attivo verso un gradiente di aumentata intensità della luce. Colonie di Rhodospirillum che si muovono all’unisono verso la luce

I componenti del sistema regolativo coinvolti nella chemiotassi sono probabilmente coinvolti anche nella fototassi. Mutanti difettivi nella fototassi sono difettivi anche nella chemiotassi Fotorecettore analogo ai chemiorecettore (MCP) potrebbe funzionare come sensore della luce. Fotorecettore interagisce con proteine che agiscono sul motore flagellare al fine di mantenere le cellule in uno stato di avanzamento verso zone di maggiore intensità di luce.

SCOTOFOBOTASSI Fenomeno osservabile in laboratorio quando un batterio esce dal campo illuminato e si dirige verso il buio. L’entrata nel buio si ripercuote negativamente sullo stato energetico della cellula e le segnala di capovolgersi e di riprendere il moto rettilineo verso la sorgente di luce.

Movimento per scivolamento è ampiamente diffuso , Cianobatteri Mixobatteri ( Batteri Gram-) non richiede flagello avviene lungo l’asse maggiore del microrganismo. I batteri che si muovono per scivolamento sono bastoncellari o filamentosi La colonia assume una morfologia particolare in quanto ogni cellula può allontanarsi dal centro della colonia

Nei cianobatteri il movimento per scivolamento è accompagnato dalla secrezione dello SLIME, una sostanza mucosa di natura polisaccaridica. Lo SLIME ( lett. BAVA) man mano che viene secreto aderisce alla superficie e il batterio scivola su questa sostanza viscida da lui secreta.

Lo scivolamento in Flavobacterium non è indotto dalla escrezione di slime. Le proteine specifiche per la motilità sono localizzate sia nella membrana interna che esterna. Colonie mutanti

Movimento a RUOTA DENTATA L’energia rilasciata dalla forza protonmotrice permette il movimento delle proteine della I.M. che si trasmette a quelle della O.M. Il movimento delle proteine della O.M. avviene in direzione opposta rispetto al movimento che effettuerà la cellula

Modello di scivolamento di Flavobacterium johnsoniae Lo scivolamento è indotto da un movimento delle proteine della superficie della cellula. Si crea un contatto tra le proteine della IM e della OM Le proteine specifiche per la motilità sono ancorate nella membrana citoplasmatica e nella membrana esterna e sospingono le cellule in avanti e indietro con un meccanismo a ruota dentata

I movimento mediato dall’Archellum e dal pilo di tipo IV

Svolgono importanti funzioni nella cellula I pili sono strutture proteiche non flagellari presenti sulla superficie delle cellule batteriche Svolgono importanti funzioni nella cellula quali adesione a superfici, formazione di biofilm. Sono suddivisi in base al tipo di meccanismo di formazione: Pili di tipo I ( Chaperon/Usher) Pili di tipo IV. I pili di tipo IV sono molto diffusi ed importanti e mediano oltre ai processi di adesione anche una particolare forma di movimento cellulare detto twitching o movimento a scatto . Pili e fimbrie sono designati ad indicare la medesime strutture, fimbrie sono più corte, pili più lunghi ma i due termini si usano spesso indifferentemente

Pili di tipo IV ed il movimento a scatti Sono costituiti dal ripetersi di subunità di pilina PilA che viene sintetizzata in forma di precursore con la sequenza segnale all’estremità N -terminale. La sequenza segnale verrà rimossa dalla Prepilina peptidasi (PilD) omologo della peptidasi che rimuove la sequenza segnale della preflagellina negli Archea. La regione N-terminale della pilina forma una elica idrofobica mentre la porzione C terminale idrofilica e globulare è rivolta nel periplsma. Nei batteri Gram- è presente un canale di membrane esterna PilQ che permette il passaggio del pilo.

Ciascun pilo è costituito da molte subunità della medesima proteina definita pilina organizzate in una struttura elicoidale e da una proteina adesina localizzata all’estremità del pilo . La biosintesi del pilo di tipo IV (T4P) avviene a partire da proteine localizzate nella membrana citoplasmatica che comprendendono ATPasi e richiede ATP.

I pili di tipo IV (T4P) diffusione e omologie I pili di tipo IV sono correlati ad altri sistemi sia nei batteri che negli Archea quali il sistema di tipo di secrezione II, il sistema di Competenza ( Com) per la cattura di DNA nei batteri Gram+ e i flagelli negli Archea. In tutti questi sistemi ritroviamo - La pilina ( o flagellina) negli Archea - Una prepilina- peptidasi che processa la pilina nella forma matura - Una ATPasi di assemblaggio - Un canale di secrezione costituito da componenti della membrana interna ed esterna Anche nei Gram positivi si ritrovano dei pili con una struttura simili ai Pili di tipo IV: se la struttura proteica che attraversa lo strato di peptidoglicano non è ancora stata ben identificata.

Ruolo fondamentale viene svolto dalle 2 ATPasi PilB e PilT con funzione antagonista. L’ATPasi di assemblaggio PilB dopo idrolisi di ATP spinge il pilo verso l’esterno creando un vuoto che viene riempito dalle nuove subunità di pilina. L’idrolisi di ATP mediata da PilT invece determina la rimozione dei monomeri di pilina dalla base del pilo creando retrazione del pilo.

In seguito a cicli di estensione e ritrazione alcuni batteri si possono muovere a scatti grazie ai T4P presenti sulla loro superficie. Le subunità di pilina eliminate durante la ritrazione possono poi essere riutilizzate per il successivo processo di estensione

E’ possibile vedere l’allungamento e la ritrazione dei pili di Tipo IV

Myxococcus xanthus ed il movimento a scatti Un esempio interessante di movimento a scatti è rappresentato da Myxococcus xanthus, un microrganismo del suolo. Questo microrganismo è in grado di muoversi per scivolamento utilizzando i pili di tipo IV che si allungano e ritraggono. Ogni 6 –8 minuti M.xanthus è in grado di revertire il movimento cambiando cosi direzione.

Life cycle of M. xanthus. (Vegetative growth) On a solid surface with soluble nutrients, groups of M. xanthus cells (swarms) grow, divide, and move outward. On a solid surface in the presence of lysing cells or prey, M. xanthus cells form “accordion waves” known as ripples. (Low-nutrient development) On a solid surface upon nutrient step-down or starvation, 105 to 106 cells aggregate to form mounds and then fruiting bodies. The rod-shaped cells in the fruiting bodies undergo morphogenesis and form spherical spores that are metabolically inactive but more resistant to desiccation and heat. Peripheral rods, a subpopulation of stressed cells, remain outside fruiting bodies in search of food. When nutrients become available, the spores germinate and complete the life cycle.

| Myxococcus xanthus cells move as groups by social motility (black arrow) and as single cells by adventurous motility (white arrow). Cells preferentially follow the paths of other cells. b | M. xanthus cells moving in ripples to consume Escherichia coli as prey11. Ripples have a wavelength of 100 m.. c | Peripheral rods form a monolayer of cells between fruiting bodies that can move as reversing accordion waves d | A M. xanthus fruiting body on animal dung95. Fruiting bodies are 0.1–0.2 m in diameter. e | An optical slice of a fruiting body. Note that the spores are contained in the fruiting body and peripheral rods appear as a monolayer around the fruiting body.. f | A fruiting body that was cut to reveal the spores within. All scale bars are 15 m. Le cellule di Mixococcus xanthus si muovono come gruppi nella modalità sociale ( freccia nera) o come siLe cellule di ngole cellule nella modalità avventurosa( freccia bianca) Le cellule in genere seguono traccie di altre cellule.b) M.xanthuseffettuano un movimento ad onde per nutrirsi di cellule di E.coli Le onde hanno un ampiezza di 100 m.c) i batteri periferici formano

Social motility is mediated by the extension and retraction of type IV pili (black tendrils) at the leading pole of a cell. Adventurous motility involves multiple transient adhesion complexes (coloured ovals on the bottom of cells) that are located throughout the length of a cell

(A)PilA è la subunità principale del pilo di tipo IV ed è localizzata al polo anteriore della cellula. E’ una proteina solubile che viene secreta attraverso il canale formato da PilQ. Tgl è una lipoproteina necessaria per il corretto assemblaggio del canale PilQ. Tgl svolge un ruolo cruciale in quanto si localizza solo ad un polo della cellula In mutanti Tgl-difettivi non si ha assemblaggio del pilo a causa della mancanza di canale PilQ. PilQ in questi mutanti si trova in forma monomerica ma può ripolimerizzare se il mutante Tgl – viene messo in contatto con cellule Tgl+.

(B) Quando la cellula cambia orientamento Tgl si sposta dall’altro polo , la traslocazione di Tgl è facilitata dal contatto cellula-cellula. (C)Una volta arrivato al polo opposto Tgl attiva il canale PilQ ed induce il trasporto e l’assemblaggio del filamento PilA. La presenza dei componenti disassemblati ad entrambi i poli facilita la riorganizzione del pilo all’altra estremità.

Schematic representation of FrzCD-GFP clusters stimulated by cell contacts and aligning. The stimulus generating from the cell contact is translated in the two adjacent cells and one or two of them will reverse the direction of movement in response.

Two dimeric chemoreceptors — methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs) — are shown, one of which is interacting with a periplasmic binding protein (PBP). In addition, two chemotaxis protein (Che)W monomers and a CheA dimer are shown interacting with the highly conserved signalling domain of the MCPs in the cytoplasm. It should be noted that, given the packing within MCP clusters and the calculations of the number of chemosensory proteins, the actual arrangement will be different. One CheA monomer will probably not interact with one MCP dimer, and instead a CheA dimer might span several receptors. A decrease in attractant concentration induces trans-autophosphorylation of the CheA dimer, which phosphorylates the response regulator CheY. Phosphorylated CheY then binds to the flagellar motor to bring about a change in direction. Phosphorylated CheA also phosphorylates another response regulator — the methylesterase CheB. Phosphorylated CheB competes with a constitutive methyltransferase, CheR, to control the degree of methylation of specific glutamates in the MCPs. This resets the signalling state of the receptors and allows them to adapt to the present concentration of attractant and to sense subsequent changes. The dephosphorylation of phosphorylated CheY is accelerated by the phosphatase CheZ. P, phosphoryl grou

Two-component and chemotaxis signalling in bacteria Two-component and chemotaxis signalling in bacteria. (A) Schematic representation of the canonical two-component system. Sensory histidine kinase (HK) is composed of the input (blue) and the autokinase (red) domains; the kinase is typically a dimer. The response regulator (RR) consists of the receiver (purple) and output (green) domains. The phosphate group is transferred from the histidine residue on the kinase to the asparate residue on the response regulator, activating the output domain, which typically regulates gene expression. The response regulator can be dephosphorylated by the phosphatase activity of the kinase. (B) Molecular composition of the chemotaxis pathway in E. coli. Receptors sense and transmit signals to regulate the activity of the cytoplasmic histidine kinase CheA. Receptors form trimers of dimers, where different types of receptors (light or dark blue) are mixed. CheA binding and regulation by receptors are aided by CheW. CheA transfers phosphate group to CheY, the single-domain response regulator controlling flagellar motor, and to CheB, composed of the regulatory receiver domain and the output methylesterase domain. Receptors are methylated on glutamate residues by the methyltransferase CheR. CheY is dephosphorylated by the phosphatase CheZ. Receptors, CheW, CheA and CheZ form a stable signalling core, to which CheR, CheB and CheY dynamically localize.

CheR transfers methyl groups from S- adenosylmethionine (AdoMet) to conserved membrane receptors. The methyltransferase The changes in attractant or repellent glutamate residues on the cytoplasmic signaling domains of the chemotaxis the phosphoenolpyruvate (PEP)-dependent phosphotransferase system (PTS) binds and phosphorylation by CheA. Enzyme I (Pts I) of these groups when activated through receptors. The methylesterase CheB removes chain. The chemotaxis system can adapt to concentrations by covalently modifying the indirectly via periplasmic binding proteins. The to their respective receptors either directly or thought to interact with the electron transport molecules diffuse through the outer chemotaxis receptors signal through the inner membrane into the periplasm, where they bind membrane into the cytoplasm, where they through its flavin-binding domain, and is apparently receives intracellular redox signals interact with the adaptor protein CheW and the kinase CheA. The aerotaxis receptor, Aer, phosphorylation of the response regulator CheY, which directly interacts with the E. coli chemotaxis system. Stimulus transported into the cell. All chemotaxis inhibits CheA when a variety of hexoses are signals are ultimately integrated at the level of The E. colic hemotaxis system. Stimulimolecules diffuse through the outermembrane into the periplasm, where they bindto their respective receptors either directly orindirectly via periplasmic binding proteins. Thechemotaxis receptors signal through the innermembrane into the cytoplasm, where theyinteract with the adaptor protein CheW andthe kinase CheA. The aerotaxis receptor, Aer,apparently receives intracellular redox signalsthrough its flavin-binding domain, and isthought to interact with the electron transportchain. The chemotaxis system can adapt to changes in attractant or repellentconcentrations by covalently modifying the membrane receptors. The methyltransferaseCheR transfers methyl groups from S-adenosylmethionine (AdoMet) to conserved glutamate residues on the cytoplasmicsignaling domains of the chemotaxisreceptors. The methylesterase CheB removesthese groups when activated throughphosphorylation by CheA. Enzyme I (Pts I) of the phosphoenolpyruvate (PEP)-dependentphosphotransferase system (PTS) binds and inhibits CheA when a variety of hexoses aretransported into the cell. All chemotaxis signals are ultimately integrated at the level ofphosphorylation of the response regulatorCheY, which directly interacts with the flagellar motor.

. Vi sono diverse omologie tra il pilo di tipo IV ed il flagello degli Archea

L’Archellum ovvero il flagello negli Archea I flagelli negli Archea sono costituiti da una struttura di ancoraggio localizzata nella membrana citoplasmatica da un uncino e da un filamento, costituito da diverse flagelline. . Le subunità di flagellina si assemblano a partire dalla base del flagello, in quanto il flagello non ha, come nei Batteri, un canale interno. Le flagelline degli Archea hanno una sequenza segnale che viene rimossa da una specifica Peptidasi FlaK. Inoltre le flagelline vengono modificate per l’aggiunta di glicani all’estremità N terminale.

Il flagello degli Archea si muove come un ‘elica ed ha una struttura più semplice rispetto al flagello dei Batteri e simile ai pili. Il movimento avviene grazie all’idrolisi di ATP.