Microbiologia generale

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.
• Fisiologia.
• Identificazione.
• Rapporti con altri organismi viventi.

Scienza applicata perché:

Scienza di base perché medico-clinico: malattie infettive i microrganismi condividono con gli dipendono dai microrganismi organismi pluricellulari superiori molte settore agricolo: fertilizzazione dei proprietà biochimiche e possono essere terreni grazie a microrganismi studiati facilmente in laboratorio poiché industriale-biotecnologico: quando messi in coltura crescono ad alta produzione di antibiotici e alimenti densità ed in breve tempo fermentati.

Utilizzando un microscopio di sua invenzione, scopre l'esistenza dei Antonie van Leeuwenhoek batteri.

Dimostra che i microrganismi sono incapaci di generarsi spontaneamente in un Louise Pasteur 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 perfeziona 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.

Il microrganismo deve essere presente costantemente negli individui malati, ed assente in quelli sani; deve essere possibile isolarlo e coltivarlo in colture artificiali; re inoculato in un organismo sano deve riprodurre la malattia iniziale; deve essere possibile isolare.

Carlo Linneo 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 scopre la penicillina, un microrganismo con azione antibiotica.

Sviluppo della microbiologia nel XX secolo

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

Microbiologia di base

Fisiologia microbica: studio del funzionamento della cellula microbica.

Genetica microbica: studia la genetica dei microrganismi.

Microbiologia evoluzionistica: studia l'evoluzione dei microrganismi.

Microbiologia applicata

Medica: scoperta dei principali patogeni umani.

Agraria: conoscenza dei processi microbici del suolo.

Industriale: i batteri possono essere impiegati come macchine per produrre qualcosa.

Microrganismi e regni

Microrganismi: Protozoi, Virus, Batteri, Alghe, Funghi. I virus non appartengono a nessun regno.

Regni: Animali, Funghi, Piante, Protisti, Monera.

Eucarioti, dominio: Animali, Funghi, Piante, Protisti.

Procarioti, dominio: Archea, batteri che vivono in condizioni estreme; Batteri.

Protozoi

I protozoi sono organismi eucariotici unicellulari, sono considerate le prime forme animali apparse sulla Terra, possono esistere anche come individui singoli o associazioni coloniali.

Sono eterotrofi, ovvero hanno bisogno di materiale organico, prodotto dagli autotrofi, che loro assemblano in macromolecole.

Si riproducono per via agamica. Nei protozoi la più tipica è la scissione binaria, consiste nella divisione cellulare della pianta madre, che genera una pianta figlia con le stesse identiche caratteristiche genetiche.

Convertono materiale inorganico, CO₂, in organico, zuccheri, nel ciclo di Calvin.

Sono organismi fototrofi che fanno la fotosintesi, quindi l’energia deriva dalla luce, diversamente dagli organismi chemiotrofi che producono energia dai composti chimici ossidandoli e questi possono essere di natura organica, zuccheri, lipidi e proteine, o inorganica, idrogeno.

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 M.O 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: chemioautotrofi o chemiolitotrofi, microorganismi che ossidano a partire da un composto inorganico, idrogenobatteri; chemioeterotrofi o chemiorganotrofi sono quelli che producono energia ossidando materiale organico; idrogeno batteri: ossidano H2 per produrre energia.

Tipi di riproduzione

Il processo di riproduzione è caratteristico di ogni M.O:

• Batteri si riproducono per scissione binaria.
• Lieviti si riproducono attraverso gemmazione.

Alghe

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, non prevede che ci sia condivisione del materiale genetico, diversa dalla produzione gamica in cui si ha la fusione del materiale genetico.

Lieviti e muffe

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.

Quindi crescono bene in presenza di materiali in decomposizione. Sono saprofite. Hanno possibilità di sintetizzare tanti enzimi in grado di degradare materia 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 o dalla sostanza inorganica. Alcuni sono chemiorganotrofi, chemiolitotrofi, 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 quindi sono acellulari, sono parassiti che perché non hanno una cellula per replicarsi hanno bisogno di cellula ospite.

• Cellula eucariotica.
• Cellula procariotica.
• Cellula vegetale.

In questo caso i virus sono chiamati batteriofagi.

Sono fatti da proteine e materiale genetico, DNA o RNA, racchiuso in un involucro proteico, capside, 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 presente nell’ambiente.

Caratteristiche microrganismi

Tutti gli M.O 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:

• Chemiotassi: movimento indotto da un gradiente chimico.
• Fototassi: movimento indotto dalla luce.

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 ad un processo di ricombinazione.

Procarioti: cellule

Batteri; Archea.

Compartimentazione: sono di piccole dimensioni, con una struttura cellulare semplice.

Nucleoide: non hanno nucleo ma nucleoide che è zona dispersa nel citoplasma dove è aggrovigliato DNA ma è privo di membrana.

Assenza di organuli: gli unici organuli presenti nel citoplasma sono i ribosomi.

Presenza di parete cellulare.

Riproduzione: asessuata o agamica.

4 macromolecole che li compongono: lipidi, proteine, amminoacidi e acidi nucleici.

Eucarioti

Protozoi; Funghi; Lieviti; Muffe.

Compartimentazione: sono molto più complessi e grandi.

Nucleo: all’interno del quale è contenuto il DNA racchiuso da una membrana nucleare che lo separa dal citoplasma.

Organuli: interni, mitocondri, ribosomi, e complessi di membrana, apparato di Golgi, reticolo endoplasmatico.

Assenza parete cellulare.

Riproduzione: asessuata e sessuata.

Nei batteri la parete cellulare è fatta da peptidoglicani con pectine e zuccheri, le piccole dimensioni dei batteri presenta 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 dei nutrienti che deve entrare nel citoplasma dall’esterno e altri che li degradano per produrre energia.
• Diffusione facilitata dei M.O 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 assumo un nome diverso:

• Cocchi, forma tonda.
• Bacilli, forma a bastoncino.
• Spirilli forma a spirale.

Composizione 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