Microbiologia generale

Microbiologia generale

Indice

• 1. Introduzione ...................................................................................................... 4
• 1.2 Caratteristiche di un sistema/organismo vivente ................................................................... 5
• 1.3 Caratteristiche dei microrganismi ........................................................................................... 6
• 1.4 Cenni storici della microbiologia ............................................................................................. 7
• 1.5 Origine dei microrganismi ....................................................................................................... 9
• 1.6 Strutture delle cellule microbiche ......................................................................................... 10
• 2. La cellula microbica .......................................................................................... 12
• 3. Batteri .............................................................................................................. 14
• 3.1 Parete cellulare dei batteri gram positivi .............................................................................. 16
• 3.2 Parete cellulare dei batteri gram negativi ............................................................................. 17
• 3.3 Membrana citoplasmatica ..................................................................................................... 19
• 3.3.1 Trasporti di membrana ............................................................................................................................. 20
• 3.4 Interno della cellula batterica ................................................................................................ 22
• 3.5 Esterno della cellula batterica ............................................................................................... 23
• 3.6 Differenza tra cellule eucariote e cellule procariote ............................................................ 25
• 3.7 Endospore .............................................................................................................................. 26
• 4. Metabolismo cellulare ..................................................................................... 29
• 4.1 Classificazione dei microorganismi ........................................................................................ 30
• 4.2 Terreni di coltura ................................................................................................................... 31
• 4.3 Potenziali di ossidoriduzione e trasporto di elettroni ........................................................... 31
• 4.4 Vie di degradazione degli zuccheri ........................................................................................ 35
• 4.5 Respirazione ........................................................................................................................... 37
• 4.6 Fermentazione ....................................................................................................................... 39
• 4.6.1 Fermentazione alcolica ............................................................................................................................. 40
• 4.6.2 Fermentazione lattica ............................................................................................................................... 40
• 4.7 Metabolismo chemiorganotrofo, chemiolitotrofo e fototrofo ........................................... 41
• 5. Crescita microbica ............................................................................................ 43
• 5.1 Scissione binaria .................................................................................................................... 43
• 5.2 Sintesi del peptidoglicano ...................................................................................................... 44
• 5.3 Definizioni e parametri della crescita microbica ................................................................... 44
• 5.4 Fasi e relazioni della crescita microbica ................................................................................ 47
• 5.5 Effetti dei fattori ambientali sulla crescita microbica ........................................................... 50
• 6. Tassonomia dei microrganismi ......................................................................... 55
• 6.1 Concetto di specie ................................................................................................................. 56
• 7. Virus ................................................................................................................. 60
• 7.1 Ciclo litico .............................................................................................................................. 61
• 7.2 Ciclo lisogeno ........................................................................................................................ 61
• 7.3 Restrizione batterica e modificazioni virali ........................................................................... 62
• 8. Genetica e mutazioni ....................................................................................... 63
• 8.1 Mutazioni da errori nella replicazione del DNA .................................................................... 65
• 8.2 Mutazioni da mutageni chimici e fisici: mutagenesi ............................................................ 66
• 8.3 Trasposizione: elementi trasponibili ..................................................................................... 67
• 8.3.1 Mutagenesi per trasposizione ................................................................................................................... 68
• 8.4 Mutagenesi orizzontale ........................................................................................................ 69
• 8.4.1 Trasformazione .......................................................................................................................................... 69
• 8.4.2 Trasduzione ............................................................................................................................................... 69
• 8.4.3 Coniugazione ............................................................................................................................................. 70
• 8.4.4 Mutazioni adattive ..................................................................................................................................... 70
• 9. Tecniche di studio dei microrganismi ............................................................... 71
• 9.1 Osservazione dei microrganismi al microscopio .................................................................. 72
• 9.1.1 Microscopia ottica ..................................................................................................................................... 72
• 9.1.2 Altri tipi di microscopia ............................................................................................................................. 75
• 9.2 Isolamento dei microrganismi .............................................................................................. 76
• 9.3 Identificazione dei microrganismi ......................................................................................... 77
• 9.4 Determinazione quantitativa della crescita microbica ......................................................... 78
• 9.4.1 Conta totale ............................................................................................................................................... 78
• 9.4.2 Conta vitale ................................................................................................................................................ 78
• 9.4.3 Metodi indiretti ......................................................................................................................................... 78
• 9.5 Distruzione dei microrganismi .............................................................................................. 79
• 9.5 Analisi delle comunità microbiche tramite metodi molecolari ............................................ 81

1. Introduzione

La Microbiologia è la scienza che studia i microrganismi e la loro attività.

Ha per oggetto l’identificazione e lo studio della forma, della struttura, della fisiologia e del metabolismo dei microrganismi.

Comprende lo studio della loro distribuzione in natura (ecologia microbica).

Inoltre, studia le relazioni tra i microrganismi e gli altri esseri viventi, degli effetti benefici e dannosi che hanno sugli esseri umani, le piante e gli animali, delle modificazioni fisiche e chimiche che provocano nel loro ambiente.

La cellula dei microrganismi è uno strumento codificante ed è una macchina chimica.

Strumento codificante perché codifica l'informazione genetica necessaria per la sintesi delle proteine.

Inoltre, il codice genetico contenuto nel DNA può essere trasmesso alle generazioni successive attraverso il processo di replicazione del DNA.

Macchina chimica perché tutte le proteine prodotte tra cui enzimi catalizzano un sacco di reazioni e producono energia.

Queste due funzioni sono collegate ma molto ben distinte.

Nei microrganismi, anche quelli pluricellulari, ogni cellula è autosufficiente.

I microrganismi sono tutti quegli organismi che non riescono ad essere visualizzati ad occhio nudo; infatti, man mano che scendiamo in questa scala, abbiamo bisogno di strumentazioni più complesse, l’occhio umano arriva fino a 100 micron, il microscopio ottico arriva fino a 10 nanometri, mentre sotto i 10 nanometri dobbiamo utilizzare il microscopio elettronico.

I microrganismi vengono classificati come:

• Virus: sono un mondo a sé, non sono né cellule eucariote né cellule procariote.
• Batteri: sono cellule procariote.
• Funghi: sono cellule eucariote.
• Protozoi: organismi unicellulari eucarioti, più grandi dei virus e batteri, hanno delle bocce per nutrirsi.
• Microalghe sono piccolissime piante, unicellulari, fanno la fotosintesi.

Esistono due tipi differenti di cellule microbiche: procariote e eucariote.

La maggiore differenza tra le cellule di questi due gruppi di organismi sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all'interno di un nucleo circondato da membrana.

I virus invece sono particelle di dimensione microscopica “parassiti intracellulari obbligati”.

I microrganismi non si originano spontaneamente dalla materia, ma derivano da altri microrganismi.

Funghi, muffe, lieviti, protozoi e microalghe sono eucarioti. 4

1.2 Caratteristiche di un sistema/organismo vivente

• 1) Un organismo vivente ha un metabolismo, preleva delle molecole dall’ambiente, produce ciò di cui ha bisogno, e riammette nell’ambiente altre molecole.
• 2) Un organismo vivente è in grado di riprodursi, le molecole prelevate dall’ambiente consentono all’organismo di crescere talmente tanto da generare un altro organismo.
• 3) Un organismo vivente è in grado di differenziarsi, differenziano strutture con funzioni specifiche all’interno della cellula (es spore).
• 4) Un organismo vivente è in grado di comunicare con gli altri organismi, per gli organismi superiori è fatta di tante cose, per i microrganismi comunicano grazie allo scambio di molecole.
• 5) Gli organismi sono in grado di muoversi, più in particolare i microorganismi hanno delle strutture che consentono loro di spostarsi.
• 6) Un organismo vivente è in grado di evolversi, cioè acquisiscono delle nuove funzionalità.

Classificazione degli organismi viventi 5

1.3 Caratteristiche dei microrganismi

Unità di misura e rapporto superficie/volume

L’unità di misura per i microrganismi è µm (micrometro).

La dimensione di questi microorganismi è molto importante, più in particolare ci interessa il rapporto tra superficie e volume; infatti, più piccola è la sfera maggiore sarà il rapporto tra superfice e volume; quindi, maggiore sarà la superficie esposta rispetto alla dimensione (pensa alle botti di vino).

Quindi più piccola è la cellula maggiori saranno le velocità di interazioni e gli scambi con l’ambiente.

I procarioti sono cellule molto piccole rispetto agli eucarioti e le loro ridotte dimensioni sono responsabili di numerose proprietà biologiche.

La velocità con cui le sostanze nutritive e i prodotti di scarto entrano ed escono dalla cellula è generalmente inversamente proporzionale alle dimensioni della cellula.

La velocità di trasporto è funzione della superficie di membrana disponibile rispetto al volume: le cellule più piccole hanno una maggiore superficie disponibile rispetto a quelle grandi.

I procarioti riescono a crescere più velocemente e a duplicare il materiale genetico perché sono più piccole e perché hanno meno materiale genetico degli eucarioti.

Vediamo le dimensioni di alcuni organismi e virus:

Vediamo come questi batteri hanno dimensioni e forme molto diverse.

A parità di nutrienti un bovino di 500 Kg in 24 ore sintetizza circa 0,5 Kg di proteine, mentre nello stesso tempo 500 Kg di cellule di lievito possono produrre 50.000 Kg di proteine.

Flessibilità metabolica-fisiologica

Un'altra caratteristica dei microorganismi è la loro flessibilità metabolica e fisiologica.

Nelle piante e negli animali la dotazione degli enzimi è relativamente rigida, mentre nei microrganismi la flessibilità metabolica è maggiore.

Infatti, generalmente è sufficiente un grammo di terra di giardino per trovare un batterio o dei microorganismi capaci di utilizzare una sostanza naturale qualsiasi.

Nell’ambito dei microrganismi c’è una biodiversità molto ampia, inoltre riescono a modificare velocemente il loro metabolismo.

I microrganismi sono molto adattivi, possono attivare-disattivare vie metaboliche e riescono ad acquisire nuove competenze da chi li sta intorno, questo consente loro di avere una flessibilità metabolica e fisiologica molto accentuata, ecco perché i microorganismi sono ovunque anche dove non ci sono organismi superiori.

Diffusione dei microrganismi

Batteri e cianobatteri sono cosmopoliti: si ritrovano in ambienti artici, in tutti gli ambienti acquatici, in strati relativamente alti dell'atmosfera etc.

"I microrganismi sono presenti dappertutto solo l'ambiente decide quale tipo riuscirà ad affermarsi" 6

1.4 Cenni storici della microbiologia

A causa delle loro dimensioni estremamente ridotte, l’esistenza dei microrganismi è stata ignorata per diversi anni.

All’inizio Aristotele (384-322 a.C.) pensava che gli animali potessero originarsi spontaneamente dalle piante e dal terreno, inoltre gli organismi venivano suddivisi in due regni, animale e vegetale.

Si pensava perciò che gli organismi viventi potessero generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione: generazione spontanea o biogenesi.

Successivamente Francesco Redi (1626-1697) negò la teoria della biogenesi, conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione.

Con il suo esperimento dimostrò come la teoria di Aristotele non fosse corretta.

Con la teoria D (garza contaminata) ha generato degli organismi, comprese l’esistenza di qualcosa che generava la vita che non riuscivamo a vedere a occhio nudo, i microrganismi.

Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) nel 1676 scoprì gli “animalcules” grazie al suo microscopio.

Con l’ausilio di alcune palline di vetro introdusse il primo microscopio, iniziò a disegnare i primi animaletti che osservava, quest’ultimi erano dei veri e propri batteri.

Successivamente Hooke creò un microscopio composto, che consentiva di osservare i “corpi minuti” quelli che erano prima gli “animaletti”.

Dopo all’incirca 100 anni Louis Pasteur (1822-1895) introdusse l’uso dei recipienti con collo di cigno.

Louis Pasteur è il padre della biologia classica e iniziò tutto con un esperimento.

Prese una fiasca, la riempì con un brodo, il collo della fiasca venne “coperto” a collo di cigno, questo si è fatto per rendere più difficile lo scambio tra l’atmosfera esterna e l’interno del contenitore.

Successivamente si sterilizzò il brodo, e il vapore uscì passando attraverso il collo.

Lasciando il brodo fermo 24h, l’aria entrò nel tubo, ma non riuscì ad arrivare dentro la fiasca grazie alla salita del tubo; quindi, il brodo non subì cambiamenti.

Mettendo invece a contatto l’aria presente nel collo di cigno con il liquido, si osservarono dei cambiamenti del brodo.

Quindi questi microorganismi esistono, e se entrano in contatto con un substrato lo modificano. 7

Un altro scienziato di nome Robert Koch aprì un mondo sul lato della medicina, si chiese se questi microrganismi fossero collegati con le malattie di quel tempo e scrisse 4 postulati che permettevano di capire se quella malattia era causata da microorganismi patogeni.

• 1. Organismo presente in animali malati;
• 2. Organismo deve crescere in coltura pura;
• 3. Cellule da coltura pura devono indurre malattia;
• 4. Organismo isolato da animale malato deve essere identico al primo.

Quindi si seleziona un animale con una possibile patologia, si preleva un campione di sangue, coltiviamo il possibile agente patogeno, lo si immette in una cultura pura, se muore anche quest’ultimo allora la causa della malattia era un microrganismo patogeno.

Questi postulati sono importanti storicamente e metodologicamente, ma non sono universalmente applicabili, in quanto presentano 2 problemi: non tutti i patogeni sono coltivabili, inoltre non tutti i patogeni attivano la loro patogenicità, questo dipende dai geni.

Oggi si parla di determinanti di patogenicità e virulenza (ad es. geni), infatti la microbiologia moderna si è staccata dai postulati quindi dalla coltivazione (in laboratorio o in cultura pura), perché non è vero che tutti i microrganismi sono coltivabili in laboratorio; infatti, alcuni hanno bisogno della coltura pura con delle caratteristiche che in laboratorio non si riescono a coltivare.

Inoltre, i patogeni possono essere attivati o non attivati, questo complica molto le cose.

Quindi si va a cercare tutti i determinanti e i fattori che fa