Influenza dei metalli sul metabolismo microbico: studio modello E. coli K-12 DH5ALPHA

Transition metals play an essential role in the metabolism of all living organisms, as most of the key metabolic enzymes are metal-containing oxidoreductases. In fact, transition metals are included in the cofactor structures and catalytic domains of many enzymes directly involved in biogeochemical cycles and energy metabolic pathways, such as aerobic and anaerobic respiration, photosynthesis, carbon and nitrogen fixation. Although the significant role of transition metals in microbial metabolism seems well established, the effects of changes in their availability have not yet been fully demonstrated. Escherichia coli is able to grow in both aerobic and anaerobic conditions, using respectively oxygen and nitrate as terminal electron acceptor in the respiratory chain. The key enzymes involved in the respiratory tract of E. coli are the metal-containing oxidoreductases, i.e. cytochrome bo ubiquinol oxidase [copper-iron], cytochrome bd-I and bd-II ubiquinol oxidases [iron], nitrate reductases Nar and Nap [molybdenum] periplasmic nitrate reductase. The aim of this thesis was to investigate the role of transition metals in the respiratory tract of E. coli, evaluating the growth rate of the E. coli K-12 DH5α strain on M9 medium in the absence and in the presence of transition metals both in aerobic and anaerobic conditions. The data demonstrate that transition metals, as fundamental components of the main respiratory oxidoreductases, can influence the growth capacity of E. coli and that differences in their availability induce "diauxic" growth patterns. These models introduce for the first time the concept of "diauxia" in relation to acceptors and donors of the electron transport chains of the respiration pathways.

I metalli di transizione svolgono un ruolo essenziale nel metabolismo di tutti gli organismi viventi, poiché la maggior parte degli enzimi metabolici chiave sono ossidoreduttasi contenenti metalli. Infatti, i metalli di transizione sono inclusi nelle strutture dei cofattori e dei domini catalitici di molti enzimi direttamente coinvolti nei cicli biogeochimici e nelle vie metaboliche energetiche, come la respirazione aerobica e anaerobica, la fotosintesi, la fissazione del carbonio e dell'azoto. Sebbene il ruolo significativo dei metalli di transizione nel metabolismo microbico sembri ormai consolidato, gli effetti dei cambiamenti nella loro disponibilità non sono stati ancora pienamente dimostrati. Escherichia coli è in grado di crescere sia in condizioni aerobiche che anaerobiche, utilizzando rispettivamente ossigeno e nitrato come accettore terminale di elettroni nella catena respiratoria. Gli enzimi chiave coinvolti nelle vie respiratorie di E. coli sono le ossidoriduttasi contenenti metalli, cioè il citocromo bo ubichinolo ossidasi [rame-ferro], il citocromo bd-I e bd-II ubichinolo ossidasi [ferro], le nitrato reduttasi Nar e le nitrato reduttasi periplasmatiche Nap [molibdeno]. Lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare il ruolo dei metalli di transizione nelle vie respiratorie di E. coli, valutando il tasso di crescita del ceppo E. coli K-12 DH5α su terreno M9 in assenza e in presenza di metalli di transizione, sia in condizioni aerobiche che anaerobiche. I dati ottenuti dimostrano che i metalli di transizione, in quanto componenti fondamentali delle principali ossidoriduttasi respiratorie, possono influenzare la capacità di crescita di E. coli e che le differenze nella loro disponibilità inducono modelli di crescita di tipo "diauxico". Questi modelli introducono per la prima volta il concetto di "diauxia" in relazione ad accettori e donatori delle catene di trasporto di elettroni dei pathway di respirazione.