Microbiologia

MICROBIOLOGIA

Durante la prima lezione di microbiologia, sono stati introdotti concetti fondamentali riguardanti lo

studio dei microrganismi e il loro ruolo in diversi ambiti, tra cui medicina, industria alimentare e

ambiente. Introduzione alla microbiologia

La microbiologia studia batteri, virus, funghi, protozoi e archea, ma anche organismi più grandi le

cui uova o cisti sono molto piccole (tenia, l’echinococco), analizzando la loro struttura,

metabolismo e interazioni con l’ambiente e altri organismi, ad esempio tutti i nostri geni non sono

dati solo dalla mamma e dal papà, ma molti di quest’ultimi vengono dai microrganismi per questo

siamo chiamati olobionte ovvero un insieme di microorganismi. È una disciplina in continua

evoluzione grazie ai progressi tecnologici, come il sequenziamento del DNA, che ha rivoluzionato la

classificazione e lo studio dei microrganismi.

Metodi di identificazione dei microrganismi

In passato, l’identificazione dei batteri avveniva attraverso l’osservazione al microscopio e test

biochimici (gram + o gram -) quindi su una base fenotipica. Oggi, grazie al sequenziamento

genetico, è possibile identificare i microrganismi con maggiore precisione e rapidità. La diagnostica

molecolare, ad esempio, ha sostituito in molti casi la crescita in coltura per l’identificazione

batterica.

Il microscopio e la sua importanza

Il microscopio è un sistema ottico capace di ingrandire un’immagine. Ad oggi è uno strumento

essenziale nello studio della microbiologia, poiché permette l’osservazione di strutture invisibili a

occhio nudo. Esistono due principali tipi di microscopi:

 Microscopio ottico: utilizza un fascio di luce per ingrandire fino a 1000 volte ( (è il massimo

che possiamo raggiungere con questo sistema perché c’è un limite fisico ovvero dalla

rifrazione della luce) l’immagine di un campione. La luce presente in baso viene fatta

attraversare dalle luci polarizzate in modo che i fasci di luce sono tutti paralleli gli uni con gli

altri, dopodiché attraversa il vetrino su cui è posizionato il campione, viene focalizzata

attraverso lenti di ingrandimento e, infine, arriva all’oculare dove l’osservatore può

analizzare l’immagine risultante. Per migliorare la qualità dell’immagine, si utilizza spesso

l’olio di immersione (di cedro), che riduce la rifrazione della luce e aumenta la risoluzione

dell’osservazione.

 Microscopio elettronico: sfrutta un fascio di elettroni invece della luce visibile,

permettendo ingrandimenti molto superiori, fino a 200.000 volte. Questo tipo di

microscopio consente di osservare dettagli ultrastrutturali dei microrganismi, come

l’organizzazione della parete cellulare, i flagelli e la disposizione interna di alcuni organelli

nei procarioti e negli eucarioti.

Esistono diverse varianti del microscopio elettronico, tra cui:

 Microscopio elettronico a scansione (SEM): fornisce immagini tridimensionali della

superficie dei campioni.

 Microscopio elettronico a trasmissione (TEM): consente di osservare sezioni ultrasottili dei

microrganismi, permettendo di analizzare la loro struttura interna.

Grazie all’utilizzo dei microscopi, è possibile identificare e classificare i microrganismi in base alla

loro morfologia e struttura, contribuendo così allo studio delle loro caratteristiche e funzioni.

Classificazione dei microrganismi

I microrganismi si suddividono in:

 Batteri: procarioti con diverse forme e capacità metaboliche. Hanno un diametro tra 1-10

micron, quindi, possono essere osservati con il microscopio ottico

 Archea: simili ai batteri (protisti) ma con caratteristiche biochimiche uniche. Fino

all’avvento del molecolare ne sappiamo molto poco. Solo adesso si inizia a pensare che gli

archei portano a meningiti asettiche grazie alla molecolare. Sono organismi autotrofi che

vivono in ambienti estremi e possono essere alofili, metanogeni e ipertermofili. Si

distinguono tre phyla principali: Crenarchaeota, Euryarchaeota e Korarchaeota.

 Virus: parassiti intracellulari obbligati, incapaci di riprodursi autonomamente. Per vederli

dobbiamo utilizzare il microscopio elettronico. Il virus più piccolo è la poliomielite, la via di

mezzo è l’adenovirus e il più grande è vaiolo vaccino. Un altro tipo di virus è il batteriofago

che è il parassita dei batteri

 Funghi (miceli) e protozoi: organismi eucarioti con strutture più complesse.

Microbiota, microbioma e flora batterica

Il termine "microbiota" indica l’insieme dei microrganismi che colonizzano un determinato

ambiente, come l’intestino umano. "Microbioma" si riferisce all’insieme dei geni espressi da questi

microrganismi. Recenti studi hanno evidenziato il ruolo cruciale del microbiota nella salute umana,

influenzando processi immunitari, metabolici e neurologici.

In passato si parlava di "flora batterica" per descrivere la comunità di microrganismi presenti nel

nostro organismo, ma oggi il termine più appropriato è "microbiota". Questo complesso

ecosistema microbico è fondamentale per il corretto funzionamento del corpo umano. Esistono

diversi tipi di microbiota:

 Microbiota intestinale: svolge un ruolo chiave nella digestione e nella modulazione del

sistema immunitario.

 Microbiota cutaneo: protegge la pelle da agenti patogeni e contribuisce al mantenimento

del pH.

 Microbiota orale: influenza la salute dentale e la prevenzione delle infezioni del cavo orale.

 Microbiota vaginale: essenziale per l’equilibrio della flora genitale e la protezione da

infezioni.

Disbiosi ed eubiosi

Uno squilibrio del microbiota, noto come disbiosi, si verifica quando la composizione dei

microrganismi risulta alterata rispetto alla norma. Questa condizione può essere associata a

numerose patologie, tra cui malattie infiammatorie intestinali, obesità, diabete, malattie

autoimmuni e persino disturbi neurologici. Fattori come l’uso eccessivo di antibiotici, una dieta

squilibrata, lo stress e infezioni possono contribuire allo sviluppo della disbiosi.

L’opposto della disbiosi è l’eubiosi, ovvero uno stato di equilibrio del microbiota in cui la comunità

microbica è varia e armonica, supportando il benessere dell’organismo. L’eubiosi è associata a una

buona digestione, una risposta immunitaria efficace e una protezione contro agenti patogeni

opportunisti.

Per mantenere uno stato di eubiosi, è fondamentale adottare uno stile di vita sano, che includa una

dieta ricca di fibre e alimenti fermentati, il consumo moderato di antibiotici solo quando

strettamente necessario e la gestione dello stress. Studi recenti suggeriscono che interventi mirati,

come l’uso di probiotici e prebiotici, possano contribuire a ristabilire l’equilibrio del microbiota in

caso di disbiosi.

La teoria microbica delle malattie infettive

Nel XIX secolo, Louis Pasteur e Robert Koch furono tra i primi scienziati a dimostrare che alcune

malattie erano causate da microrganismi. La teoria microbica delle malattie infettive segnò una

svolta nella medicina, ponendo le basi per la prevenzione e il trattamento delle infezioni. Koch

formulò i suoi famosi postulati, che stabiliscono i criteri per dimostrare il legame tra un

microrganismo e una specifica malattia.

Prima della diffusione di questa teoria, si riteneva che le malattie fossero causate da "miasmi" o

squilibri umorali. L’accettazione della teoria microbica portò allo sviluppo di pratiche igieniche più

rigorose, come la sterilizzazione degli strumenti chirurgici e la vaccinazione.

-Nel 1880, Louis Pasteur sviluppò il primo vaccino contro l’antrace, una malattia infettiva causata

da un bacillo sporigeno che colpiva allevatori e pastori e che, in alcuni casi, poteva diventare

sistemica. Pasteur dimostrò che la somministrazione di colture batteriche invecchiate aveva un

effetto protettivo simile a quello dei vaccini. Giunse a questa scoperta osservando il vibrione del

colera nei polli: notò che, se le colture batteriche avessero invecchiato prima della

somministrazione, gli animali sarebbero sviluppati una protezione contro la malattia. Questo

principio fu poi applicato anche al vaccino contro l’antrace, segnando una svolta nella lotta contro

le malattie infettive.

La scoperta della penicillina e il ruolo di Vincenzo Tiberio

Sebbene Alexander Fleming sia accreditato per la scoperta della penicillina nel 1928, già nel 1895

l’italiano Vincenzo Tiberio, medico di campagna nato a Sepino nel 1869, aveva osservato gli effetti

antibatterici di alcune muffe appartenenti al genere Penicillium. Egli notò che i disturbi intestinali di

cui soffrivano i suoi vicini di casa si manifestavano in concomitanza con la pulizia del pozzo, nel

quale erano presenti queste muffe.

Spinto da questa osservazione, Tiberio condusse esperimenti che dimostrarono come gli estratti di

tali muffe fossero in grado di inibire la crescita batterica. Tuttavia, i suoi studi non ricevettero il

giusto riconoscimento e rimasero in gran parte sconosciuti alla comunità scientifica internazionale.

Fu solo con la scoperta di Fleming che la penicillina divenne oggetto di interesse su scala globale.

Successivamente, Howard Florey ed Ernst Boris Chain perfezionarono il processo di produzione su

larga scala, rendendo la penicillina il primo antibiotico utilizzato in medicina e rivoluzionando il

trattamento delle infezioni batteriche.

Evoluzione della microbiologia moderna

Grazie alle nuove tecnologie, oggi è possibile analizzare il microbioma umano con grande

precisione. L’interazione tra microbiota e sistema immunitario è oggetto di studi approfonditi, con

implicazioni nella prevenzione e cura di malattie autoimmuni, metaboliche e neurologiche.

Questi concetti introduttivi forniscono le basi per comprendere gli argomenti che verranno

approfonditi nelle lezioni successive.

Sistema immunitario

Il sistema immunitario si occupa di difendere l’organismo con vari meccanismi di un eventuale

aggressore di qualsiasi componente che viene riconosciuta estranea. Abbiamo due maccanismi di

difesa: - Immunità innata: è un meccanismo di sorveglianza pronto alla nascita, reagisce in

pochi secondi, ma è poco specifica.

- Immunità adattiva: L'immunità adattiva, detta anche immunità specifica o acquisita,

è la seconda linea di difesa del sistema immunitario ed è caratterizzata dalla

capacità di riconoscere e rispondere in modo specifico agli agenti patogeni.

Caratteristiche principali dell’immunità adattiva:

✅ Specificità: riconosce antigeni specifici di virus, batteri e altri patogeni.

✅ Memoria immunologica: dopo l'esposizione a un patogeno, il sistema

immunitario "ricorda" l'antigene e risponde in modo più rapido ed efficace a future

esposizioni.

✅ Diversità: è in grado di riconoscere un numero enorme di antigeni diversi.

✅ Distinzione tra sé e non sé: evita di attaccare le cellule dell'organismo stesso

(quando questo meccanismo fallisce, si sviluppano malattie autoimmuni).

BATTERI

I batteri sono dei procarioti, ovvero organismi

unicellulari caratterizzati dall'assenza di un nucleo

definito per questo motivo vengono chiamati

procarioti (Roger Stainer). Sono dotati di una rapida

crescita e riproduzione, con tempi di divisione che

possono essere inferiori alle due ore (20 minuti da una

cellula madre a due cellule figlie). Questo aspetto è

rilevante in ambito alimentare: una minima

contaminazione batterica su un alimento può

rapidamente portare alla proliferazione di

microrganismi e alla produzione di tossine nocive. Essa

costituisce un organismo autonomo che deve essere in

grado di provvedere a tutte le proprie necessità.

Differenze tra Cellule Procariotiche ed Eucariotiche

Le cellule procariotiche (molto più semplici rispetto agli eucarioti) presentano differenze sostanziali

(strutturali e metaboliche) rispetto a quelle eucariotiche e agli archaea:

 Dimensioni: sono notevolmente inferiori (1-6 micron), e la struttura risulta molto più

semplice ed elementare, senza il sistema di compartimenti della cellula eucariota.

 Nucleo: assente nei procarioti. Il DNA, costituito da cromatina addensata, è contenuto nella

zona nucleoide, sprovvista di membrana ed è organizzato in un unico cromosoma; può

essere presente anche qualche altra porzione di DNA circolare, il plasmide.

 Parete cellulare: presente nei procarioti (tranne in micoplasmi e clamidie), costituita da

peptidoglicano, garantisce rigidità strutturale. Negli eucarioti è assente, tranne nei funghi e

nelle piante. Nella membrana, invece, rispetto alla cellula eucariota sono generalmente

assenti gli steroli.

 Mitocondri: assenza di mitocondri nei procarioti; la respirazione cellulare è associata alla

membrana plasmatica.

 Ribosomi: più piccoli nei procarioti rispetto agli eucarioti, con una velocità di

sedimentazione differente (70S) e si trovano solo liberi nel citoplasma: è importante perché

alcuni antibiotici che hanno come bersaglio la sintesi proteica, non interferiscono con la

cellula umana, ma il loro bersaglio è uno specifico ribosoma dei batteri; nella cellula

eucariota la loro struttura è molto più complessa perché sono associati al reticolo

endoplasmatico. Sono costituiti per il 60% da RNA e per il 40% da proteine e si dissociano

facilmente

 Riproduzione: i procarioti si riproducono asessualmente per scissione binaria o per

formazione di spore, mentre gli eucarioti possono avere riproduzione sessuata o asessuata.

Questo succede perché le cellule eucariotiche devono attendere un tempo di 9-12 anni per

la loro riproduzione, mentre i procarioti dopo 20 minuti dalla loro nascita possono

riprodursi senza accoppiamento, dando vita a una cellula figlia che non eredita alcun

carattere dalla cellula madre, originando una specie completamente diversa.

 Trasporto: negli eucarioti l’assunzione di materiale dall’esterno è possibile anche grazie

all’endocitosi e l’esocitosi a differenza dei procarioti dove l’assunzione avviene attraverso

pori di natura proteica

Classificazione Morfologica dei Batteri

I batteri possono essere classificati in maniera generale in base alla loro forma in 2 tipi:

 Cocchi: sferici (nesseria meningiti), possono

disporsi a coppie (diplococchi, che possono

essere a loro volta a forma di chicchi di caffè o a

forma di lancia), in catene (streptococchi), a

tetradi o a grappolo (es. staphyococcus aureus).

 Bacilli: bastoncellari, possono essere isolati o disposti a palizzata o a lettere cinesi (perché

sono incrociati su più piani, oppure streptobacilli, come l’escherichia coli. La forma dei due

poli terminali, a seconda della specie, può essere ad angolo retto, arrotondata o affusolata,

si possono avere restringimenti o rigonfiamenti al centro o spore.

Poi ci sono molte variazioni intermedie:

 Spirali: comprendono spirilli (spirulina o helycobacter pylori) e spirochete (Treponema

pallidum, meglio conosciuta come sifilide), caratterizzati da una struttura elicoidale

estremamente sottile

 Vibrioni: batteri a forma di virgola, come il Vibrio cholerae, che terminano con il flagello

 Pleomorfi: batteri privi di una forma definita, come i micoplasmi.

Colorazione di Gram

Durante i primi del ‘900, sprovvisto di microscopio elettronico, il medico danese Gram riuscì a fare

un’osservazione: usò un colorante su alcuni batteri, cercò di decolorarli con acetone e alcol e

distinse due categorie:

 Gram-positivi: trattengono il colorante viola di cristallo e appaiono blu/viola al

microscopio. Questo perché la loro parete cellulare è costituita da un spesso strato di

peptidoglicano che trattiene il colorante primario.

 Gram-negativi: perdono il colorante primario durante il lavaggio con alcol e assumono il

colore rosso (raramente il giallo) del colorante di contrasto (safranina). La presenza di una

membrana esterna impedisce la ritenzione del colorante viola di cristallo.

Con gli anni fu scoperto che questo comportamento corrispondeva ad una composizione diversa di

parete; perciò, anche strutturalmente notiamo differenze tra gram- e gram+. Il metodo di Gram è

fondamentale in microbiologia clinica, poiché consente una prima identificazione dei batteri e

aiuta nella scelta degli antibiotici più efficaci. Ad esempio, gli antibiotici beta-lattamici sono più

efficaci contro i Gram-positivi, mentre alcuni antibiotici come le polimixine agiscono

preferibilmente sui Gram-negativi.

STRUTTURE (dall’esterno verso l’interno)

 Capsula: è una struttura costituita da uno strato di polisaccaride, associato a una parte

mucosa e a polipeptidi, che viene riversato all’esterno del soma batterico. Il riconoscimento

intersomatico avviene per contatto, quindi la capsula interviene ponendo tra i siti di

contatto una barriera di muco e assume la funzione di evitare la fagocitosi e la penetrazione

di farmaci. Può aiutare a prevenire l’essiccamento per le sue caratteristiche microscopiche:

anche ad alte temperature la capsula impedisce la perdita di acqua e gioca un ruolo

decisivo nell’adesione alle superfici esterne. La capsula conferisce maggiore virulenza ai

batteri, rendendoli più difficili da eliminare dal sistema immunitario. Le capsule batteriche

hanno un ruolo chiave nella patogenicità, poiché mascherano il batterio dal sistema

immunitario dell'ospite e ne favoriscono la sopravvivenza. Alcuni batteri capsulati di

rilevanza clinica sono Neisseria meningitidis e Streptococcus pneumoniae: l’alveolo

polmonare ha la più grande

concentrazione di fagociti del

nostro corpo: la maggior parte di

macrofagi maturi sono situati

nell’alveolo. Lo pneuomococco

(streptococcus pneumoniae), è

re