Cladosporium sphaerospermum
Introduzione
Cladosporium Sphaerospermum è un fungo saprobico cosmopolita che abita una varietà di ambienti. Prevalentemente nell’aria, si trova nell’aria interna ed esterna e campionata non solo da abitazioni e piante ma anche da esseri umani . Come microrganismo halotolerant, C. sphaerospermum prospera nelle aree di alta salinità. Può anche proliferare nelle aree di salinità moderata e bassa . L’analisi filogenetica dell’RNA suggerisce che C. sphaerospermum è una specie fungina complessa che comprende un certo numero di ceppi diversi. Recenti studi dimostrano che C. sphaerospermum, un fungo antropologico infettivo e allergenico, può sopravvivere e prosperare nelle aree ad alta radioattività e può ridurre i livelli di radiazioni . Inoltre, le emissioni industriali di off-gas, vale a dire idrocarburi aromatici, chetoni e alcuni acidi organici possono anche essere degradate da C. sphaerospermum, rendendo il fungo un modello potenziale per studiare i meccanismi naturali di biofiltrazione. Inoltre, C. sphaerospermum può eventualmente diventare un sostituto per fertilizzanti chimici grazie alla sua capacità di produrre gibberelline , ormoni della crescita delle piante che sono essenziali per la crescita e lo sviluppo delle piante .
Struttura del genoma
Sebbene sia stato scoperto un certo numero di ceppi di C. sphaerospermum, solo uno è stato sequenziato. C. sphaerospermum UM843 è stato isolato dalla coltura del sangue umano e il genoma è stato sequenziato nel 2012. Si trova nelle vicinanze di 31.92 Mb . Il genoma è costituito da un totale di 10.020 geni, con circa il 94% che codifica per proteine di più di 100 aminoacidi. La frequenza degli esoni nel modello proposto era di 2,26 esoni per gene . Tra i geni rilevati nello gnomo c’erano geni associati agli allergeni umani, i geni per asenolasi, aldeide deidrogenasi e mannitolo deidrogenasi. Alcuni dei geni trovati nel genoma di C. sphaerospermum sono collegati alla resistenza ai farmaci antifungini fluconazolo, chinidina e fluorocitosina. Il genoma include anche sequenze che codificano per gli enzimi chiave nella via della biosintesi della melanina .
Struttura cellulare
Le cellule flagellate a pareti spesse di questo fungo formano un dikaryon in cui, dopo la fusione citoplasmatica di due cellule (plasmogamia), i due nuclei convivono senza fusione. Le cellule dicariotiche sono più comuni per leph ascogene e l’ascocarpo del fungo che rende il resto del micelio monokariotico. Le spore di C. sphaerospermum hanno forme diverse e vengono rilasciate attraverso un poro apicale . Sotto ingrandimento, il fungo sembra formare strutture arboree principalmente assemblate da catene ramificate di conidi rotondi scuri. Sebbene i conidi abbiano un diametro di 3-4, 5 µm e siano spesso unicellulari, spesso formano catene germogliando, lasciando la cellula più giovane alla punta della catena . I conidi più vecchi potrebbero diventare oblunghi o a forma di scudo e raggiungere 15 µm di lunghezza. Al germogliamento, C. sphaerospermum conidia spesso subiscono septation e di conseguenza potrebbe avere numerose cicatrici di costrizione. A 30°C, Cladosporium sphaerospermum forma 1.0 cm di diametro in polvere colonie di colore grigio scuro/verde che sembrano cupole .
Processi metabolici
Come saccharaomycetae, C. sphaerospermum utilizza vari enzimi metabolici per convertire glucosio, saccarosio e amido in anidride carbonica e alcol . Alcuni ceppi di C. sphaerospermum, tuttavia, utilizzano diversi tipi di adattamenti metabolici per resistere ad ambienti estremi. Halotolerant C. sphaerospermum, ad esempio, aumenta l’attività dell’invertasi extracellulare se coltivata in un ambiente ad alta salinità . Altri enzimi che aumentano l’attività in tali ambienti sono fruttosio 1,6-difosfato aldolasi, isocitrato liasi e malato citosolico deidrogenasi. La risposta adattiva di C. sphaerospermum si estende alla sua capacità di crescere sul toluene come unica fonte di carbonio ed energia . Infatti, C. sphaerospermum è il primo organismo eucariotico che è stato segnalato per catabolizzare il toluene come unica fonte di carbonio ed energia. C. sphaerospermum è anche un produttore di metaboliti secondari. Tra questi ci sono citrinina, chinolattacina A1 e A2 , ossilipine e melanina . È molto probabile che a causa della produzione di citrinina, che è una micotossina, alcuni ceppi di C. sphaerospermum siano considerati patogeni delle piante perché la citrinina causa la rottura del cromosoma, la modifica dell’assorbimento degli aminoacidi, l’inibizione della germinazione dei semi e la poliploidia nelle piante . Le chinolattacine sono noti inibitori del fattore di necrosi tumorale . Tuttavia, la funzione delle chinolattacine in C. sphaerospermum non è chiara. Le ossilipine, o acidi grassi ossidati, includono prostaglandine che sono essenziali per la comunicazione e la vitalità delle cellule fungine .
Metabolismo della melanina.
La melanina è uno dei metaboliti secondari prodotti da C. sphaerospermum. Fornisce protezione dalla luce ultravioletta e dagli agenti ossidanti, oltre a facilitare la proliferazione fungina nelle aree con alti livelli di radiazioni . È, tuttavia, improbabile che la melanina sia metabolizzata da C. sphaerospermum-esclusivamente per protezione, poiché alcuni microrganismi possono sopravvivere all’esposizione ad alte radiazioni indipendentemente dalla melanizzazione. I meccanismi di sintesi della melanina in C. sphaerospermum sono chimicamente diversi e non ancora ben compresi. Tuttavia, ci sono prove che questo fungo produce melanina da un substrato endogeno attraverso un intermedio 1,8-diidrossinaftalene (DHN). Recenti studi microscopici dimostrano che la melanina granulata è localizzata sulla parete cellulare dove partecipa al cross-linking con i polisaccaridi. È probabile che le vescicole interne simili ai melanosomi dei mammiferi siano i siti di sintesi della melanina in C. sphaerospermum. La melanina viene trasportata alla parete cellulare attraverso queste vescicole .
L’uso delle radiazioni ionizzanti.
Alla luce dei recenti incidenti sulle centrali nucleari, in particolare quello sulla centrale di Chernobyl nel 1986, è stato scoperto che C. sphaerospermum può resistere a livelli elevati di radiazioni e usarlo a suo vantaggio. La produzione di melanina da parte del fungo è legata alla sua capacità di colonizzare aree ad alta contaminazione radioattiva . Inoltre, in presenza di radiazioni, C. sphaerospermum può prosperare su supporti nutritivi elevati e su supporti nutrizionali minimi. Studi condotti con campioni di Chernobyl indicano che il cambiamento nelle proprietà elettroniche della melanina induce la proliferazione fungina . Dopo l’esposizione alle radiazioni la struttura elettronica della melanina cambia. Hanno anche dimostrato che la capacità della melanina di trasferire elettroni nella reazione di ossidazione/riduzione del NADH è aumentata di 4 volte . I radicali liberi stabili nella melanina possono interagire con elettroni ad alta energia che possono danneggiare il DNA fungino. L’interazione dei radicali liberi creati dalla radiazione gamma con i radicali stabili nella melanina protegge il DNA dai danni da radiazioni perché ai radicali liberi viene impedito di entrare nella cellula poiché la melatonina è localizzata nella parete cellulare e nello spazio extracellulare . Inoltre, le cellule fungine melanizzate che sono state esposte a livelli di radiazioni 500 volte superiori al livello di fondo sono cresciute considerevolmente più velocemente del fungo non melanizzato o delle cellule che hanno ricevuto il livello di radiazione di fondo. Ulteriori studi sugli effetti delle radiazioni su C. sphaerospermum mostra la crescita direzionale del fungo verso la fonte di radiazioni . Pertanto, è possibile che C. sphaerospermum, facilitato dalla melanina, possa catturare le radiazioni ionizzanti e usarlo per l’energia metabolica .
Degradazione di composti organici volatili.
I composti organici volatili (VOC) degradati dai funghi melanizzati comprendono idrocarburi aromatici, chetoni e acidi organici. È stato scoperto che C. sphaerospermum può utilizzare il suo macchinario metabolico per degradare nove diversi VOC . Ad esempio, il toluene, che è tossico per il sistema nervoso centrale negli esseri umani e negli animali, può essere degradato dal fungo e utilizzato come un’unica fonte di carbonio ed energia. In questo fungo, il gruppo metilico di toluene inizialmente è attaccato per formare il benzoato via l’idrossilazione. Utilizzando NADPH e O2 per ossidare toluene, glicerolo, EDTA, DTT, e PMSF, toluene monoossigenasi catalasi assimilazione di toluene dal fungo . Ulteriore idrossilazione del benzoato a 4-hydrozybenzoate porta alla formazione di protocatecuato come substrato di fissione dell’anello . Benzene, etilbenzene, stirene, metiletilchetone metil isobutilchetone e metil propilchetone, insieme all’acetato di n-butile e all’etil 3-etossipropionato possono essere utilizzati da C. sphaerospermum come unica fonte di carbonio ed energia .
Produzione di gibberelline.
Uno dei ceppi di C. sphaerospermum può potenzialmente diventare un sostituto dei fertilizzanti chimici grazie alla sua capacità di produrre gibberelline, ormoni della crescita delle piante che sono essenziali per la crescita e lo sviluppo delle piante . È stato dimostrato che recentemente identificato sulla base di 18s rDNA sequenza MH-6 ceppo di C. sphaerospermum è un fungo endofitico che produce nove diverse gibberelline inducendo i responsabili del massimo allungamento del germoglio nelle piante. Il meccanismo con cui le gibberelline sono prodotte da questo fungo deve ancora essere chiarito. Tuttavia, Hamayun et all ha determinato che la via di biosintesi delle gibberelline in C. sphaerospermum è simile a quella di F. fujicori, un noto produttore di gibberelline .
Ecologia
C. sphaerospermum è una specie complessa che può crescere in ambienti estremi e polari. Questo fungo psicrotolerante, resistente ai raggi UV e halotolerant può sopravvivere in Antartide. Può anche sopravvivere a 25-30°C nelle aree in cui alcuni ceppi sono stati isolati in ambienti a bassa salinità . Saprobe, C. sphaerospermum vive anche in relazioni simbiotiche con le piante vive. Alcuni ceppi di C .sphaerospermum sono in grado di adottare e prosperare in aree esposte ad alti livelli di radiazioni ionizzanti .
Patologia
C. sphaerospermum è uno dei contaminanti aerei più comunemente isolati. Alcuni dei ceppi del fungo non sono patogeni per l’uomo e l’animale; sono, tuttavia, dannosi per le piante. Alcune delle specie, può causare phaehyphomycoses cerebrale e cutanea, sinusite e peritonite negli esseri umani . Nel 2003 è stato riportato un caso di una donna che ha sviluppato una lesione intrabronchiale dovuta a C. sphaerospermum . Negli animali, la pelle e i polmoni sono i più colpiti dagli organi del fungo. Ad esempio, i topi esposti al fungo hanno mostrato infezioni sistemiche e sottocutanee e persino la morte nei topi immunocompromessi . C. sphaerospermum può anche causare un comportamento irregolare nei dentici rossi dopo l’infezione della vescica e del rene . Anche Eledone cirrhosa, il polpo minore, non è immune alle infezioni da questo fungo .
Future research avenues
- Poiché quinolactacin Al e quinolactacin A2 isolati da Pinicillium citrinum possono inibire l’attività dell’acetilcolinesterasi che è legata alla demenza senile nei pazienti con Alzheimer (24), è possibile che quinolactacin Al e quinolactacin A2 isolati da C. sphaerospermum possono anche essere utilizzati in studi su pazienti con malattia di Alzheimer. C. i ceppi di sphaerospermum che producono chinolattacina Al e chinolattacina A2 potrebbero essere utilizzati in ambiente radioattivo per indurre la proliferazione del fungo al fine di ottenere un’elevata resa dei metaboliti. Determinare quali effetti tali metaboliti avrebbero sulle cellule di mammifero potrebbe essere una via per un’ulteriore ricerca di cura per la malattia di Alzheimer.
- La prostaglandina E2 (PGE2), un composto simile all’ormone, è legata al funzionamento della muscolatura liscia e alla risposta immunitaria nell’uomo (25). Poiché C. sphaerospermum può produrre ossilipine, alcuni dei suoi ceppi cloud sintetizzano PGE2. Questo potrebbe spiegare perché alcuni individui hanno una reazione allergica al fungo. La capacità del fungo di produrre PGE2 deve ancora essere determinata.
- La produzione di gibberelline da parte di C. sphaerospermum lo rende un potenziale fertilizzante. Tuttavia, non è noto se tale uso possa indurre reazioni avverse o benefiche nei mammiferi.
- Considerando la capacità di C. sphaerospermum di crescere e catturare le radiazioni ionizzanti insieme al suo metabolismo di composti organici volatili, questo fungo potrebbe essere usato come bioradioremediator universale.
A cura di, studente di Jennifer Talbot per BI 311 Microbiologia generale, 2014, Boston University.
