L'acido pulcherriminico modula la disponibilità del ferro e protegge dallo stress ossidativo durante le interazioni microbiche

Sep 25, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2536 (2023) Citare questo articolo

3347 accessi

28 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I siderofori sono molecole solubili o incorporate nella membrana che legano la forma ossidata del ferro, Fe(III), e svolgono un ruolo nell'acquisizione del ferro da parte dei microrganismi. I siderofori legati al Fe(III) si legano a recettori specifici che consentono ai microbi di acquisire il ferro. Tuttavia, alcuni microbi del suolo rilasciano un composto (acido pulcherriminico, PA) che, legandosi al Fe(III), forma un precipitato (pulcherrimina) che apparentemente funziona riducendo la disponibilità di ferro piuttosto che contribuire all’acquisizione del ferro. Qui, utilizziamo Bacillus subtilis (produttore di PA) e Pseudomonas protegens come modello di competizione per dimostrare che la PA è coinvolta in un peculiare sistema di gestione del ferro. La presenza del concorrente induce la produzione di PA, portando alla precipitazione di Fe(III) come pulcherrimina, che previene lo stress ossidativo in B. subtilis limitando la reazione di Fenton e la deleteria formazione di ROS. Inoltre, B. subtilis utilizza la sua nota bacillibactina siderofora per recuperare Fe (III) dalla pulcherrimina. I nostri risultati indicano che la PA svolge molteplici ruoli modulando la disponibilità di ferro e conferendo protezione contro lo stress ossidativo durante la competizione tra specie.

Il ferro (Fe) è un metallo essenziale richiesto in elevate concentrazioni cellulari per la sopravvivenza e la crescita della maggior parte degli organismi viventi sulla terra. Sebbene sia abbondante nel suolo, la sua solubilità e, quindi, la sua biodisponibilità sono molto basse a pH circumneutro (circa 10−10 M)1. Per risolvere questo enigma di elevata domanda ma scarsa offerta, i batteri del suolo producono siderofori, composti a basso peso molecolare con elevata affinità per Fe(III)2. Sistemi di trasporto specifici consentono al Fe di essere assorbito dalle cellule e utilizzato in vari percorsi cellulari e proteine3,4,5. I microrganismi del suolo spesso competono per il Fe e hanno sviluppato meccanismi per massimizzare l'acquisizione del Fe, inclusa la produzione di più siderofori con una gamma di affinità per il Fe e l'espressione di vari recettori sulla superficie cellulare in grado di legare i siderofori, a volte inclusi gli xenosiderofori6,7,8 ,9. Nella competizione tra specie, la secrezione del sideroforo può conferire un vantaggio di crescita attraverso una rapida monopolizzazione del Fe10. Tuttavia, il sequestro del Fe da parte dei siderofori può essere un’arma a doppio taglio poiché anche i concorrenti possono ingannarli, acquisendo così Fe senza condividere il costo metabolico della biosintesi dei siderofori9,11.

Utilizzando lo stesso percorso di sintesi, B. subtilis produce due siderofori: l'acido 2,3-diidrossibenzoico ad affinità di legame relativamente debole (DHB; una funzione catecolica) e la bacillibactina con forte affinità di legame (BB; funzioni a tre catecoli)12. L'acido pulcherriminico (PA), un'altra molecola chelante il Fe prodotta dal lievito e da molti batteri tra cui B. subtilis13,14,15, ospita due gruppi idrossammato e forma il complesso rosso insolubile della pulcherrimina legandosi al Fe(III)15,16,17. Recentemente, è stato dimostrato che l'accumulo extracellulare di pulcherrimina (PA-Fe) limita l'espansione del biofilm ed è stato suggerito che la PA agisca come un segnale intercellulare che innesca la transizione dalla fase esponenziale a quella stazionaria in B. subtilis14,18. La pulcherrimina è stata descritta per la prima volta in un piccolo gruppo di lieviti, tra cui Candida spp. e Kluyveromyces spp.15,19. In questi organismi, è stato dimostrato che la produzione di PA esercita un'attività antagonista, probabilmente attraverso la deplezione di Fe20. In Kluyveromyces lactis, è stato suggerito che il PA potrebbe agire come un sideroforo, un'idea contraddittoria poiché il complesso pulcherrimin è insolubile e, apparentemente, non una fonte biodisponibile di Fe19,21. Infatti, quasi tutti gli studi precedenti su lieviti e Bacillus stabiliscono che il PA lega irreversibilmente il Fe (III) e quindi non svolge alcun ruolo nell’acquisizione del Fe.

Un altro aspetto importante dell'omeostasi del Fe in B. subtilis è la formazione di un biofilm. Abbiamo precedentemente dimostrato che sia la matrice del biofilm che la produzione del sideroforo sono necessarie affinché l'organismo possa acquisire Fe dagli ossidi precipitati22 e che il Fe legato al biofilm può essere utilizzato come fonte locale di Fe23. Un altro studio ha dimostrato l’importanza del Fe(III) nello strato profondo del biofilm, che funge da accettore terminale di elettroni in assenza di ossigeno24. Il Fe legato al biofilm appare quindi essenziale per la funzione del biofilm oltre alla crescita cellulare. I siderofori e la formazione di biofilm contribuiscono all'acquisizione di Fe e all'omeostasi nei batteri che formano biofilm22,25. Tuttavia, si sa poco sul vantaggio ecologico della secrezione di ligandi precipitanti come il PA nel contesto della competizione microbica e sul destino del Fe una volta complessato al PA.