Microbiologia

Microbiologia

Microbiologia è quella branca della biologia che studia i microrganismi, ovvero gli esseri viventi le cui dimensioni sono dell’ordine di grandezza dei micrometri (10^-6 m) o nanometri (10^-9 m – virus) e appartengono a diversi regni.

Forma e struttura

• Forma e struttura
• Fisiologia
• Identificazione
• Rapporti con altri organismi viventi

Antonie van Leeuwenhoek, utilizzando un microscopio di sua invenzione, scoprì l'esistenza dei batteri. Louis Pasteur dimostrò che i microrganismi sono incapaci di generarsi spontaneamente in un ambiente sterile, per cui è considerato il padre della microbiologia.

Origine dei microrganismi

Nel XIX secolo il mondo scientifico era diviso tra i sostenitori:

• Della generazione spontanea che pensavano che i microrganismi si generassero dalla materia non vivente
• Che pensavano che i microrganismi provenissero dall’aria che contaminava il cibo

Lazzaro Spallanzani fu il primo a confutare la teoria della generazione spontanea con un esperimento in cui sigillò un contenitore sterile contenente brodo di carne e osservò che non si generavano microrganismi. Successivamente, Louis Pasteur perfezionò l’esperimento consentendo l’ingresso di ossigeno e dimostrando che il brodo rimane sterile se non entra in contatto con i residui dell’aria, mentre al suo interno si sviluppano microrganismi se vi entra in contatto.

Robert Koch è considerato il padre delle tecniche microbiologiche:

1. Inventa un sistema scientifico per studiare i batteri, basato sui terreni di coltura batterici all’interno di capsule Petri. Iniziò con l’utilizzo della patata come terreno di coltura, ma essendo frequentemente contaminata da funghi e troppo selettiva per i batteri, la sostituì con la gelatina. Questa doveva essere aggiunta ai terreni nutritivi come agente solidificante, ma a 37°C (temperatura di crescita di molti patogeni) si liquefaceva ed era consumata dai batteri come nutrimento. Infine trovò una sostanza più versatile, l’agar, un polisaccaride derivato dalle alghe rosse usato come costituente principale dei terreni di coltura. Questo permise di estrarre da un ambiente le diverse specie microbiche in coltura pura.
2. Una coltura pura è una popolazione di organismi che derivano da un unico organismo vivente iniziale, e permette di isolare un singolo ceppo microbico da una miscela contenente microrganismi differenti. Si ottiene mettendo la miscela microbica in terreno di coltura in modo da disporre singole cellule distanziate le une dalle altre con la tecnica striscio (prendo una goccia della miscela e la striscio sulla capsula Petri), poi incubo e ottengo colonie distinte tutte provenienti da una singola cellula di origine. Di queste colonie si preleva quella di interesse e si trasporta su un altro terreno sterile, da cui si ottiene la coltura pura, composta solamente da cellule di un particolare microrganismo.
3. Scopre il batterio responsabile della tubercolosi, la più grave malattia dell'epoca.
4. Definisce postulati di Koch per stabilire se un microrganismo è responsabile di una determinata malattia.

Carlo Linneo è responsabile della nomenclatura dei microrganismi.

Hans Joachim Christian Gram scoprì come alcune famiglie di batteri reagiscano diversamente all’esposizione ad alcune sostanze colorandole diversamente. Così è stato possibile classificare le cellule batteriche in due grosse categorie: i batteri Gram-positivi e quelli Gram-negativi.

Alexander Fleming scoprì la penicillina, un microrganismo con azione antibiotica.

Regni di microrganismi

Nel XX secolo la microbiologia si è sviluppata in due direzioni principali:

• Animali
• Funghi
• Piante
• Protisti
• Monera

Protozoi

Protozoi sono organismi eucariotici unicellulari considerati le prime forme animali apparse sulla Terra. Possono esistere anche come associazioni coloniali di individui singoli. Sono eterotrofi, ovvero hanno bisogno di materiale organico (prodotto dagli autotrofi) che loro assemblano in macromolecole. Si riproducono per via agamica, che consiste nella divisione cellulare della pianta madre, generando una pianta figlia con le stesse identiche caratteristiche genetiche, nei protozoi la più tipica è la scissione binaria.

Cellule

Le cellule sono fatte da materiale organico (macromolecole - proteine, lipidi e acidi nucleici) e per riprodursi necessitano di energia. A seconda della fonte usata per prendere materiale organico abbiamo:

• Autotrofi: convertono anidride carbonica usata nel ciclo di Calvin per sintetizzare materiale organico.
• Eterotrofi: assemblano materiale organico prodotto dagli autotrofi in pezzetti di macromolecole.

In base alla fonte da cui ottengono energia, i microrganismi si distinguono in:

• Fototrofi: Utilizzano la luce, cioè fanno fotosintesi anossigenica che non libera O₂, ma libera zolfo.
• Chemiotrofi: producono energia degradando composti chimici attraverso reazioni chimiche di ossidazione, rimuovendo elettroni e protoni quindi interi idrogeni da un composto iniziale che può essere di due tipi e a seconda del composto i chemiotrofi si distinguono in:

Tipi di riproduzione

Il processo di riproduzione è caratteristico di ogni microrganismo:

• Batteri si riproducono per scissione binaria.
• Lieviti si riproducono attraverso gemmazione.
• Alghe sono organismi eucariotici uni o pluricellulari che contengono pigmenti come clorofilla, e al loro interno sono presenti apparati fotosintetici (fototrofi) e sono autotrofi quindi attraverso il ciclo di Calvin fissano CO₂ in materiale organico. Si riproducono per via agamica asessuata, che non prevede la condivisione del materiale genetico, diversa dalla produzione gamica in cui si ha la fusione del materiale genetico.
• Lieviti e muffe fanno parte del regno dei miceti o dei funghi, non possiedono una connotazione tassonomica, ma entrambi sono eterotrofi e quindi possono sfruttare l’ossidazione degli alimenti per produrre energia.

Lieviti sono eucarioti unicellulari che si dividono per gemmazione che porta alla formazione di una gemma (contenente DNA duplicato) sul corpo della cellula madre che poi si stacca dando origine alla cellula figlia responsabile di molti processi fermentativi.

Le muffe sono eucarioti pluricellulari fatte da tante cellule in serie a formare filamenti chiamati ife e più ife si organizzano in una struttura più complessa chiamata micelio che può essere:

• Aereo che si vede in superficie perché muffe usano ossigeno per crescere.
• Vegetativo che prende nutrimento grazie a ossidazione composti organici presenti sul substrato dell’elemento su cui crescono.

Sono saprofite quindi crescono bene in presenza di materiali in decomposizione. Hanno possibilità di sintetizzare tanti enzimi in grado di degradare materie prime tra cui sostanze complesse come lignina e cellulosa. Si possono riprodurre sia per via asessuata (agamica) o sessuata (gamica) che avviene in entrambi i casi mediante la produzione di spore.

Le spore possono essere:

• Endospore prodotte dai batteri inizialmente all’interno, e che in condizione di stress non riescono a crescere bene, e quindi i batteri sporigeni possono fermare la loro crescita e trasformarsi in qualcosa di inerte che è la spora. In grado di resistere ad alte temperature e per alta disidratazione aumenta resistenza termica. La spora è caratterizzata da tanti involucri impenetrabili alle sostanze chimiche/tossiche. Il processo è reversibile quindi può rimanere spora e nel momento in cui ci sono condizioni idonee può germinare e tornare batterio.
• Esospore delle muffe che si distaccano e permettono diffusione muffa facilitandone la replicazione nell’ambiente (ruolo riproduttivo di dispersione).

Batteri

Batteri sono organismi procariotici unicellulari che traggono energia da sostanze organiche (chemiorganotrofi) o dalla sostanza inorganica (chemiolitotrofi). Alcuni sono fototrofi che possono sfruttare luce o reazioni chimiche. Si possono riprodurre per scissioni binarie in cui il batterio va incontro a duplicazione del materiale genetico successivamente la cellula aumenta il proprio volume fino a formare un setto che permette la divisione della cellula madre ingrandita in due cellule figlie, questo processo avviene in circa 20 minuti.

Virus

Virus sono microrganismi che non hanno una cellula quindi sono acellulari, sono parassiti che per replicarsi hanno bisogno di cellula ospite:

• Cellula eucariotica in questo caso i virus sono chiamati batteriofagi.
• Su cellula procariotica.
• Cellula vegetale.

Sono fatti da proteine e materiale genetico (DNA o RNA) racchiuso in un involucro proteico (caspide) e una volta attaccato l'ospite inietta al suo interno il materiale genetico sfruttando i processi della cellula per poterlo replicare.

Le cellule possono essere considerate:

• Strumenti codificanti: la cellula per poter crescere deve duplicare il proprio DNA e replicarlo.
• Macchine cellulari: producono una molecola energetica (ATP), per fototrofia o chemiotrofia, che viene usata nel momento del bisogno, partendo da ADP a cui lega poi un fosfato generando ATP i cui legami fosfato sono continuamente sintetizzati e idrolizzati.

Enzimi nei chemiorganotrofi ossidano molecole organiche, principalmente zuccheri, liberi nella matrice che devono essere portati all’interno della cellula. Per farlo necessitano di enzimi in grado di trasportare nella cellula i nutrienti e di altri in grado di degradare la sostanza per poterla utilizzare. Per poterlo fare la cellula deve mettere in atto processi di trascrizione e traduzione al fine di sintetizzare proteine quindi enzimi che appunto permettono di utilizzare quei nutrienti presenti nell’ambiente.

Caratteristiche dei microrganismi

Tutti i microrganismi compiono:

• Un metabolismo ovvero tutte le cellule trasformano sostanze chimiche al loro interno. Cellula sistema aperto perché sostanze chimiche entrano, vengono trasformate formando prodotti di scarto che vengono poi eliminate all’esterno.
• Si riproducono.
• Solo alcuni si possono differenziare e formare una struttura cellulare, come batteri che possono formare spora creata all’interno della cellula al cui interno viene trasferito materiale cellulare che poi si disidrata ed esce per sopravvivere.
• Una caratteristica di tutte le cellule, quindi determinati comportamenti che le cellule assumono deriva proprio da questa caratteristica.
• Movimento dei batteri attraverso un’estroflessione ancorata alla membrana citoplasmatica con struttura tubolare che si chiama flagello. Esso non si flette, ma ruota su se stessa permettendo movimento. Tale movimento può avvenire per:

Tutti i batteri si possono differenziare ed evolvere verso nuove specie, partendo da una cellula ancestrale e successivamente dopo numerose riproduzioni si evolvono, tali evoluzioni avvengono perché, mediante la trasmissione verticale dell’informazione genetica da madre a figlia, avvengono delle modifiche/mutazioni sul genoma in determinati punti che portano le cellule figlie ad avere DNA diverso portando così a variabilità genetica. Esistono anche trasmissioni orizzontali in cui il DNA può cambiare tra cellule che fanno parte della stessa generazione. I tre processi che portano alla modifica del patrimonio genetico di cellula della stessa generazioni sono:

• Coniugazione: processo che porta all’acquisizione di plasmidi che possono essere trasferiti da un batterio a un altro, che se acquisito porta a un cambiamento genetico.
• Trasduzione: avviene attraverso virus che precedentemente hanno attaccato il batterio, e quindi possono introdurre all’interno del proprio capside pezzetti di genoma batterico, che successivamente trasferiscono in un nuovo attacco.
• Trasformazione: cellula batterica acquisisce dall’ambiente materiale genetico esogeno che può essere portato nella cellula e integrato nel genoma portando a un processo di ricombinazione.

Cellule

Nei batteri la parete cellulare è fatta da peptidoglicani con pectine e zuccheri, le piccole dimensioni dei batteri presentano dei vantaggi quali:

• Elevato rapporto superficie / volume
• Scambi più efficienti di sostanze nutritive con l’ambiente esterno
• Flessibilità metabolica fisiologica: cellule piccole producono enzimi necessari a seconda del momento, grazie ai meccanismi di regolazione molto es; (procarioti regolano trascrizione in modo più efficiente degli eucarioti tramite proteine che si legano al DNA e fanno partire o bloccano la trascrizione in una parte del DNA legandosi al promotore che è la zona dove parte la trascrizione), o enzima per l’utilizzazione del maltosio se presente o di enzimi per il trasporto de nutrienti che deve entrare nel citoplasma dall’esterno e altri che li degradano per produrre energia.
• Diffusione facilitata dei microrganismi tramite l’aria

Tutto ciò che avviene nella cellula batterica avviene nel citoplasma. Altro tipo di energia presente sulla membrana è la forza proton motrice ovvero un gradiente di cariche che presenta cariche positive fuori dalla membrana citoplasmatica utilizzate dal batterio per compiere dei lavori. Flagello ad esempio tutte le volte che si muove usa energia.

Essi possono avere diverse forme, e a seconda della forma assumono un nome diverso: cocchi, forma tonda; bacilli, forma a bastoncino; spirilli, forma a spirale.

Composizione della cellula microbica

Citoplasma: matrice acquosa in cui sono disciolti sali minerali e sostanze organiche e dove sono presenti tutte le strutture necessarie per le funzioni cellulari. Ricco di organuli specializzati negli eucarioti, di soli ribosomi nei procarioti. È nel citoplasma che ha luogo il metabolismo e la sintesi proteica.

Nucleo o nucleoide: struttura dove sono localizzate le informazioni genetiche, cioè l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). È la principale differenza tra eucarioti e procarioti (presenza/assenza).

Membrana cellulare: rappresenta il confine tra citoplasma e l’esterno della cellula. Ha la funzione di regolare il passaggio delle molecole e nei procarioti è sede del metabolismo respirativo.

Parete cellulare: presenta una composizione chimica differente tra procarioti ed eucarioti ma svolge le stesse funzioni: mantenere la forma della cellula e proteggerla da fattori esterni come la pressione osmotica.

Plasmidi: coinvolti nel processo di coniugazione, assenti nella cellula eucariotica.

I batteri non possiedono i mitocondri che invece sono presenti nella cellula eucariotica in cui svolgono i processi di respirazione, quindi in essi la respirazione avviene a livello della membrana citoplasmatica.

Genoma: tutto il patrimonio genetico della cellula, nei batteri il genoma totale è dato dalla somma del geni sul cromosoma più quello presente nel plastide.

Organizzazione del genoma può essere:

• Monocistronica: ogni gene viene trascritto in un segmento di mRNA messaggero.
• Policistronica: più geni vengono trascritti in serie in una molecola di mRNA messaggero il che permette di adattarsi meglio ai cambiamenti.

Le origini dei microrganismi

I primi organismi originatisi sulla Terra furono eucarioti fototrofi in grado di svolgere la fotosintesi anossigenica, successivamente si svilupparono i cianobatteri fotosintetici resero l’ambiente aerobio.

Scoperte dei microbi

1. Hanno inventato la fotosintesi al fine di ricavare energia dalla luce del sole: 6CO₂ + 12H₂S → C₆H₁₂O₆ + 12S + 6H₂O.
2. Scindendo la molecola dell’acqua con la fotosintesi e liberando così ossigeno hanno contribuito a creare l’aria che respiriamo (cianobatteri): 6 CO₂ + 6 H₂O + 686 Kilocalorie/mole C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.
3. Con i loro gusci calcarei microscopici, che si sono compattati in rocce, hanno formato molte terre emerse.
4. Hanno inventato la riproduzione sessuale: i primi microrganismi eucariotici che hanno iniziato a riprodursi non più come semplici cloni, ma scambiando fra due individui il patrimonio generico.
5. Gli organismi unicellulari hanno imparato a vivere in simbiosi, contribuendo alla nascita di organismi pluricellulari.

Nomenclatura

Per identificare il microrganismo si utilizza la nomenclatura binomiale, ideata da Carlo Linneo (XVIII secolo). La nomenclatura binomiale è basata sul concetto di specie. Per specie si intende l’insieme degli individui che presentano un elevato numero di caratteristiche comuni e di somiglianze a livello anatomo-morfologico e, più in generale, fisiologico: tali caratteristiche differenziano gli individui di una specie da quelli di tutte le altre. La specie rappresenta il livello iniziale della classificazione sistematica degli organismi.

Specie: individui con un elevato numero di somiglianze.

Genere: insieme di più specie.

Famiglia: insieme di più generi.

Ordine: insieme di più famiglie.

Classe: insieme di più ordini.

Phylum: insieme di più classi.

Regno: insieme di più phyla.

Tale nomenclatura vede l’utilizzo di due termini in latino, il primo è l’epiteto generico corrispondente al genere (corsivo maiuscolo); il secondo è l’epiteto specifico (corsivo minuscolo) che corrisponde alla specie. Es: Homo sapiens, Escherichia coli.

Ecologia microbica

Ciò che si occupa di studiare tale comportamento è l’ecologia microbica, secondo cui da una cellula (specie microbica) si possono originare per replicazione tante specie uguali alla cellula madre formando una popolazione. L’insieme delle popolazioni che risiedono in un ambiente dà origine a una comunità. L’ambiente in cui la popolazione microbica risiede è definito habitat. L’insieme dell’habitat e dell’organismo vivente forma l’ecosistema.

Parametri di crescita fondamentali, che ci permettono di classificare i microrganismi:

• Ossigeno, in questo caso posso avere microrganismi:
• Aerobi (necessitano di ossigeno)
• Anaerobi (crescono solo in assenza di ossigeno)
• Aerobi anaerobi facoltativi (crescono sia in presenza che in assenza di O₂)