Microbiologia applicata ai beni culturali

Esame microbiologia

Introduzione

La microbiologia è la scienza che si occupa dei microrganismi, ciò che ad occhio nudo non si vede. Studia essi e le loro caratteristiche come: forma, struttura, riproduzione, fisiologia, metabolismo, etc. Si occupa anche dell’ambiente e del contesto in cui essi vivono, dei rapporti tra loro, degli effetti di essi sugli esseri umani e delle modificazioni fisiche e chimiche che provocano. La microbiologia è suddivisa in branchie:

• Batteriologia, studia i batteri;
• Micologia, studio dei funghi;
• Protozologia, studio dei protozoi;
• Virologia, studia i virus;
• Algologia, studio delle alghe.

I settori della microbiologia sono vari, a partire dalla medicina, con la patologia umana. Infatti, la microbiologia è nata come microbiologia medica. In base all’oggetto di studio abbiamo: quella acquatica, dell’aria, degli alimenti, del suolo, industriale, spaziale e infine quella applicata ai beni culturali, soggetti allo sviluppo di questi microrganismi. Le opere d’arte sono costituite da materiali organici e inorganici che subiscono dei processi di trasformazione della materia, attraverso reazioni chimico-fisiche naturali o da parte di organismi viventi. Essi apportano delle conseguenze alle opere, come: diminuzione del valore intrinseco dell’opera, danni estetici e strutturali e una minor durata nel tempo.

Biodegteritoramento

È la trasformazione causata da macro o micro organismi, su beni aventi valore economico, commerciale, storico e artistico. È quindi ben diversa dalla biodegradazione. È una distinzione didattica ma con biodeterioramento si intende più in senso negativo dannoso, mentre con biodegradazione sono sempre processi chimici. Gli agenti causali di questo degrado sono detti biodeteriogeni e sono: microrganismi, organismi vegetali e organismi animali. I meccanismi di biodeterioramento possono essere di tipo: chimico, fisico e meccanico.

Nella colonizzazione biologica il substrato (l’opera) viene utilizzato come nutriente o come supporto di crescita. Questo attacco viene accentuato in presenza di substrati nutritivi e in condizioni ambientali favorevoli, poiché gli organismi attaccano substrati favorevoli al loro sviluppo. Schema: se abbiamo un agente causale, che crea un danno all’opera attaccando il substrato, possiamo attuare delle procedure di intervento. L’intervento può essere precoce (elimina direttamente l’agente, e non si sviluppa), sul meccanismo (lo possiamo bloccare), o andiamo a riparare il danno quando essa è già stata attaccata e danneggiata. Diagnosi e successivi interventi richiedono una conoscenza delle caratteristiche morfologiche, metaboliche, fisiologiche e riproduttive dell’organismo. Se vogliamo agire preventivamente dobbiamo conoscere le condizioni ambientali favorevoli alla crescita di biodeteriogeni.

Microrganismi

Sono organismi piccolissimi, di dimensioni microscopiche non visibili ad occhio nudo, unicellulari o pluricellulari, caratterizzati da una scarsa o assente differenziazione cellulare. Abbiamo batteri, miceti, alghe e protozoi, caratterizzati da una semplice struttura cellulare. Quando parliamo di organismi uni e pluricellulari la cosa base della vita è la cellula, e ne distinguiamo negli organismi di due tipi, differenziate per la morfologia:

• Procariotica, con un’organizzazione più semplice. Il DNA non è circondato dalla membrana ma è libero nel citoplasma, dove troviamo i ribosomi, addetti alla sintesi proteica. Gli organismi procarioti sono: batteri e archea.
• Eucariotica, con una struttura più complessa. È la cellula che abbiamo noi. Ha una membrana nucleare, con il DNA organizzato in cromosomi. Nel citoplasma ci sono, oltre ai ribosomi, tanti organelli (es. apparato del Golgi, mitocondri, etc.), ognuno dei quali svolge una funzione.

Se pensiamo all’origine della Terra, di 4,6 miliardi di anni fa, i microorganismi esistono da 3,5 miliardi di anni fa, quindi sono molto più vecchi di noi. Di fatti, quando si pensa all’origine degli esseri sulla Terra si pensa al brodo primordiale, dando vita alle prime biomolecole che poi hanno portato allo sviluppo di questi microrganismi. Per quanto riguarda la storia degli esseri viventi, una branca della scienza è la filogenetica si occupa dello studio della storia degli organismi, per cercare le caratteristiche comune.

Se consideriamo un antenato comune LUCA (Last Universal Common Ancestor), progenitore primo, poi c’è stata un’evoluzione, una ramificazione. Sono studi fatti considerando l’RNA ribosomiale dei vari tipi di organismi perché i ribosomi hanno un RNA molto stabile nel tempo, confrontandoli si stabiliscono più o meno i rapporti filogenetici che questi organismi hanno tra loro.

Le cellule procariote costituiscono sulla Terra la maggior quota di biomassa. Es. nel nostro corpo ci sono più cellule batteriche che del tessuto. La maggior parte sono benefici ma sono riconosciuti anche quelli patogeni. Sterile = non c’è forma vivente. I microrganismi danno sia malefici come: causa di malattie negli animali e nei vegetali e sono agenti di biodeterioramento, ma anche benefici (superiori ai danni): sono agenti biochimici, fissatori di carbonio e azoto, produttori di metano e antibiotici, degradatori di inquinanti, contribuiscono alla preparazione di vaccini e sono utilizzati nell’industria, es. quella alimentare (lievito) sono frutto della fermentazione soprattutto dei lieviti.

Altre entità ancora in corso di studio sono:

• Virus, entità nucleoproteiche con un solo acido nucleico e si autoreplicano;
• Viroidi, infettanti e costituite da sono RNA;
• Prioni, glicoproteine autoreplicanti, prive di acido nucleico.

Cellula batterica

I batteri sono quegli organismi che hanno dimensioni molto piccole, dell’ordine del micron (0.5-1 x 0.5-14) hanno una sola cellula (unicellulari) che può avere morfologie differenti. Vi sono degli studi in cui si parla di nanobatteri (dimensione dei virus), ma ci sono ancora discussioni a riguardo. L’Epulopiscium fishelsoni (procariota) è uno dei più grandi, è 650 x 80 micron. Thiomargarita nabimiensis, anche questo scoperto, si può osservare ad occhio nudo perché arriva al mm. Questi organismi vengono visti al microscopio ottico binoculare, l’ingrandimento per vederli è il 1000x per vedere com’è fatta una singola cellula.

Osservando al microscopio posso avere informazioni su:

• Morfologia: è importantissima. Per la quantità di batteri conosciuti le forme sono poche e sempre le stesse. Quando al microscopio osserviamo delle piccole sfere, morfologia sferica, (a) Streptococchi lunghi come una catenella → vengono chiamati COCCHI. A seconda della disposizione spaziale che le cellule (b) Diplomococchi se rimane attaccata a due a due → (c) Tetradi raggruppate a 4 a 4 → (d) Sarcine a cubo, divise nelle tre dimensioni → (e) Stafilococchi divisione su più piani, in modo disordinato, un grappolo. La nostra pelle ne è piena.

Stafilococco aureus: Quello patogeno per l’uomo è il responsabile dell’infezione delle ferite. Altra forma è piuttosto allungata, una specie di piccolo cilindro, detto BACILLO. Anche qui in base alla disposizione dello spazio possiamo avere: Diplobacilli (due bacilli attaccati), streptobacilli (bacilli a catenella), e i coccobacilli (perché si confonde non essendo ne proprio uno ne proprio l’altro). Altra forme sono i BATTERI INCURVATI e in base alle curvature che hanno li chiamiamo: vibrione (a virgola, vibrione del colera), spirilli (a spirale semplice più rigidi) e spirochete (ad aspirale, più flessibili). Altri batteri presentano forme diverse, es. attinomiceti che al microscopio hanno una struttura filamentosa, assomigliano alle muffe ma di differenziano per le dimensioni, e sono procarioti (i miceti eucarioti). Sono dei biodeteriogeni, si trovano sui manufatti.

Organizzazione batterica

Il DNA della cellula è un solo cromosoma, in genere circolare e singolo, detto quindi aploide, in cui si forma una massa densa non organizzata detta nucleoide. Il DNA porta l’informazione di quello che siamo, genera processi vitali e trasmette i caratteri da una cellula a quella successiva. Nel citoplasma sono presenti dei frammenti di DNA detti plasmidi, anch’esso materiale genetico, ma è autonomo. È un DNA extracromosomale. Questo plasmide è molto importante nella fisiologia batterica:

• È molto più piccolo, 1/20esimo – 1/100esimo della dimensione del cromosoma, contiene quindi pochi geni (sono i segmenti presenti nel cromosoma, ognuno dei quali porta un informazione);
• Ha una replicazione autonoma;
• Può integrarsi a far parte del cromosoma batterico prendendo il nome di episoma;
• Portano informazione non essenziali per la vita della cellula;
• Conferiscono un vantaggio perché portano benefici alla cellula;
• Possono essere perduti dal batterio;
• Possono essere trasferiti da un batterio all’altro.

Questi plasmidi non sono tutti uguali ma ognuno porta un’informazione che alla cellula può servire, abbiamo:

• Plasmidi coniugativi → mediano il processo di ricombinazione genetica detto conigazione.
• Plasmidi di resistenza → mediano la resistenza a uno o più antibiotici.
• Plasmidi di virulenza → mediano per fattori di adesione o produzione di tossine.
• Plasmidi metabolici → mediano per la degradazione di particolari composti.

Il citoplasma è costituito per l’80% da acqua. Essendo una cellula procariotica mancano gli organuli appartenenti alle cellule eucariotiche, es. mitocondri, reticolo endoplasmatico, cloroplasti, apparato del Golgi. I ribosomi sono importantissimi perché l’informazione che arriva tramite l’RNA permette alla cellula di sintetizzare le proteine nei ribosomi. I batteri devono avere delle inclusioni, dei depositi che appaiono come granulazione ma al batterio servono come sostanze di riserva. Appaiono come strutture ricche di sostanze. A seconda del tipo di inclusione ci sono di tipo: Acido poli-beta-idrossibutirrico, granuli di volutina (riserva di fosfati), granuli di zolfo (riserva di zolfo ed energia), etc. Sono inclusioni che servono per il mantenimento dell’attività cellulare.

Certi batteri che vivono nelle acque, galleggiano grazie ai vacuoli gassosi, come dei cilindri contenenti gas che permettono il galleggiamento. La membrana citoplasmatica racchiude tutto questo. Permette la comunicazione con l’esterno. È formata da un doppio strato, foglietto di fosfolipidi e proteine al centro, ognuno delle quali ha un ruolo importante. La membrana è definita mosaico fluido poiché non è una struttura rigida, grazie ai lipidi. Questo è importante poiché modificandola i batteri riescono ad adattarsi a condizioni per loro non favorevoli.

I fosfolipidi sono delle molecole biologiche molto frequenti nelle strutture della cellula. Sono catene lipidiche unite al glicerolo con un legame estere. Hanno una porzione idrofila (glicerolo e gruppo fosfato) e una idrofoba (acidi grassi). Gli archea si differenziano perché hanno dei legami eteri rispetto ai batteri.

Le funzioni della membrana: delimita il contenuto cellulare conferendo alla cellula la sua individualità e regola gli scambi con l’ambiente esterno, la cellula ha bisogno di nutrienti che prende dall’ambiente esterno perciò c’è bisogno di una selettività che viene data dalla barriera di permeabilità che controlla l’ingresso e l’uscita di ioni, la membrana è ricca di sistemi enzimatici per le attività cellulari, possiede sensori proteici detti recettori che consentono alla cellula di recepire e rispondere agli stimoli ambientali.

I batteri hanno poi una barriera più esterna che è la parete cellulare, all’esterno della membrana. La sua composizione non è uguale per tutti, ma a seguito della colorazione di GRAM è possibile identificarla con parete dei GRAM + e parete dei GRAM -, che generano proprietà differenti. Nella GRAM + la parete è fatta in prevalenza da un composto detto peptidoglicano. Nei GRAM – c’è più complessità: piccolo strato di peptidoglicano, poi uno spazio vuoto detto spazio periplasmico ed esternamente c’è una membrana esterna (una glicopolisaccaride).

Nella parete, in base all’organismo abbiamo:

• Batteri: peptidoglicano o mucopeptide o mureina
• Miceti: chitina, cellulosa, glucano
• Vegetali: cellulosa, pectina

La molecola di peptidoglicano non è altro che una ripetizione di due molecole di zucchero unite insieme da un legame 1-4 beta glicosidico. Questo disaccaride è l’unità base del peptidoglicano. Questi due zuccheri sono: N-acetilglucosammina e N-acetilburamico. Questi due disaccaridi sono uniti tra loro con un legame peptidico. È una struttura molto resistente perché a questi disaccaridi ha attaccati 4 amminoacidi (alanina, glutammato, lisina e alanina) che permettono: nelle pareti dei GRAM - di legare e creare una struttura più resistente e spessa, con un legame crociato diretto (tra peptidi di una catena che si uniscono con un'altra a formare un intreccio). Mentre per i GRAM + questi tetrapeptidi anziché unirsi direttamente alla catena adiacente lo fanno attraverso un ponte pentaglicina (5 molecole di peptide che fanno da ulteriore connessione a queste catene di peptidoglicano) infatti si chiama legame crociato di pentaglicina. Gli archea c’è uno pseudo peptidoglicano che differisce a livello molecolare.

La differenza quindi tra la parete cellulare dei GRAM + e quella dei GRAM – è che è diverso il tipo di legame che unisce le catene di amminoacidi: in uno è dato da queste catene di cinque glicine e nell’altro è diretto. All’interno della parete cellulare dei GRAM +, oltre alla membrana plasmatica, allo spazio periplasmico e al peptidoglicano, troviamo delle molecole di acidi teicoici e acidi lipoteicoici (legati ai lipidi della membrana) che danno ulteriori proprietà e conferiscono alla parete quelle caratteristiche che li rendono più virulenti, es. sono gli antigeni (quello che è estraneo alla nostra costituzione) più importanti dei batteri GRAM + e stimolano il sistema immunitario a reagine producendo anticorpi che attaccato l’antigene formando il complesso anticorpo-antigene e l’antigene viene neutralizzato. Avendo poi dei gruppo fosfati nella loro composizione, la loro parete ha una prevalente carica negativa ed è utile perché quando la cellula assorbe cationi, permette l’attrazione e l’entrata nella cellula.

La struttura dei GRAM – è invece differente. Ha la membrana plasmatica, lo spazio periplasmico e il peptidoglicano con la membrana liposaccaridica, che contiene delle proteine molto importanti: le porine (permettono il passaggio di piccole molecole idrofile dentro la cellula). Questo lipopolisaccaride (LPS) esterno o membrana esterna rappresenta la parte virulenta di questi batteri. Nei batteri patogeni si identifica con endotossina, è parte della parete. È costituito da: un lipide A che ha potere tossico e un nucleo polisaccaridico (antigene somatico O). Altra proteina presente nella parete è la lipoproteina di brown. Questa membrana esterna ha una carica negativa che contrasta la fagocitosi, ostacola la penetrazione di agenti tossici come il lisozima (tossica, naturale) e numerosi antibiotici es. la penicillina, e all’interno dello spazio periplasmico ci sono degli enzimi che effettuano attività di degradazione o che sono attivi a ricevere segnali dall’ambiente esterno (chemiorecettori).

Funzioni della parete cellulare: contribuisce alla forma della cellula. Essa all’interno ha molte sostanze e quindi una pressione osmotica più alta rispetto all’esterno quindi se non avesse protezione tenderebbe ad inglobare acqua.

• La parete rappresenta il meccanismo di conservazione della forma.
• Permette ai batteri di sopportare l’elevata pressione interna.
• Impedisce la lisi osmotica in ambiente IPOTONICO (pochi soluti), mentre se l’ambiente è ISOTONICO, il lisozima rompe la parete ma la cellula mantiene la sua forma globulare prendendo il nome di protoplasto. Se questo lo metto in ambiente ipotonico (più acqua) a quel punto si romperà.

Gli archea, sono procarioti, ma sono simili ai batteri ma oltre ad avere uno pseudo peptidoglicano, nella membrana plasmatica hanno un legame etere, anziché estere come nei batteri. La capsula è un’ulteriore struttura, che però è posseduta solo da alcuni batteri che secernono questi polisaccaridi (struttura detta glicocalice) a formare questa struttura che avvolge tutta la cellula. Se ben definito come strato viene chiamato CPS, se invece ha una consistenza vischiosa si chiama EPS, strato mucoso. Funzioni adesione alle superfici (favorita dalla capsula e grazie a ciò si va a creare il biofilm), protezione da fattori antimicrobici, dalla fagocitosi dei protozoi predatori e cellule del sistema immunitario, inoltre essendo uno strato viscido resiste maggiormente all’essiccamento. La cellula ha anche altre strutture es. appendici che sono i pili e le fimbrie, e sono dei piccoli filamenti di natura proteica che hanno lo scopo di far aderire il batterio alle superfici. I pili permettono il trasferimento di plasmidi tra due cellule. I flagelli sono organi di locomozione, servono alla cellula per muoversi. Anche questa è soggettiva di alcuni organismi. La principale costituente è la flagellina (proteina). Ha una struttura complessa. Ha un potere antigeno. Il cocco non li.