Microbiologia

La storia della terra

I procarioti sono stati la prima forma

di vita vivente, la terra ha avuto origine

4.5 miliardi di anni fa, i procarioti 3.8,

la microbiologia studia struttura e

funzionamento dei procarioti.

I primi procarioti che si sono originati

sulla terra erano anaerobi, adattati a

vivere quelle che erano le condizioni

chimico fisiche del tempo, erano

procarioti ancestrali anaerobi.

Nel momento in cui inizia ad

accumularsi ossigeno dell’atmosfera

cominciano a formarsi i primi

organismi eucariotici, da prima

unicellulari e poi pluricellulari.

In particolare, è tutt’ora valida quella che viene definita “teoria endosimbiontica” sull’origine della

cellula eucariotica; si è ipotizzato sulla base di evidenze sperimentali molecolari che fanno riferimento

sulla base genomica di eucarioti e procarioti, hanno portato all’ipotesi di questa teoria. Qualche cellula

a un certo punto è diventata parte di un’altra cellula.

Questa teoria ipotizza che una cellula procariotica ancestrale anaerobia sia venuta a contatto a un

certo punto con una cellula procariote aerobia. 1

La cellula procariotica ha aumentato le proprie dimensioni e ha iniziato a formare delle invaginazioni

della membrana plasmatica verso l’interno, fino a dare origine ad organelli (Golgi, RE e membrana

nucleare) che saranno propri delle cellule eucariotiche. La cellula procariotica, infatti, non ha una

membrana nucleare e organelli e si ottiene questa situazione intermedia, molto più competitiva dal

punto di vista energetico rispetto alle cellule esistenti. Si verifica il primo evento di endosimbiosi tra

questa cellula intermedia e un procariote aerobio, che poi differenzia in mitocondrio. Si ha quindi un

vantaggio dal punto di vista energetico per la cellula intermedia nell’aver inglobato queste cellule

procariotiche e, d’altra parte, il procariote traeva vantaggio perché si trovava in un ambiente protetto.

Quindi quel procariote aerobio che si è posizionato all’interno della cellula anaerobia si è differenziato

in mitocondrio, quindi i mitocondri in realtà possono derivare da una cellula procariote aerobia. Tutto

questo permette la respirazione cellulare.

Un secondo evento di endosimbiosi si è verificato quando la cellula che aveva acquisito il procariote

aerobio (che poi differenzia in mitocondri) acquisisce un altro procariote che è in grado di

fotosintetizzare, i cianobatteri. Questi procarioti si differenzieranno in cloroplasti. Si suppone che

questa endosimbiosi sia avvenuta dopo perché non tutte le cellule eucariotiche hanno i cloroplasti.

Un’evidenza è che il genoma mitocondriale e dei cloroplasti ha molte sequenze in comune con

la sequenze dei procarioti.

Prove a teoria della teoria endosimbiotica:

-Forma di cloroplasti e mitocondri (a bastoncello)

-Dimensioni di cloroplasti e mitocondri (ordine dei micron)

-Rivestimento (doppia membrana in entrambi e composizione lipidica). Perché il fatto di trovare due

membrane è una prova? Perché ci sono due membrane, quella del batterio e quella della cellula

eucariote. Lo stesso si potrebbe pensare per il nucleo, ma ancora sono in corso studi. -DNA

circolare, con replicazione autonoma (dimostrazione di una vita precedente indipendente)

Classificazione del mondo dei viventi

Il dominio dei viventi è suddiviso nel

dominio degli eucarioti e in quello dei

procarioti. I procarioti non hanno

nucleo ma hanno una regione del

citoplasma in cui si localizza il

cromosoma definita nucleoide che non è

delimitata da alcuna membrana, a

contatto direttamente con il citoplasma.

Il dominio dei procarioti si suddivide in due sottodomini:

∙ dominio dei BACTERIA o EUBATTERI;

∙ dominio degli ARKAEA o ARCHEBATTERI.

Ci sono delle differenze tra questi, anche nella struttura. Gli archea vivono in ambienti estremi. Se si

osserva l’albero filogenetico possiamo vedere che dal procariote ancestrale con l’evoluzione si sono

originati gli esseri viventi che poi hanno rappresentato il dominio dei procarioti e degli eucarioti.

Dal punto di vista filogenetico chi è più vicino agli eucarioti? Gli archeobatteri, vedendo la linea

dell’albero filogenetico che ha diramazioni vicine a questi due sub domini. 2

I procarioti includono organismi unicellulari, che però a volte possono organizzarsi a costituire delle

strutture complesse che per certi versi possono ricordare un organismo pluricellulare, quindi colonie

procariotiche in cui i singoli costituenti cellulari sono differenziati a svolgere funzioni specifiche. A

differenza di questo, gli eucarioti possono essere unicellulari (lieviti) o multicellulari.

Le cellule procariotiche sono più piccole e semplici, circa 10 volte più piccole rispetto alle

eucarioti. Il nucleo è assente nei procarioti

Il materiale genetico nei procarioti è racchiuso nel nucleoide, ma non è circondato da membrana.

Solitamente il DNA nei procarioti è circolare, ma non sempre, mentre negli eucarioti è lineare.

I procarioti hanno un genoma aploide, quindi un solo cromosoma, una sola copia di geni, tranne

alcune situazioni di merodiploidia, quindi di geni duplicati.

Non sono presenti organelli associati alla membrana nei procarioti.

I procarioti hanno un proprio metabolismo energetico, quindi una serie di reazioni anaboliche e

cataboliche in comune per la maggior parte degli eucarioti.

La riproduzione nei procarioti è sia asessuale che sessuale, mentre negli eucarioti è

prevalentemente sessuale.

La replicazione dei batteri avviene sempre in maniera asessuata: un batterio quando si divide e dà

origine a una progenie lo fa sempre in maniere asessuata, quindi senza scambio di materiale

genetico ma con materiale genetico identico a quello materno. I batteri, però, hanno modo di

scambiarsi materiale genetico, ma il fenomeno della sessualità non è legato alla riproduzione. La

riproduzione nei procarioti avviene per semplice scissione binaria.

Altra differenza è data dai rivestimenti; in comune c’è la membrana plasmatica, ma i batteri hanno

dei rivestimenti ulteriori. La parete è presente in tutti i batteri, tranne eccezioni, ma in aggiunta ci

possono essere altri rivestimenti più esterni come la capsula, fattore importante per l’identificazione

dei batteri e fattore di virulenza per il batterio, o uno strato proteico.

Entrambi hanno membrana plasmatica, citoplasma, ribosomi, DNA. 3

Il differenziamento è una caratteristica che si trova anche negli eucarioti, l’espressione del genoma

in modi diversi permette il differenziamento di cellule a seconda della loro funzione legata al tessuto

a cui devono trovarsi.

Una cellula procariote a un certo momento della vita può modificare il suo genoma, situazioni in cui

una cellula batterica modifica l’espressione del suo genoma e diventa altro. Cambia la sua forma e

funzione, sempre nel suo ciclo vitale.

Esempio: la sporulazione, la spora dei procarioti è una cellula che è completamente diversa dalla

cellula da cui si è generata chiamata cellula vegetativa. Quando differenzia il proprio genoma,

proiettandosi a diventare spora, cessa di essere cellula vegetativa, assume una conformazione

diversa e diventa spora.

Il contrario della sporulazione è la germinazione, dove la spora ritorna cellula vegetativa.

Le spore sono delle forme di resistenza che la cellula batterica decide di manifestare quando si trova

in condizioni ambientali sfavorevoli.

Le cellule procariotiche comunicano tra di loro, informazioni chimiche quindi molecole che fungono

da messaggeri.

Le cellule batteriche possono muoversi. Ci sono strutture deputate alla mobilità, con quali

meccanismi, per muoversi nell’acqua ad esempio.

I batteri possono avere delle strutture adatte al nuoto, o possono muoversi su superfici solide.

Possono muoversi su tessuto, mucose di un altro organismo, come un umano.

I pili sono presenti come movimento su substrati solidi, il flagello in acqua per lo più. Inoltre i pili sono

importanti anche nei processi di adesione perché all’estremità dei pili possono essere presenti le

adesine, che facilitano l’adesione del batterio a una cellula ospite, e sono dei fattori di patogenicità.

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L’evoluzione può avvenire tramite contatto e contaminazione con genoma differente, oppure altri

organismi che possono introdurre altre variazioni nel genoma e nella sua espressione, oppure anche

con mutazioni, che possono essere spontanee o indotte ad esempio utilizzando raggi X o UV.

Questi meccanismi sono importanti perché un batterio nel tempo può ritrovarsi con funzioni diverse,

con caratteristiche diverse, un batterio in questo modo può diventare anche patogeno.

TASSONOMIA La tassonomia fa riferimento in

particolare alla possibilità di

classificare i microorganismi in delle

categoria.

Nell’ambito di una specie possiamo

integrare il termine di ceppo, non ci

sono delle regole precise, di solito è

una sigla, usato per differenziare

organismi con differenze che non

sono così distanti da essere

considerati come specie diversa,

ma hanno delle caratteristiche

diverse, magari svolgono alcune

funzioni differenti in parte, quindi si

preferisce aggiungere delle sigle al

nome e indicarli come ceppi proprio

per le poche differenze tra questi.

Per quanto riguarda

il nome della specie e del genere si scrive sempre in corsivo. Es. Escherichia coli.

Genere: Escherichia Specie: coli Ceppo: K1 5

NASCITA DELLA MICROBIOLOGIA

La microbiologia è una scienza non antica, i procarioti

si sono potuti conoscere con l’avvento delle tecnologie

che ci permettono di osservarle, i procarioti sono

microorganismi.

Con il termine di microorganismo non si definisce solo i

procarioti, ma anche ad esempio i protozoi o i lieviti.

Leeuwenhoek ha portato ad un incremento dello studio della microbiologia grazie al microscopio;

con i suoi strumenti primitivi riuscì a disegnare le forme dei batteri. Il suo microscopio è costituito da

una lente e da una pinza all’interno del quale si poteva avvicinare o allontanare la lente per la messa

a fuoco.

Suggerì che “vivono più microorganismi sulla patina dei denti di un uomo, che esseri umani in un

intero regno”. (patina dei denti: biofilm)

Da quel momento altri scienziati cominciarono a mettere in dubbio quello che fino ad allora era dato

per valido, la teoria della generazione spontanea: osservando un alimento in putrefazione si pensava

che i microorganismi si generassero spontaneamente (che fosse la sostanza in putrefazione a far

generare i microorganismi). In realtà questi volevano dimostrare che “dal nulla non si genera nulla”, le

forme viventi che si generano derivano da altre forme viventi.

ESPERIMENTO DI REDI

Di questa confutazione dobbiamo il merito a Redi, che

condusse esprimenti efficaci per dimostrare il contrario. Si

pensava che le mosche si generassero dal nulla su carne in

putrefazione e Redi volle dimostrare l’inesattezza di ciò.

Redi prese un contenitore dove mise 2 bistecche, lasciandole

in aria aperta vedeva che comparivano le mosche. Redi poi

prese la carne preparata, e ci mise sopra un telo, una copertura

a maglie fitte e la lasciò per un po’ di tempo, e vide che la carne

in questo modo non era contaminata da insetti.

Capì che gli insetti non si originano spontaneamente come nella

generazione spontanea.

Altri scienziati fecero obiezioni sul fatto che chiudere ermeticamente il contenitore evitasse la

formazione delle mosche perché queste avevano bisogno di aria; allora cambiò copertura, non

chiudendo il contenitore ermeticamente, ma una maglia meno fitta che facesse passare l’aria.

Mise una sorta di reticolo e la carne così ricoperta, non presentava mosche all’interno del

contenitore. L’aria passava, quindi a questo punto non si poteva obiettare, la carne pur essendo

esposta all’aria non mostrava le mosche all’interno del contenitore.

La motivazione era che attraverso il filtro passava l’aria ma non le larve per la formazione delle

mosche, e quindi di conseguenza il substrato rimaneva libero.

A prova di ciò Redi tagliò un pezzetto del reticolo esposto fuori per tempo, e lo mise all’interno

del contenitore, con un pezzo di carne, con il contenitore chiuso ermeticamente; vide che le

mosche si foravano perché le larve erano rimaste attaccate al filtro e che si erano sviluppate in

mosche successivamente.

Questa cosa si può traslare con i batteri, ovviamente in dimensioni microscopiche. 6

ESPERIMENTO DI SPALLANZANI Fu Spallanzani a confutare questa ipotesi,

prese una beuta di vetro, all’interno di questa

beuta ci mise del brodo di coltura (soluzione

contenente una serie di nutrienti, estratti di

carne ad esempio); prese questo terreno e

lasciò aperta la beuta, e vide che piano piano

diventava torbida.

Questo era un indice della crescita microbica,

della crescita batterica.

Questa contaminazione avveniva anche se

applicava un tappo, perché il terreno

inizialmente preparato non era stato sterilizzato.

Spallanzani capì che i microorganismi

stanno in aria e quando trovano

condizioni adatte per replicarsi diventano

visibili.

Per dimostrare quello che pensava,

Spallanzani fece la controprova.

Sterilizzò la beuta con il terreno di coltura, sterilizzare significa eliminare qualsiasi forma di vita

(microrganismi, batteri e spore, per le spore il discorso si complica perché le spore sono

resistenti ad esempio alle temperature), aumentando la temperatura con acqua liquida a 100

gradi solo che non essendoci l’autoclave molto probabilmente non eliminò le spore, non

potendo raggiungere i 120 gradi (stando in pressione atmosferica). Sterilizzando la beuta e

chiudendola con un tappo, la beuta rimaneva sterile all’infinito finché qualcuno non apriva il

tappo. ESPERIMENTO DI PASTEUR

Pasteur: Prese un contenitore, ci mise il terreno e con

un Bunsen modellò il becco detto a “cigno” e ci mise

una fiamma portando a ebollizione il brodo contenuto

all’interno del contenitore a palloncino; questo

sterilizzava il terreno al suo interno e forzava l’aria a

fuoriuscire, a spingersi verso l’esterno assieme a tutti i

microorganismi nell’aria.

Lasciando il palloncino fermo, in posizione verticale,

succedeva che i microrganismi contaminavano

l’estremità distale del palloncino, lontana dal terreno

di coltura.

Alle particelle di polvere era consentito l’accesso

all’estremità distale del palloncino, ma non proseguiva

all’interno perché era complicato svolgere il percorso,

quindi il liquido rimaneva sterile per tempo. 7

Pasteur ipotizzò che proprio quello che

successe: prese il palloncino, lo mise in

posizione orizzontale in modo che il

brodo venisse a contatto con la parte

distale ricca di microrganismi. Bastava

che il brodo sfiorasse la parte

contaminata per far si che i

microrganismi si spostassero nel brodo,

perché il brodo poco dopo diventò

intorbidito a dimostrazione del suo

ragionamento.

Quindi dimostrò che non è valida la teoria

della generazione spontanea, ma ci sono

delle forme di vita microscopiche che

sono il substrato per la crescita di

microrganismi e portano al

deterioramento. 8

PROCARIOTI SULLA TERRA

In questa slide c’è un’indicazione del numero dei

procarioti sulla terra in vari ambienti, nel sottosuolo e

nei sedimenti acquatici ci sono circa 10 volte in più

procarioti rispetto al suolo. Si nota che il numero di

procarioti è 10 volte maggiore in ambienti estremi

(sottosuolo o sedimenti oceanici), sia per la quantità che

per la variabilità.

E poi vi è una stima della quantità di carbonio espressa

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in peta-grammi (Pg=10 g).

Nell’uomo ci sono più cellule batteriche che umane.

Il materiale fecale è costituito per 1/3 di batteri, ma anche la mucosa dell’apparato urogenitale. I batteri

colonizzano dal cavo orale fino all’ano, attraversando la cavità uro-faringea, respiratorie, intestinali e

genitali.

I batteri sono importanti per i cicli bio-geo-chimici, reazioni biochimiche per la materia organica e

inorganica, che permettono l’utilizzo delle sostanze necessarie in una forma che possono utilizzare altri

organismi.

Microrganismi possono essere causa di malattia nell’uomo.

I microrganismi prendono parte ai cicli biogeochimici in maniera rilevante, sono in grado di mettere in

circolo forme inorganiche di componenti chimici che altrimenti rimarrebbero inutilizzate rendendole

disponibili per le piante. Ci sono batteri nitrificanti in grado di convertire l’ammoniaca in nitriti e nitrati

ovvero fonti di azoto fondamentale per le piante, quindi i microrganismi come agenti fertilizzanti. Ci sono

microrganismi che possono contaminare un alimento che è un substrato per la crescita batterica. Per la

conservazione degli alimenti, la temperatura di refrigerazione rallenta la crescita microbica evitando una

contaminazione rapida e massiccia. Alterano le proprietà organolettiche, il sapore dell’alimento cambia,

possono produrre tossine in alcuni alimenti se non viene rispettata la procedura di conservazione.

Le nuove frontiere della microbiologia applicata in campo ambientale. Ci sono batteri in grado di produrre

metano, detti metanogeni, che viene utilizzato come fonte di energia convertito dalle centrali di biomassa.

Utilizzano biomasse vegetali inoculate con una matrice biologica che contiene batteri, o si lasciano

fermentare in aerobiosi con i microrganismi che sono presenti e si porta appresso la biomassa organica

stessa. Avvengono dei processi fermentativi che portano alla produzione di gas che viene utilizzato per

alimentare a circuito chiuso delle aziende ad esempio, come gli scarti di viticoltura, che vengono ricicl