Biologia

Organismi modello per la biologia: Unicellulari - Escherichia coli e Saccharomyces cerevisiae

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La biologia è una scienza che, come dice il termine stesso, si occupa della vita e per questo motivo è necessario disporre di organismi utilizzabili come modello per lo studio dei meccanismi e delle strutture tipiche degli esseri viventi. Per la grande diversità che vita presenta è opportuno quindi studiare diversi organismi sia pluricellulari che unicellulari.

Per quanto riguarda unicellulari gli organismi maggiormente utilizzati sono il batterio Escherichia coli e il lievito Saccharomyces cerevisiae.

E. coli è il procariota di riferimento per la maggior parte degli studi scientifici. Presente all’interno dell’intestino umano, fa parte della nostra flora batterica. E. coli è un batterio gram- e, come tutti i gram-, è dotato di una membrana interna e di una esterna, fra le quali si trova lo spazio periplasmico. Al microscopio questo organismo appare con una forma allungata, definita “a bacillo”, ed è dotato di flagelli lungo tutta la membrana, che gli permettono il movimento in un mezzo acquoso.

Per le sue applicazioni biotecnologiche, E. coli viene definito “veloce”, “economico” e “facile”, in quanto è manipolabile in maniera semplice e diversificata, con costi e tempi ridotti. Per questi motivi è stato il primo organismo modificato geneticamente al fine di produrre una proteina che non gli appartiene (eterologa), l’insulina umana. Ha un tempo di duplicazione (per scissione binaria) di soli 20 minuti, che si traduce in un alto numero di cellule (e di proteina eterologa) in poco tempo. Cresce in condizioni ambientali facili da ricreare (es. temperatura di 37°C) in terreni sia liquidi sia solidi. È un anerobio facoltativo, ovvero respira in presenza di ossigeno, ma può anche fermentare in sua assenza. Alcune porzioni del suo genoma, come l’operone lac, vengono utilizzate come modello di espressione genica dei procarioti e come base per lo sviluppo di vettori e plasmidi. Questo procariota viene anche utilizzato per la crescita di virus modello come il fago lambda, in quanto oggetto dell’infezione.

Cellule di E. coli osservate al microscopio elettronico a scansione (SAM).

Lo studio degli organelli e delle modificazioni degli eucarioti ha portato all’utilizzo del lievito S. cerevisiae. Nonostante sia un fungo unicellulare semplice, questo organismo, o suoi affini, sono stati da sempre utilizzati per la produzione di vino e pane, senza sapere che si trattassero di organismi viventi.
Anche S. cerevisiae è un anerobio facoltativo che cresce velocemente (90 minuti circa per duplicarsi per gemmazione), alla temperatura di 30°C in vari tipi di terreno. Rispetto a E. coli ha il vantaggio di essere definito come G.R.A.S. (= generally recognized as safe) e di conseguenza il suo utilizzo e la sua modificazione genetica ha minori restrizioni, in quanto non pericoloso. Inoltre può trovarsi in più forme sia dal punto di vista fisiologico (per esempio può formale spore e avere estroflessioni) sia genetico (può trovarsi in forma aploide o diploide). All’esterno della membrana plasmatica è presente una parete costituita da una fitta rete di polisaccaridi e proteine (spesso enzimi) che fornisce protezione dagli stress ambientali, riducendo però la capacità del lievito di secernere proteine. Grazie ad interventi di ingegneria genetica è possibile facilitare un leggero rilassamento della parete, facilitando l’uscita delle proteine. S. cerevisiae geneticamente modificato infatti è molto utilizzato per la produzione di proteine eterologhe, poichè in grado di modificare le proteine prodotte come ogni eucariota, rendendole molto più simili a quelle usate dalle cellule umane.

Cellule di S. cerevisiae osservate al microscopio a contrasto d’interferenza differenziale (DIC).

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