Appunti modulo di Batteriologia

Batteriologia

I batteri sono delle cellule, sono procarioti, sono organismi semplici unicellulari di piccole dimensioni, nonostante siano unicellulari vivono in gruppi (cluster). Sono più grandi dei virus, non superano il micron, sono visibili a microscopio ottico. Si riproducono per fissione binaria → da una cellula madre si ottengono due cellule figlie identiche. Non hanno bisogno di entrare nelle cellule per replicarsi, alcuni batteri però hanno bisogno di entrare nella cellula → intracellulari obbligati.

Interazioni tra batteri e ospite

I batteri stabiliscono interazioni con l’ospite di diverso tipo:

• Patogeni: microrganismi che causano patologia → parassitano l’ospite
• Opportunisti: se l’ospite si immunodeprime diventano patogeni
• Commensale: vive e si moltiplica nel nostro organismo senza causare alcun danno, in alcuni casi creano un beneficio per l’ospite → simbionti

I batteri patogeni sono l’1%. Nel 99% ci sono tutti i microrganismi e batteri che vanno a comporre il microbioma o microbiota → normale flora batterica: microrganismi commensali o simbionti che fanno parte dell’ospite.

All’interno dell’ospite uomo riconosciamo almeno 800 diverse specie di batteri coltivabili in coltura. Il numero di cellule batteriche nell’organismo supera il numero di cellule eucariote! I batteri si trovano nel tratto gastrointestinale (800 diversi tipi), nel cavo orale e nel primo tratto respiratorio, nella mucosa vaginale e nella pelle.

Microbioma

I batteri (microbioma) sono acquisiti alla nascita, il microbioma di un bambino partorito per via naturale o per parto cesareo è diverso, l’acquisizione avviene quando il bambino passa nel cavo del parto (non avviene durante il cesareo). Per il cesareo l'acquisizione del bioma è ambientale. Ognuno acquisisce nuovi batteri nei primi anni di vita. Man mano che si cresce le abitudini di vita hanno un ruolo importante → microbioma differente, aumenta la diversità.

Il microbioma dipende da tessuto e organo, nel tratto gastrointestinale il microbioma ha:

• Funzione protettiva: produce fattori antimicrobici, producono acido lattico
• Funzione strutturale: rafforzano le barriere protettive e il legame tra le cellule
• Funzione metabolica: il metabolismo batterico produce prodotti che vanno ad influenzare le funzioni metaboliche del nostro corpo.

Ognuno di noi ha un proprio equilibrio → il microbioma è personalizzato. L’equilibrio viene perso quando si verifica una disbiosi → modifica della composizione del microbioma in termini di qualità dei batteri oppure di quantità. Si può avere una disbiosi quando si prendono antibiotici, la dieta, lo stress, la qualità della vita influenzano.

Classificazioni

I batteri sono procarioti di circa un micron, sono visibili al microscopio ottico. La prima classificazione si basa sulla morfologia dei batteri:

• Cocchi: sferici
• Spirilli: a spirale
• Bacilli: allungati
• Vibrioni: a virgola

Il loro modo di aggregazione permette una distinzione:

• A due a due: diplococchi o diplobacilli
• A catenelle: streptococchi o streptobacilli
• A grappolo: stafilococchi

Si classificano in base alla T di crescita:

• Termofili: sopra i 45-50°C
• Mesofili: T intermedie 37°C, i batteri patogeni per l’uomo fanno parte di questa categoria
• Criofili: sotto 10°C

Alcuni batteri che infettano l’uomo per ingestione di carni o cibi contaminati possono crescere a T più basse (es. frigo), non vale per tutti questa regola.

Possono anche essere classificati sulla base del loro nutrimento:

• Eterotrofi: si nutrono di composti organici (sono la maggior parte dei patogeni per l’uomo)
• Autotrofi: sintetizzano autonomamente i composti organici partendo da sostanze inorganiche (energia luminosa, energia chimica)

I batteri si classificano sulla base della loro capacità di usare O:

• Aerobi obbligati: crescono solo in presenza di O
• Anaerobi obbligati: solo senza O (infettano zone senza O) → usano fermentazione
• Aerobi-anaerobi facoltativi: decidono di usare o meno O a seconda del momento, sanno fare entrambe le respirazioni

Cellula batterica

È una cellula procariotica, non c’è distinzione di organuli, ha componenti fondamentali ed accessorie. Tutte le cellule batteriche devono avere i componenti fondamentali, alcune cellule favorite hanno anche componenti accessori:

• Fondamentali:
  • Parete batterica
  • Membrana citoplasmatica
  • Citoplasma
  • Ribosomi
  • Genoma → cr unico circolare dsDNA
• Accessorie:
  • Capsula: ulteriore rivestimento oltre la parete
  • Pili: sono sulla superficie della parete
  • Flagelli: sono sulla superficie batterica
  • Plasmidi: arricchiscono il corredo genomico

Capsula

Non tutti i batteri hanno una capsula. È la componente più esterna (Ag). È una struttura solo batterica, non è molto comune. Costituisce un grande vantaggio per i batteri che la possiedono, può assumere una forma ben definita o essere amorfa. È costituita da polisaccaridi ad alto PM che vengono prodotti dal batterio stesso. La funzione della capsula è aumentare l’adesione del battere alla cellula o alle superfici. È il fattore di patogenicità che permette ai batteri di evadere da risposta immunitaria → permette di nascondersi dal SI: i fagociti non riconoscono batteri con capsula come elementi estranei e non li fagocitano → resistenza alla fagocitosi. I batteri in grado di produrre la capsula lo sono per natura, non è una capacità acquisibile, il batterio in grado di creare la capsula decide quando e se farlo. La possibilità di produrre o meno la capsula è un altro meccanismo di evasione → variazione di fase o variazione antigenica → il SI non riesce a riconoscere la componente antigenica.

Flagelli

I flagelli sono componenti accessorie, si trovano nella parte più esterna, sono costituiti da una struttura proteica cilindrica molto lunga (100 nm) che si attacca strettamente alla membrana cellulare. Sono costituiti da una proteina monomerica (flagellina) prodotta dal batterio che si ripete tante volte fino a formare la struttura. I batteri con flagello possono averne uno o più di uno, a seconda della disposizione dei flagelli lungo la superficie cellulare i batteri sono chiamati:

• Monotrichi: unico flagello a un solo poro
• Peritrichi: tanti flagelli tutti intorno alla cellula
• Lofotrichi: tanti flagelli a un polo

La funzione dei flagelli è dare la possibilità alla cellula di muoversi. I flagelli fanno muovere la cellula ruotando su se stessi. Il movimento è sempre direzionale in presenza di uno stimolo → la cellula è attratta chimicamente da nutrimento, si allontana da sostanze tossiche, i batteri che hanno bisogno di luce vanno verso la luce, i batteri aerobi obbligati vanno verso O → non c’è volontà nel movimento. Se il movimento è verso nutriente o lontano da sostanza tossica → chemiotassi; verso la luce → fototassi; verso O → aerotassi. Si muovono molto velocemente. Batteri con flagelli hanno notevoli vantaggi → possono scansare il pericolo. Possono fare variazione antigenica → producono flagellina quando serve, il SI riconosce il flagello e crea Ab.

Pili

I pili sono una struttura di superficie accessoria, partono dalla membrana cellulare, sono costituiti da una proteina monomerica che si ripete → pilina, la pilina si organizza in modo da formare una struttura cilindrica cava attaccata alla membrana cellulare, sono strutture corte e sottili (30-35 nm). Sono numerosissimi, sono antigenici, la loro funzione principale è conferire adesività alla cellula e ad altri batteri e a creare patine sulle superfici. Ci sono i pili sessuali → alcuni batteri possono trasferire il proprio materiale genetico da una cellula batterica all’altra grazie ai pili specializzati tramite coniugazione.

Parete cellulare

La parete cellulare è l'elemento determinante la struttura batterica, non si trova in nessun altro elemento vivente → nessun batterio può esistere senza parete cellulare. Tutti i batteri patogeni per l’uomo si suddividono in due gruppi in base alla composizione della parete batterica:

• Gram +
• Gram -

La parete batterica ha spessore variabile tra 10 e 80 nm a seconda che sia gram + o gram -. La parete batterica protegge da qualsiasi cosa: agenti atmosferici, raggi UV, elementi fisici e chimici. La cellula batterica grazie alla parete è una struttura rigida e robusta, dà la forma, conferisce resistenza meccanica alla lisi osmotica. La parete batterica è sede di fattori antigenici → parte più esterna dei batteri (che non hanno la capsula).

Gram -/+ è dato da una tecnica di laboratorio →colorazione. Gram casualmente ha scoperto che tutti i batteri assumevano due tipi di colorazioni (rosa o viola) in base alla composizione della parete batterica. Prende popolazioni batteriche causalmente le fissa su vetrini e poi le colora con crystal violet → le popolazioni si colorano. Decolora poi con trattamenti chimici e vede che il colorante sparisce solo da un solo gruppo di batteri, poi li ricolora con safranina → i batteri viola rimangono viola e i batteri decolorati diventano rosa.

I batteri che si colorano di viola sono gram +: parete spessa e rigida, permette al colorante di entrare e non rilascia più. La parete è costituita da peptidoglicani che sono molecole esclusivamente batteriche, sono sintetizzate dai batteri stessi, sono degli amminozuccheri. I peptidoglicani sono due:

• NAG: N-acetil glucosammina
• NAM: acido N-acetilmuramico

Sono sintetizzati dal batterio stesso e rilasciati nel citosol, vanno a legarsi fra loro mediante legame glicosidico a formare lunghissime catene. I NAM sono caratterizzati dalla presenza di una corta catena di aa che fa sì che ciascun NAM della catena possa legare un altro NAM della catena sottostante attraverso un legame peptidico. La parete cellulare dei peptidoglicani è così rigida e robusta perché è costituita da due componenti legati da legami covalenti forti. Gli acidi teicoici forniscono una protezione perché si oppongono al passaggio di molecole idrofobiche. Le cere sono lunghe molecole di carboidrati che conferiscono resistenza agli acidi minerali.

Nel gram - lo strato dei peptidoglicani è molto più sottile. C’è uno strato esterno di doppio strato fosfolipidico in cui si trovano tante molecole che costituiscono la membrana esterna. In particolare sulla membrana esterna troviamo una il lipopolisaccaride (LPS) composto da una componente polisaccaridica e da una componente proteica antigenica (Ag O). I lipopolisaccaridi sono costituiti da:

• Lipide A: struttura dell’acido grasso che si lega alla parte cellulare
• Core R: polisaccaridico
• Catena proteica antigenica chiamata O: è la parte patogenetica che conferisce al battere proprietà patogene

Il lipopolisaccaride viene liberato dal battere stesso quando il battere muore, libera il LPS che va nel circolo e agisce a livello sistemico in vari modi: febbre, aumenta la risposte infiammatoria dell’organismo e modifica la cascata della coagulazione dell’ospite, modifica l’equilibrio pressorio (abbassa la pressione). LPS è una endotossina → conferisce patogenicità al batterio che lo possiede. Sulla parte esterna ci sono tante proteine che servono a regolare il passaggio di molecole dall’interno all’esterno perché formano dei pori. Tra la membrana cellulare e la membrana esterna (nei gram -) c’è uno spazio periplasmatico che è pieno di enzimi che servono alla cellula batterica per svolgere le sue funzioni.

La parete gram + ha una funzione di protezione meccanica, quella - ha proprietà tossiche. La penicillina è il primo antibiotico e agisce sui peptidoglicani quindi quelli + saranno maggiormente attaccati rispetto ai – . Molti degli antibiotici di prima generazione tendevano ad avere come target la parete cellulare e la maggior parte attaccava i Gram +; oggi ci sono tanti farmaci che agiscono contro entrambi o solo uno dei due.

Strutture citoplasmatica

Contiene citoplasma, ribosomi e genoma. Nei batteri è sempre dsDNA circolare chiuso. È un genoma più grande rispetto a quello virale e può arrivare fino ad un milione di pb, non c’è nucleo. Qualche battere possiede plasmidi che contengono dei geni che non sono essenziali per la crescita batterica, ma conferiscono vantaggi → codificano per tossine, fattori di patogenicità, fattore di resistenza all’antibiotico → non sono indispensabili, ma i batteri che lo possiedono sono avvantaggiati. Possono essere presenti in molte copie.

Trasferimento genico

Il materiale può essere scambiato con tre meccanismi:

• Coniugazione
• Trasduzione
• Trasformazione

Coniugazione

Richiede il contatto di due cellule batteriche mediante un pilo sessuale e la formazione del canale di passaggio permette il trasferimento di DNA da un battere all’altro in modo unidirezionale. Il batterio donatore dona un pezzo di DNA al battere ricevente. Questo avviene molto spesso con i plasmidi.

Trasformazione

Prevede l’acquisizione di DNA da parte di una cellula che ha determinate caratteristiche → permissiva: è in grado di acquisire DNA esterno alla cellule che una volta dentro può ricombinare con il genoma batterico. Questo scambio di materiale genetico è utile in laboratorio più che in natura dove è meno diffuso → in natura è difficile che la cellula sia competente, mentre in laboratorio si possono rendere competenti.

Trasduzione

Il processo prevede l’intervento di un batteriofago ovvero un virus che infetta il battere. Il batteriofago entra nella cellula, inietta il genoma e infetta il battere. Quando il virus si trova all’interno deve formare i virioni e replica il suo DNA. I virioni, acquisendo il DNA, è possibile che inseriscano nel genoma del virus dei pezzi di DNA batterico che possono essere iniettati in un altro battere durante una seconda infezione del fango (es. resistenza ad antibiotico).

Spore

Le spore non sono propriamente la cellula batterica. Sono un fattore di patogenicità fortissima → i batteri che possono differenziare in spore sono altamente patogeni per l’uomo, è un fattore estremamente vantaggioso per il battere. È uno stato di differenziamento del batterio → è una forma e una fase di passaggio della cellula batterica che permette alla cellula di resistere a condizioni avverse, alcuni batteri possono sporificare quando percepiscono che all’esterno ci sono elementi sfavorevoli alla propria crescita, per esempio un batterio che vive sempre senza ossigeno se sottoposto ad alte concentrazioni di ossigeno può sporificare e resistere così fino a che non tornano le condizioni favorevoli per la crescita tornando ad essere una cellula batterica. Non tutti sono in grado, solitamente lo sono alcuni gram+. Si dice che un battere è sporigeno oppure no.

Le spore sono importanti perché a differenza della cellula batterica, le spore resistono a calore, assenza di acqua in ambienti aridi, ossigeno, presenza di raggi UV e ionizzanti, possono resistere così anche per decenni.

Morfologia

È la cellula batterica che si modifica diventano una spora, perde gran parte del citoplasma disidratandosi e mantenendo il citoplasma necessario per mantenere il genoma. Crea delle strutture esterne a partire dalla cellula e forma degli strati corticali che conferiscono resistenza:

• Corteccia
• Due strati proteici
• Esoporio: strato fosfolipoproteico

La cellula non ha bisogno di nulla per sopravvivere perché non replica. Una delle componenti rare in natura è il dipicolinato di calcio che conferisce rigidità. Il processo di sporificazione e avviene in 7 step ed è completamente reversibile, quindi quando il pericolo è passato si ritorna alla fase di cellula batterica con un processo di germinazione. La sporogenesi e germinazione è un processo molto breve di 6-10 ore ed è un processo infinito finché non muore.

Patogenicità

I batteri possono causare un danno o sintomatologia attraverso:

• Danno diretto alla cellule e tessuti diretti o quelli adiacenti: crescendo, moltiplicandosi, ostruendo i tessuti e agendo direttamente sulla zona in modo nocivo. Può causare un danno in una zona lontana dell’infezione producendo delle tossine che possono raggiungere attraverso il circolo diversi siti dell’ospite.
• Danno indiretto: stimolando una reazione dell’ospite che può causare un danno

Possono moltiplicare e aderire su un tessuto o organo e agire in modo diretto con la replicazione. In questo caso non è necessaria la produzione di tossine. Alcuni batteri si moltiplicano sul tessuto, ma entrano anche nelle cellule invadendo le cellule che stanno colonizzando non limitandosi alla superficie. L’invasione può essere profonda da sfociare ai tessuti sottostante o altre zone dell’ospite. Il battere può agire direttamente inoltrandosi all’interno di una lesione entrando direttamente nell’organismo. Il battere può non entrare neanche nell’ospite, ma rilasciare solo le tossine che possono causare danno e malattia.

Posso descrivere la patogenicità di un battere definendo:

• Capacità di aderire all’ospite senza essere eliminato
• Capacità di inibire la fagocitosi dell’ospite
• Abilità di penetrare: invadere e diffondersi nell’ospite
• Produzione di enzimi che vadano a danneggiare l’ospite → danneggiare l’ospite in prossimità della zona di adesione perché hanno una capacità di azione limitata nello spazio
• Produzione di tossine → danneggiano l’ospite anche a lunga distanza

Aderenza

La capacità di aderire ad un tessuto o cellula è dovuta alla presenza di componenti del batterio come pili e fimbrie. La capsula stessa permette l’adesione alle cellule. Alcuni batteri producono proteine specifiche (es. streptococco proteine M). L’adesione deve essere molto forte per resistere alle difese meccaniche e immunitarie dell'ospite.