I bifidobatteri sono bastoncelli dalle estremità bifide (a forma di Y), dalle dimensioni comprese tra i 2 ed i 5 μm, visibili come entità singole, ma anche in forma di catene o aggregati. Si tratta di microrganismi saccarolitici, anaerobi, immobili, asporigeni, non filamentosi e non produttori di gas. Sono catalasi-negativi, tranne alcune eccezioni (B.
indicum e B. asteroides quando crescono in presenza di aria). Il contenuto G+C del loro
genoma varia dal 42 al 67 mol% (Biavati e Mattarelli, 2001).
Delle 29 specie di Bifidobacterium attualmente riconosciute, fino ad ora è stato sequenziato il genoma di soli 8 ceppi e ci sono altri 10 ceppi che sono in fase di lavorazione e che a breve potrebbero risultare completati. Tali genomi, di dimensioni comprese tra 1.9 e 2.9 Mb, mostrano caratteristiche strutturali tipiche di un cromosoma batterico, quali (i) co-orientamento di trascrizione genica e replicazione del DNA (McLean
et al., 1998); (ii) maggiore preponderanza di G e ridotto numero di C nella composizione
B. adolescentis B. dentium
B. breve
nucleotidica del leading strand di DNA (Frank e Lobry, 1999); (iii) presunta origine di replicazione (Qin et al., 1999), caratterizzata da una costellazione di geni attorno all’origine stessa (ad es. rpmH, dnaA, dnaN, e recF), da una particolare asimmetria dei nucleotidi GC ([G-C]/[G+C]), e dalla presenza, immediatamente a monte del gene dnaA, di box multipli DnaA e squenze ricche in AT (Christensen et al., 1999).
Tab. 2. Caratteristiche generali di alcuni dei genomi di Bifidobacterium.
General features B. longum biotype longum NCC2705 B. breve UCC2003 B. adolescentis ATCC 15703 B. dentium Bd1 Status F F F F Genome size (bp) 2,256,646 2,422,668 2,089,645 2,636,367 No. of ORFs 1732 1868 1,701 2197 % G+C content 60 58.73 59 58
No. of rRNA operons 4 2 5 3
No. of tRNAs 57 54 70 55 Intact insertion sequence elements 16 26 - - Prophage-like sequences 1 (Bl-1) 1 (Bbr-1) - 2
Reference Schell et al., 2002 UCC Unpublished
Gifu University, GenBank AP009256
UniPR&UCC, NC_013714 F, finished;
UCC, National University of Ireland, Cork, Ireland; UniPr, University of Parma, Italy. -, not available.
In Bifidobacterium, il numero di operoni rRNA può variare da 1 a 5 (Candela et al., 2004), il che probabilmente riflette le differenti strategie ecologiche (Klappenbach et al., 2000). Anche il numero di geni tRNA, nei genomi di Bifidobacterium sequenziati fino ad ora, è variabile (54 in B. breve UCC2003, 56 in B. longum biotype longum NCC2705, 70 in
B. adolescentis). I tRNA sono risultati rappresentativi di tutti e 20 gli amminoacidi e
ridondanti per tutti, tranne che per cisteina, istidina, isoleucina, fenilalanina e triptofano.
Morfologia
La forma a bastoncello che caratterizza il genere Bifidobacterium viene mantenuta solamente in condizioni nutrizionali ottimali, quali quelle che caratterizzano l’habitat naturale, mentre in colture di laboratorio vengono osservate forme irregolari con rigonfiamenti, protuberanze e ramificazioni. Tale pleomorfismo è stato attribuito a particolari richieste nutrizionali probabilmente determinate da una composizione della parete cellulare più complessa rispetto ad altri generi. L’ipotesi è avvalorata dall’osservazione che lo sviluppo in mezzi di coltura privi di N-acetil-ammino-zuccheri, precursori nella sintesi della parete cellulare, induce la comparsa di forme irregolari (Glick et al., 1960). Lo stesso effetto è stato riscontrato in presenza di NaCl, mentre
un’azione contraria sembra essere associata agli ioni Ca2+ (Kojima et al., 1970a, 1970b).
Una reversione dalla forma irregolare alla forma bastoncellare è stata osservata in bifidobatteri cresciuti in terreno minimo, in seguito all’aggiunta nel terreno colturale degli amminoacidi alanina, acido aspartico, acido glutammico e serina (Husain et al., 1972). Oltre alle condizioni colturali (Biavati e Mattarelli, 2001), il morfotipo del genere
Bifidobacterium può variare in relazione a specie e fase di crescita (Fig. 9) (Klijn et al.,
Fig. 9. B. longum NCC2705 al microscopio elettronico.
Le cellule sono state cresciute in MRS in anaerobiosi. In fase esponenziale (A) si può osservare la tipica forma bastoncellare, mentre in fase di transizione (B) e stazionaria (C) prevale la forma ramificata.
Fisiologia
Le condizioni ottimali per la crescita di Bifidobacterium sono rappresentate da una temperatura compresa tra 36° e 38°C, e da un valore di pH tra 6 e 7 e un basso potenziale redox. Benché sia richiesta anaerobiosi stretta, i diversi ceppi possono presentare variabilità nella tolleranza all’O2 sia in termini quantitativi che per i
meccanismi biochimici alla base di tale sensibilità (De Vries e Stouthamer, 1968). Molto importante per questo aspetto è la presenza o meno della catalasi, enzima responsabile
della rimozione dell’H2O2. L’assenza di questo enzima provoca un accumulo di H2O2 che
inibisce la fruttosio-6-P fosfochetolasi, enzima chiave dei processi fermentativi in
Bifidobacterium, con conseguente inibizione della crescita. Tuttavia, in alcuni ceppi
anaerobi stretti è presente una debole attività catalasica e l’assenza di sviluppo si giustifica con l’accumulo di O2 nel mezzo di coltura, che porta ad un aumento del
potenziale redox.
Habitat
I bifidobatteri sono stati isolati da nicchie ecologiche differenti ma connesse tra di loro: intestino di mammiferi [nel microbiota umano di neonati predominano B. breve e
B. longum biotype infantis; in quello adulto B. adolescentis, B. longum biotype longum e B. catenulatum (Satokari et al., 2001)], cavità orale umana (B. dentium), cibo (B. animalis
subsp. lactis), intestino di insetti (B. asteroides, B. indicum, e B. coryneforme), acque di scolo e liquami di fogna (B. minimum e B. subtile) (Tab. 4).
Tab. 3. Specie appartenenti al genere Bifidobacterium ed origine ecologica.
Species Origin
B. breve Infant feces
B. bifidum Infant feces
B. subtile Sewage
B. asteroides Hindgut of honeybee
B. magnum Rabbit feces
B. adolescentis Intestine of adult B. catenulatum Intestine of adult B. pseudocatenulatum Infant feces
B. indicum Hindgut of honeybee
B. pseudolongum subsp. Pseudolongum Swine feces B. pseudolongum subsp. Globosum Bovine rumen
B. gallicum Human feces
B. cuniculi Rabbit feces
B. psychraerophilum Porcine feces
B. angulatum Human feces
B. animalis subsp. Lactis Yoghurt B. animalis subsp. Animalis Animal feces
B. thermophilum Swine feces B. longum biotype longum Intestine of adult B. longum biotype infantis Intestine of infant B. longum biotype suis Swine feces
B. choerinum Swine feces
B. merycicum Bovine rumen
B. minimum Sewage
B. saeculare Rabbit feces
B. gallina rum Chicken cecum
B. pullorum Chicken feces
B. thermoacidophilum subsp. thermoacidophilum Waste water
B. ruminantium Bovine rumen
B. thermoacidophilum subsp. Porcinum Piglet feces
B. boum Rumen cattle
B. coryneforme Hindgut of honeybee
B. scardavi Human blood
L’intestino dei mammiferi rappresenta, sicuramente, l’habitat più naturale per la sopravvivenza e la moltiplicazione di Bifidobacterium; costituiscono circa il 3-5% dell’intero microbiota intestinale, anche se il loro reale contributo può variare tra individui e in relazione all’età e alla dieta (Favier et al., 2002; Lay et al., 2005; Vaughan et
al., 2005; Zoetendal et al., 2006). A livello del tratto gastrointestinale, possono essere
presenti sia come autoctoni che alloctoni (Tannock, 1999). I bifidobatteri alloctoni derivano da quegli alimenti nel quale vengono aggiunti intenzionalmente per via dei potenziali effetti benefici sulla salute dell’ospite. Dopo ingestione di tali preparazioni, i bifidobatteri alloctoni persistono nel tratto gastrointestinale ma solo per brevi periodi di tempo (Ouwehand et al., 2004; Bartosch et al., 2005; Su et al., 2005). I ceppi appartenenti alle specie B. adolescentis, B. animalis, B. bifidum, B. breve, B. longum biotype infantis e B. longum biotype longum, sono i bifido batteri che fino ad ora hanno mostrato proprietà probiotiche. All’interno dell’intestino umano, questi microrganismi sono in grado di fermentare una grande varietà di oligosaccaridi, alcuni dei quali sono impiegati commercialmente al fine di incrementare in situ il numero di bifidobatteri e di altri batteri probiotici [prebiotic concept (Gibson e Roberfroid, 1995)].
Altre nicchie colonizzate dai bifidobatteri sono costituite dalla cavità orale, che ospita
B. adolescentis e B. dentium, probabilmente coinvolto nella formazione della carie
(Scardovi e Crociani, 1974), e dalla vagina, in cui sono presenti B. breve, B. longum e B.
adolescentis.
I bifidobatteri sono stati ampiamente studiati e caratterizzati negli animali, soprattutto erbivori ruminanti. Alcune specie sembrano avere specificità d’ospite: B.
magnum e B. cuniculi (Scardovi et al., 1979) sono presenti solo nelle feci di coniglio; B. pullorum (Trovatelli et al., 1974) e B. gallinarum (Watabe et al., 1983) solo in feci di pollo; B. suis (Matteuzzi et al., 1971) nelle feci di suino.