Appunti di microbiologia

Microbiologia generale

L'importanza della microbiologia

I microbi possono causare malattie che colpiscono l’uomo, il regno animale e vegetale, ma sono anche essenziali per la vita, ad esempio, per la fertilizzazione del suolo, la produzione e conservazione degli alimenti, e sono componenti fondamentali dell’organismo (microbiota).

I settori fondamentali della microbiologia sono:

• Microbiologia medica
• Microbiologia dell’acqua
• Microbiologia dell’aria
• Microbiologia industriale
• Microbiologia degli alimenti
• Microbiologia del suolo

La microbiologia medica si divide in:

• Batteriologia
• Virologia
• Micologia

Cosa sono i microrganismi?

I microrganismi sono definiti micro perché sono così piccoli da non poter essere osservati a occhio nudo (minori di 0,1 mm) ma possono essere osservati solo dal microscopio. Infatti i microrganismi cellulari possono essere osservati solo tramite un microscopio ottico che li suddivide in due diverse strutture: procarioti si intendono i batteri, e per eucarioti intendiamo i miceti e i protozoi.

Al contrario, i microrganismi sub-cellulari possono essere individuati solo tramite un microscopio elettronico, e si intendono i virus e i viroidi.

La microbiologia medica si divide in batteriologia, virologia ed in micologia.

Nel 1900, attraverso lo studio della microbiologia, si ha una riduzione della mortalità da malattie infettive grazie alla scoperta e all’evoluzione di antibiotici e vaccini, ma ancora oggi purtroppo le malattie infettive sono rappresentate nella “top ten” delle cause di morte soprattutto nei paesi in via di sviluppo, perché i microrganismi sono in evoluzione e così facendo si vanno a creare nuovi ceppi resistenti alle terapie antibiotiche e farmacologiche.

Attraverso delle ricerche si è arrivato a identificare i nuovi virus respiratori negli ultimi 20 anni, che sono:

• Nel 2003 il SARS-CoV
• Nel 2009 il IV-A/pH1N1
• Nel 2012 il MERS-CoV
• Nel 2013 il IV-A/H7N9
• Nel 2019 il SARS-CoV-2

Si definisce infezione emergente un’infezione di nuova comparsa nella popolazione umana: l’AIDS, la febbre di West Nile, la SARS sono esempi di malattie emergenti.

Un’infezione già esistita in passato, della quale si registra un rapido incremento di incidenza o della sua distribuzione geografica, viene invece definita infezione riemergente; in questo gruppo rientrano le malattie che per un periodo sono apparse sotto controllo, ma nell’epoca attuale sono tornate a rappresentare una minaccia in vaste aree del mondo: tra queste per esempio la tubercolosi e il morbillo.

Classificazione degli esseri viventi

La sistematica utilizza 7 raggruppamenti detti categorie sistematiche. Le categorie sistematiche sono ordinate in senso gerarchico dalla più grande alla più piccola.

Ogni microrganismo ha una sua forma e viene suddiviso in 4 categorie:

• I Macro parassiti, che sono organismi pluricellulari come ad es. i vermi o gli acari
• I Miceti e protozoi che sono organismi unicellulari e possiedono una struttura cellulare molto complessa
• I batteri che possiedono una struttura cellulare più semplice
• I virus che sono formati da una molecola di acido nucleico più le proteine

Avendo forme e dimensioni differenti, ogni essere vivente viene classificato e descritto in questo modo partendo dal regno, phylum, dalla classe, dall’ordine, dalla famiglia, dal genere e dalla specie: un esempio è quello del Proteobacteria:

• Regno: Bacteria
• Phylum: Proteobacteria
• Classe: Gammaproteobacteria
• Ordine: Enterobacterales
• Famiglia: Enterobacteriaceae
• Genere: Escherichia
• Specie: E. Coli (i 7 raggruppamenti)

Caratteristiche dei microrganismi cellulari (batteri)

I batteri possiedono la capacità di riprodursi, assimilare sostanze alimentari, metabolizzarle per ricavarne energia ed accrescersi, oltre ad essere in grado di espellere prodotti di rifiuto. I batteri possono subire mutazioni e adattarsi a cambiamenti che insorgono nel loro ambiente. Riescono inoltre a modificare la propria genetica con i loro simili, scambiando così informazioni.

Microrganismi e ospite

Esistono diverse classificazioni di batteri, in base al loro lavoro svolto:

• Saprofiti: specie che vivono nell’ambiente senza contatti con l’uomo
• Commensali: specie che vivono su cute e mucose umane senza provocare alcun danno, se anche l’ospite è avvantaggiato si parla di simbiosi mutualistica.
• Patogeni: specie che, invadendo l’organismo e moltiplicandosi al suo interno, provocano l’insorgenza di malattie (i patogeni opportunisti causano malattia solo in particolari condizioni)

Microrganismi cellulari: procarioti ed eucarioti differenze

Come si osserva, la maggior differenza tra una cellula eucariota e una procariota è che quella eucariota ha una struttura più complessa, possiede un nucleo, l’apparato di Golgi, i mitocondri, mentre la cellula procariota ha una struttura molto più semplice e soprattutto non possiede il nucleo.

Organizzazione della cellula batterica

Il cromosoma batterico

Il cromosoma batterico possiede una singola molecola di DNA con struttura circolare raggomitolata e immersa nel citoplasma ed è considerato il depositario dell'informazione genetica cellulare.

Citoplasma

Nel citoplasma, chiamato pure “il citosol” batterico, è privo di mitocondri, cloroplasti, ergastoplasma e sistema vacuolare, ma sono presenti ribosomi e granuli di varia natura (inclusioni citoplasmatiche).

Ribosomi

I ribosomi sono particelle citoplasmatiche che permettono la sintesi proteica. Sono composti dal 60% da RNA e dal 40% da proteine, hanno costante di sedimentazione di 70S. Sono più piccoli dei ribosomi eucariotici e sono composti di una subunità minore 30S e di una maggiore 50S.

Inclusioni citoplasmatiche: Granuli

Nel citoplasma troviamo una serie di granuli che a loro volta sono suddivisi in varie categorie ed ognuno di loro ha un compito; i granuli di glicogeno hanno il compito di mantenere le riserve di glucosio, i granuli metacromatici mantengono le riserve di fosfato, e producono ATP che è anche nei batteri la moneta di scambio energetico, i granuli lipidi che sono polimeri dell’acido beta-idrossi-butirrico ed hanno il compito di conservare l’energia, infine i granuli di zolfo chiamati pure solfobatteri e i granuli di ferro chiamati pure ferrobatteri.

Principali differenze fra eucarioti e procarioti

Membrana cellulare

Doppio strato fosfolipidico (con i gruppi idrofobici rivolti all’interno e quelli idrofili all’esterno) nel quale sono immerse le diverse proteine e piccole quantità di carboidrati.

Mesosoma

Il mesosoma è un'invaginazione della membrana citoplasmatica di notevoli dimensioni, di forma irregolare, che svolge una funzione di guida nella divisione cellulare.

Funzioni della membrana cellulare

Ha il compito di contenere il citoplasma, deve trasportare i cataboliti all’esterno e le sostanze nutritive all’interno attraverso la diffusione passiva o il trasporto attivo. Ha il compito di produrre l’energia, infatti è la sede degli enzimi della catena respiratoria per la fosforilazione ossidativa. Inoltre, la membrana cellulare permette pure degli scambi con l’ambiente extra-cellulare, sempre però mantenendo la stabilità osmotica della cellula, e deve sintetizzare i peptidoglicani (zuccheri molto complessi), che si legano come una rete per formare la parete cellulare.

Parete cellulare

La parete cellulare deve mantenere forma e rigidità della cellula e proteggere dai danni meccanici e dalla lisi osmotica, questo è possibile grazie ad un componente fondamentale che è un polimero detto peptidoglicano. I peptidoglicani formano la parete cellulare e si legano tra loro come a formare una rete.

Parete cellulare (caratteristiche generali)

Dalla parete dipendono molte caratteristiche tassonomiche dei batteri: forma, caratteristiche di crescita, specificità antigenica. Si visualizza al microscopio mediante colorazioni specifiche. La maggior parte dei batteri possono essere suddivisi in Gram positivi o Gram negativi in base alla struttura della parete.

Colorazione di Gram

Per la colorazione delle diverse tipologie di batteri si adoperano delle procedure in ordine:

1. Fissare le stiscette col calore,
2. Coprire con cristalvioletto per 1-2 min,
3. Lavare con acqua.
4. Non asciugare
5. Coprire con la soluzione iodio-iodurata di Lugol per 1-2 min.
6. Lavare con acqua. Non asciugare
7. Decolorare per 10 sec con alcool-acetone.
8. Lavare con acqua. Non asciugare
9. Coprire con safranina (2.5% in alcool 95%) per 1-2 min.
10. Lavare con acqua e lasciare asciugare

I batteri Gram positivi appariranno viola, i batteri Gram negativi appariranno rossi.

Batteri Gram negativi: Funzioni membrana esterna

• Diffusione passiva: presenza di canali detti "porine" che permettono il passaggio di zuccheri, aminoacidi e ioni minerali.
• Diffusione attiva: proteine carrier per molecole di maggiore dimensione.

La membrana esterna dei batteri Gram negativi ha una struttura bilaminare con una organizzazione asimmetrica cioè il foglietto esterno è costituito da uno strato complesso denominato LPS “lipopolisaccaride”.

Il metabolismo batterico

Il metabolismo batterico è l’insieme dei processi chimici (catabolici e anabolici) che i batteri svolgono all’interno della cellula al fine di produrre energia e sostanze necessarie alla propria sopravvivenza; il catabolismo consiste nella scissione di composti organici (da composti complessi a composti semplici) con conseguente produzione di energia, mentre l’anabolismo consiste nella sintesi di composti complessi grazie al consumo di energia.

I batteri possono essere autotrofi (non presenti nel nostro organismo) o eterotrofi. Gli autotrofi funzionano in modo simile alle piante: riescono a prendere una sostanza inorganica (tipicamente CO₂) come fonte di carbonio e a produrre molecole organiche, fissando la CO₂ atmosferica grazie all’energia luminosa. Questi batteri sono fotosintetici (o fotoautotrofi) e la maggior parte vive nell’acqua, quelli che invece vivono nel terreno sono detti chemiosintetici (o chemoautotrofi) e producono energia grazie all’ossidazione di composti inorganici diversi dalla CO₂, come azoto (batteri nitrificanti), zolfo (solfobatteri) e ferro (ferrobatteri).

Gli eterotrofi sono batteri che ottengono energia dall’ossidazione di sostanze organiche preformate; dopodiché attraverso il catabolismo, questa energia viene accumulata e usata durante i processi anabolici grazie ai quali vengono prodotte sostanze complesse che servono a tutti i processi all’interno della cellula batterica. La moneta di scambio energetica che consente la formazione di legami ad alta energia tra i fosfati è la molecola di ATP.

Metabolismo eterotrofo

Il metabolismo eterotrofo comprende 2 processi principali: la respirazione e la fermentazione.

Respirazione

La respirazione è la scissione completa di una molecola organica complessa (come il glucosio) accompagnata da una scissione completa di atomi di carbonio con conseguente produzione di CO₂ e con l’ossigeno come accettore finale.

Glucosio + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia (rilascio di energia che poi viene immagazzinata sotto forma di ATP)

Tipi di batteri coinvolti nella respirazione:

• Aerobi obbligati: esigono ossigeno alla pressione atmosferica
• Aerobi o anaerobi facoltativi: si moltiplicano sia in presenza che in assenza di ossigeno
• Microaerofili: esigono ossigeno a pressione inferiore a quella atmosferica
• Anaerobi obbligati: si moltiplicano solo in assenza di ossigeno

I batteri anaerobi devono fare a meno dell’ossigeno in qualsiasi momento del loro metabolismo perché l’ossigeno per loro è tossico: essi respirano scindendo la molecola di glucosio in atomi di CO₂ però senza ossigeno come accettore finale di elettroni quindi usando un’altra molecola inorganica (come lo zolfo o l’ammonio).

Fermentazione

La fermentazione invece non prevede una scissione completa del glucosio e quindi alla fine della fermentazione avremo diverse sostanze organiche prodotte come prodotto di scarto dei batteri; a differenza della respirazione, in questo processo non si arriva al passaggio finale in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni, ma ci può essere invece un composto organico intermedio che deriva dalla scissione incompleta del glucosio (durante la quale viene prodotta meno energia).

Tipi di fermentazione:

• Lattica: porta alla formazione di acido lattico ed è tipica dei lactobacilli (hanno come metabolismo la fermentazione del glucosio che diventa acido lattico) e degli streptococchi (possono sia respirare quindi scindere completamente il glucosio in CO₂ e ossigeno, sia portare alla fermentazione e alla scissione incompleta in acido lattico)
• Alcolica: porta alla formazione di alcol etilico
• Formica: o acido-mista, è tipica degli enterobatteri

La respirazione è molto più efficiente dal punto di vista energetico poiché produce più molecole di ATP, ma la fermentazione può essere utilizzata dai batteri come soluzione alternativa ad esempio in carenza di ossigeno oppure come prima scelta nel caso in cui si siano adattati così. Quindi di solito il glucosio viene scisso in 2 molecole di piruvato, il quale segue poi vie metaboliche diverse per essere ulteriormente trasformato in modi diversi tra specie batteriche (ad es. può essere convertito in acido lattico, in acido folico ecc.). Questo tipo di prodotto finale della crescita batterica può servire a distinguere le varie specie batteriche tra loro. Il glucosio viene scisso prima in piruvato e poi in altri tipi di molecole finali.

Crescita e duplicazione batterica

Come crescono i batteri

I batteri crescono molto velocemente: si raddoppiano poiché crescono separando la cellula madre in due cellule figlie (questo processo avviene in pochi minuti o in poche ore) quindi dopo il primo tempo di adattamento al terreno di crescita in cui vengono messi, c’è una fase esponenziale di crescita poiché raddoppiano il loro numero in pochissimo tempo. Quando i nutrienti a loro disposizione diminuiscono, questa fase di crescita rallenta e quando i nutrienti saranno completamente terminati moriranno.

Come si duplicano i batteri: Scissione binaria

1. Si duplica il cromosoma batterico
2. La cellula, che è momentaneamente diventata diploide, subisce la formazione di un setto dato dall’invaginazione della membrana citoplasmatica
3. Si forma una divisione centrale della cellula madre di cui è stato duplicato il DNA in due cellule figlie solitamente identiche

La scissione binaria può essere completa (dà origine a due cellule che si allontanano tra loro) o incompleta (le cellule figlie rimangono, almeno per un certo tempo, attaccate tra loro e questo genera, a livello di popolazione batterica, delle formazioni che possono essere utili per l’identificazione dei batteri poiché a volte i batteri possono rimanere vicini tra loro).

Morfologia della cellula batterica

Forma:

• Sferica (cocchi)
• Cilindrica/bastoncellare (bacilli)
• Curvata (vibrioni, spirilli)

Streptococcus pneumoniae

Ha circa due milioni di paia di basi e quindi circa 2100 geni codificanti.

Escherichia coli

Ha un genoma più grande, quasi 5 milioni di paia di basi e quindi circa 4800 geni codificanti.

Morfologia dei cocchi

• Gruppi di otto
• Le cellule figlie si separano completamente dalla madre
• I batteri si accoppiano a due a due, a catena, gruppi di quattro, a grappolo

Morfologia dei bacilli

Genetica batterica

È la branca della batteriologia che si occupa di capire come i batteri scambiano tra loro le informazioni genetiche. Il depositario principale dell’informazione genetica nella cellula batterica è il cromosoma aploide, che può avere lunghezze diverse, è avvolto e contiene 3000 geni. I plasmidi sono filamenti circolari di DNA molto piccoli, dotati di replicazione autonoma rispetto al cromosoma batterico (non si dividono una sola volta ma possono dividersi autonomamente fino a 10-20 volte): questo perché contengono un’origine di replicazione che viene aperta quindi il DNA polimerasi e i batteri si legano e codificano per catene di DNA.

I plasmidi possono contenere fino a 100 geni e normalmente sono extracromosomiali, cioè fuori dal cromosoma batterico; in alcuni casi però si possono anche integrare nel genoma batterico e poi uscire fuori (episomi): in questo caso vengono trasmessi direttamente alla cellula figlia durante la scissione binaria. L’importanza dei plasmidi è data dal fatto che essi sono il mezzo più frequente con cui i batteri si scambiano sequenze codificanti, cioè geni, che non sono indispensabili alla vita del batterio poiché tutto ciò che è indispensabile è contenuto nel cromosoma batterico, però sono un qualcosa in più che aiuta il batterio a sopravvivere in un ambiente ostile oppure a produrre fattori che per noi sono nocivi, cioè i fattori di virulenza: per esempio alcuni episomi o plasmidi possono produrre tossine (proteine tossiche per l’organismo che espletano un’azione dannosa sui tessuti oppure perché attivano un’eccessiva risposta immunitaria) o geni di resistenza agli antibiotici.

Moltiplicazione

• Scissione (vedi scissione binaria)
• Gemmazione: formazione di una cellula figlia molto più piccola della cellula madre che rimane come una protuberanza e che si stacca quando la replicazione è completa