Microbiologia

Microbiologia

Marianna Sala

Scienze e Tecnologie della Ristorazione

A.S. 2019/2020

Prof.ssa Fortina Maria Grazia

Marianna Sala

I microrganismi

Si conoscono migliaia di microrganismi diversi, ma non tutti sono di stretto interesse alimentare. La logica con cui crescono, si sviluppano e producono metaboliti è uguale per tutti. Per studiare un tipo di microrganismo si deve isolare da tutti gli altri, e poi si deve identificare. Si chiamano microrganismi perché sono di dimensioni microscopiche: non sono visibili ad occhio nudo, ma solo con il microscopio, strumento fondamentale per il microbiologo. Sono microscopici per quanto riguarda la singola cellula che si vuole andare ad osservare: le cellule microscopiche possono aggregarsi tra di loro crescendo e dando luogo anche a delle aggregazioni che sono visibili ad occhio nudo.

La cellula microbica è una delle cellule più semplici che si trova nel nostro mondo, infatti sono state le prime forme di vita che si sono generate sulla terra, e che poi si sono evolute fino ad arrivare alle cellule animali e vegetali degli organismi viventi che ci sono adesso.

Quello che si sa è che i microrganismi sono presenti in tutte le nicchie terrestri. Questo dimostra come queste cellule, che hanno un'organizzazione semplice, siano in grado di adattarsi a tutti gli ambienti.

Nel termine microrganismi sono compresi diversi gruppi: batteri, virus, protozoi, alghe, funghi.

Dimensioni dei microrganismi

• Batteri → 1-5 μm (10-3 mm). Si possono vedere con il microscopio ottico.
• Funghi: lieviti → 5-8 μm.
• Muffe → 5 macro.
• Protozoi → 40-200 μm.
• Alghe → 50 - macro.
• Virus → 0,01-0,3 nm. Per poterli vedere si deve utilizzare un microscopio ad alta definizione, cioè quelli elettronici.

Non vengono considerati dei veri e propri organismi viventi, perché sono dei parassiti intracellulari obbligati, vale a dire che non sono in grado di riprodursi da soli, ma hanno bisogno di entrare all'interno di una cellula, infettandola, per riprodursi.

Caratteristiche della cellula microbica

La cellula microbica è:

• Strutturalmente semplice: tutte le cellule di questi microrganismi hanno un'organizzazione semplice rispetto alla cellula animale e alla cellula vegetale.
• Non si differenzia in organi e tessuti. Mentre le cellule animali e vegetali hanno bisogno di organizzarsi in organi e tessuti, queste cellule microbiche sono in grado di fare tutto da soli con la singola cellula.
• Ha vita indipendente. Il batterio, nonostante le sue dimensioni microscopiche, è in grado di recuperare dall'ambiente tutto quello di cui ha bisogno per riprodursi: genera tante altre cellule uguali a se stesso. È in grado di colonizzare l'ambiente senza chiedere aiuto alle altre cellule.

Scoperta e classificazione

La scoperta di questi microrganismi è arrivata relativamente tardi, perché prima non c'erano gli strumenti in grado di vedere dimensioni così piccole. Haeckel nel 1866 aveva cominciato con dei primi microscopi rudimentali a vedere che c'erano delle cellule che rispetto a quelle animali e vegetali erano più semplici e li chiamò organismi primitivi perché non aveva ancora altri strumenti per studiarli, e quindi definì quello che è noto come regno dei protisti, dove protista serve proprio per intendere un organismo primitivo.

Non si sapeva dove posizionare i protisti, perché esistevano solo regno animale e regno vegetale che erano caratterizzati da comportamenti diversi. Il regno animale era costituito da organismi che erano in grado di utilizzare la materia organica e che si muovevano; il regno vegetale invece era costituito da cellule che ricavavano la loro energia e il loro nutrimento da fonti organiche e che erano immobili. I microrganismi primitivi invece avevano delle caratteristiche intermedie: alcuni utilizzavano materiale organico e non si muovevano, mentre altri erano in grado di svolgere la fotosintesi.

Quindi, non sapendo dove inserire questi microrganismi primitivi, è stato introdotto un nuovo regno, ovvero quello dei protisti. Il regno dei protisti è stato successivamente modificato nel 1950, quando l'avvento del microscopio elettronico ha permesso di studiare nel dettaglio anche la struttura interna di queste piccole cellule, e si è visto che nell'ambito dei microrganismi esistevano due tipologie di cellule.

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Cellula eucariota

Cellula simile, anche se strutturalmente più semplice, alla cellula animale e vegetale. Queste cellule che appartengono al gruppo delle alghe, dei protozoi e dei funghi (lieviti e muffe), sono state considerate dei protisti con cellula eucariota che ricorda la cellula animale e vegetale. La cellula eucariota è diploide: il genoma è più complesso, è organizzato in più copie di cromosomi omologhi.

Cellula procariota

Dove si trovano i batteri, perché per questi organismi la cellula era aploide molto più semplice senza determinati organelli che caratterizzano le cellule del regno animale e vegetale. La cellula procariota è aploide: singola molecola di DNA a doppio filamento, in forma circolare covalentemente chiusa e superavvolta. Tra i procarioti, i batteri sono stati ulteriormente divisi in:

• Eubatteri → sono la maggioranza dei batteri che oggi si conoscono.
• Archeobatteri → si intendono i batteri molto particolari, i batteri estremofili, che riescono a vivere in condizioni molto particolari, in cui la maggior parte delle altre cellule non riesce a vivere. Sono i microrganismi scoperti più di recente, ma sembrano essere i più antichi. Sono microrganismi che si sono talmente adattati a vivere in queste condizioni, da non tollerare condizioni che noi consideriamo migliori. Quindi per studiarli bisogna mantenere le loro condizioni estreme, perché altrimenti muoiono. (Non si trovano nel settore alimentare).

Crescita microbica e colonie

Le singole cellule dei batteri, cresciute in un particolare contenitore chiamato piastra, e in presenza di particolari sostanze nutritive è cresciuto e le singole cellule si sono aggregate a formare quella che viene chiamata patina microbica o colonia. Quindi quando si formano gli aggregati, si riescono a vedere ad occhio nudo. Questi aggregati sono tante cellule che sono state ottenute da una singola cellula invisibile ad occhio nudo, che è stata deposta sulla superficie del terreno nutritivo e che ha permesso la crescita microbica in termini esponenziali.

Per crescita microbica si intende un aumento del numero di cellule: da una cellula madre si producono nel tempo tante cellule figlie uguali alla cellula madre. Se queste cellule figlie che si riproducono rimangono vicine alla cellula madre formano gli aggregati, che contengono miliardi di cellule batteriche. Si parla sia di microrganismi positivi che di microrganismi negativi. La maggior parte sono positivi, o che comunque non danno problemi alla nostra salute.

Si deve però stare attenti ai microrganismi negativi, che vengono chiamati microrganismi patogeni che possono avere un grado di patogenicità elevato. Le presenza di un certo numero di cellule vive di salmonella, causa la salmonellosi che è una delle infezioni più diffusa nell'ambiente della ristorazione. Quella più grave ma anche più ristretta è quella relativa al botulismo, che si forma in conserve vegetali fatte in casa, perché sono conserve preparate sott'olio, poi vengono sterilizzate ma non vengono uccisi tutti i microrganismi.

Il Clostridium botulino produce delle forme di resistenza che non vengono eliminate con la sterilizzazione fatta in casa. Questo è un microrganismo che cresce bene in assenza di ossigeno, e causa un'intossicazione che può portare alla morte di chi consuma alimenti con questo microrganismo. Il botulino produce una tossina che è una neurotossina, e si può intervenire nell'arco di 4/5 ore, altrimenti poi le medicine non funzionano più. C'è un parametro con il quale controllare la sua crescita, ovvero utilizzare dell'aceto perché a pH inferiore di 4,5 il Clostridium botulino sopravvive poco e fa fatica a produrre quelle forme di resistenza che poi rimarrebbero nel prodotto.

Il loro ruolo

Vantaggi

• Produzione di alimenti → latti fermentati, formaggi, vino, birra, pane e dolci.

Muffe e lieviti intervengono direttamente nel settore alimentare, non solo in termini positivi. Muffe selezionate sono utilizzate industrialmente per produrre diverse tipologie di formaggi. Quindi si ha un effetto positivo o negativo della muffa in funzione del gruppo di muffa che è presente in determinati momenti, matrici e ambienti.

I lieviti sono associati principalmente alla produzione di bevande alcoliche, e sono necessari nella fermentazione alcolica che ha come prodotti finali etanolo e CO₂. Questo consente non solo di ottenere vino e birra, ma anche di consentire la lievitazione del pane, dove la fermentazione è uguale a quella della birra, ma l'etanolo che si sviluppa viene eliminato in fase di cottura e quello che conta è la produzione di CO₂ che dà luogo al rigonfiamento dell'impasto.

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• Produzione di metaboliti → antibiotici, vitamine, enzimi, polisaccaridi, solventi.

Per quanto riguarda le vitamine, vengono poi estratte dai microrganismi in cui vengono fatti crescere.

• Fertilità del suolo.
• Resa di raccolta. → alcuni microrganismi possono aumentare la resa di produzione, per esempio, delle leguminose perché sono in grado di crescere in simbiosi con le radici delle leguminose, favorendo lo sviluppo della pianta.
• Depurazione. → alcuni microrganismi sono stati utilizzati per detossificare l'ambiente, perché alcuni microrganismi sono in grado di utilizzare pesticidi, idrocarburi come fonte di nutrimento, degradandolo e depurando l'ambiente in cui sono presenti.

Svantaggi

• Intossicazioni alimentari → botulismo.
• Infezioni alimentari → salmonellosi.
• Agenti eziologici di malattie → pertosse, tetano, scarlattina, colera, tubercolosi.

I vari gruppi di microrganismi hanno capacità di crescere diverse in funzione della tipologia. In funzione del tipo di matrice solo alcuni microrganismi saranno in grado di crescere, mentre altri no.

Ci sono dei microrganismi che producono delle tossine: queste tossine sono dei metaboliti, cioè dei prodotti che si ottengono durante la crescita di questi microrganismi in particolari condizioni. Queste tossine sono delle molecole che possono o stare all'interno della cellula, oppure uscire all'esterno.

Quando un microrganismo che trova in una determinata matrice e trova le condizioni ideali per crescere, non solo aumenta il numero di cellule, ma può produrre anche la tossina. Quindi se ogni cellula che cresce è in grado di produrre una piccola quantità di tossina, questa tossina si accumula nella matrice. Se questa matrice poi viene sterilizzata, risulta stabile perché le cellule non sono più vive, ma in quella matrice si è accumulata la tossina.

Se questa tossina è termostabile (non viene distrutta dai trattamenti termici di sterilizzazione), l'alimento continua ad avere una tossina potenzialmente dannosa. Per questo motivo i controlli vanno fatti sulla materia prima, che se è di buona qualità garantisce già al 50% che il prodotto finale sia un prodotto sano. Ci sono anche altri microrganismi che producono tossine, ma sono termolabili e quindi un processo di riscaldamento le distrugge: non viene comunque considerato un prodotto di ottima qualità microbiologica.

Batteri lattici

I batteri lattici sono microrganismi positivi, ma all'inizio – quando si formulavano questi nuovi prodotti – si pensava che l'aggiunta di un batterio lattico che avesse la resistenza a qualche antibiotico potesse essere positivo, perché insediandosi nel nostro intestino poteva non venir eliminato quando l'uomo assumeva un antibiotico per un determinato problema. In realtà non è una cosa positiva, perché nel nostro intestino vivono un sacco di microrganismi, sia positivi che negativi.

Se quelli negativi acquisiscono anche la resistenza agli antibiotici si ha un problema. Ormai non ci sono più batteri da inserire negli alimenti che siano sensibili agli antibiotici. Quello che viene chiesto quando si vogliono selezionare dei microrganismi per il settore alimentare è che la resistenza agli antibiotici non sia trasferibile ad altri.

Tutto il settore lattiero caseario sfrutta le capacità di crescita di diversi tipi di microrganismi per ottenere tutti i prodotti derivanti dal latte. A partire dalla materia prima latte si possono ottenere tre grosse tipologie di alimenti: yogurt e latti fermentati, burro, formaggi. Questo è possibile se al latte vengono aggiunti dei ceppi selezionati appositamente, in grado di produrre yogurt, burro e formaggi.

I batteri lattici sono tante specie diverse e non tutte vanno bene per la produzione di yogurt (latte fermentato da due specifici batteri lattici), burro e formaggi.

Tutti gli altri latti fermentati venduti come latti fermentati probiotici non hanno la definizione di yogurt perché hanno altri tipi di batteri lattici diversi da quelli contenuti nello yogurt (ovvero Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thremophilus). Solo alcuni tipi di batteri lattici utilizzati per produrre i latti fermentati riescono a superare il pH acido e gli enzimi digestivi dello stomaco e riescono ad arrivare all'intestino.

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Nei formaggi vengono inseriti lactococcus lactis e Lactobacillus helveticus, ma non solo. Le tante tipologie di formaggi che esistono sono caratterizzate dalla presenza di diversi batteri lattici e in alcuni casi anche nella presenza di muffe che agiscono attivamente sul formaggio (all'interno o sulla crosta).

I microrganismi selezionati sono in grado di trasformare il latte in formaggio, ma se viene utilizzato un latte di cattiva qualità, si possono trovare anche dei microrganismi indesiderati, perché il latte è una fonte di nutrimento anche per altri microrganismi come per esempio quello responsabile della salmonella. Si può trovare anche il Clostridium botulinum perché deriva dagli insilati mal conservati che vengono dati da mangiare alle vacche. I Clostridi (non solo il botulino) sono spesso trovati nel latte, e anche se non sono pericolosi, alterano la forma di formaggio (gonfiore tardivo).

Muffe

Scarse materie prime possono portare anche il prodotto finale ad ammuffire più in fretta.

Oltre che ad ammuffimento producono tossine (più famosa è l'aflatossina), anche se ci sono altre tossine che derivano sempre dalla crescita di muffe indesiderate. Magari la crescita è limitata e non si vede nemmeno, ma in determinate condizioni di conservazioni dei cereali nei magazzini di stoccaggio, le muffe possono essere indotte a produrre le tossine.

Questo perché le tossine sono prodotte dal microrganismo in risposta ad uno stress ambientale, quindi vengono prodotte in condizioni in cui il microrganismo magari fa fatica a crescere: se viene conservato in magazzini con bassa umidità e temperatura controllata, magari i microrganismi crescono poco, ma producono tante tossine.

L'aflatossina si può trovare anche nel latte, e deriva anche in questo caso dagli insilati dati da mangiare alla vacca.

La differenza principale tra cellula procariote e eucariote

Nell'ambito dei microrganismi due tipologie di cellule possono essere ben distinte: quelle associate ai batteri, la cellula procariote; e quella associata ai lieviti e muffe, le cellule eucariote.

La cellula procariote è l'organizzazione più semplice perché non possiede tutti gli organelli specializzati che sono invece tipici e presenti all'interno della cellula eucariote. Quindi quando si va ad analizzare una cellula procariote, all'interno del citoplasma non si trovano i mitocondri, che sono invece presenti nella cellula eucariote e che hanno il compito di effettuare la respirazione cellulare.

Inoltre non c'è il reticolo endoplasmatico e l'apparato di Golgi che servono per la ridistribuzione di proteine nei vari comparti cellulari ed eliminazione e modificazione di proteine e metaboliti che poi vanno a completare la sintesi cellulare. Non esiste neanche il nucleo, che invece nella cellula eucariote ha il compito di contenere il materiale genetico della cellula, che nel caso della cellula eucariote è costituito da coppie di cromosomi omologhi.

La procariote non compie meno azioni della eucariote. Perché comunque, anche se non ha un nucleo, ha il materiale genetico che è presente nella cellula in una zona del citoplasma chiamata zona nucleare nella quale si condensa il materiale genetico. Questo materiale genetico non è costituito da coppie di cromosomi omologhi, ma solo da una molecola di DNA cromosomale, cioè da un solo colo cromosoma che rende la cellula aploide.

Un'altra differenza che ha con le coppie di cromosomi omologhi della cellula eucariote è che non ha conformazione lineare, ma è una grande molecola di DNA. Quest'unica molecola di DNA cromosomale è circolare e il diametro di questa sarebbe anche di 100 volte maggiore della cellula che lo deve contenere. Per questo, quando si osserva con un microscopio elettronico all'interno della cellula procariota, si vede una specie di gomitolo: il DNA cromosomale in forma circolare si superavvolge per poter rimanere all'interno della cellula batterica.

Questa conformazione circolare e superavvolta è definita CCC (Circolare Covalente Chiusa e superavvolta). Questa è la conformazione del DNA nativo dei batteri. Il fatto di essere una grossa molecola implica che, anche se è una sola, su questa molecola possano essere portate tutte le informazioni di cui la cellula ha bisogno per poter crescere nei vari ambienti.

Il superavvolgimento non è un processo causale: quando si sono studiate in dettaglio queste cellule, attraverso dei metodi genetici, si è visto che ci sono più di 20 geni che codificano per enzimi e proteine che sono ric