Microbiologia

Microbiologia

• Storia della microbiologia
• Struttura e funzioni della cellula procariote
• Crescita e metabolismo microbici
• I metodi della microbiologia
• Habitat microbici e cicli biogeochimici
• Genetica microbica
• Cenni di virologia
• Interazione tra microrganismi e con altri organismi

Gli organismi microscopici vengono definiti sulla base della dimensione del loro organismo. Sono organismi unicellulari. Molti di questi possono avere un'organizzazione che prevede l'aggregazione di diverse cellule che hanno ruoli diversi, anche se non possono essere definiti pluricellulari.

Hanno una dimensione nell'ordine dei micrometri. I microrganismi esistono in tutti e tre i domini della vita: batteri, archea, eucarioti. Batteri e archea sono anche chiamati procarioti, in cui ci sono unicamente microrganismi.

Nel dominio degli eucarioti ci sono organismi unicellulari come funghi e alghe unicellulari. I microrganismi, specialmente quando formano colonie microbiche, si possono vedere ad occhio nudo ma non si ha la percezione cellulare.

Nel 1600 nasce la microbiologia, grazie allo sviluppo dei primi microscopi che permettono di individuare organismi piccoli nelle matrici ambientali, acqua e aria.

La microbiologia infatti è nata principalmente a scopi sanitari e si occupa anche di virus, non vere e proprie forme di vita, ma sono entità, parassiti intracellulari obbligati che vivono alle spese e unicamente in presenza di un ospite, ospite batterico o organismo eucariotico.

La microbiologia è importante anche perché è riuscita ad isolare ceppi microbici in coltura pura, grazie a Koch e Pasteur che hanno sviluppato le tecnologie necessarie per far crescere su un terreno solido colonie microbiche e poter quindi isolare i microrganismi dall'ambiente in cui vivono, o da organismi animali. Si usano piastre Petri per la coltura pura su terreni sintetici di crescita.

Koch ha stabilito 4 postulati, che stabilivano quando un determinato agente microbico/batterico poteva essere considerato l'agente eziologico, quindi l'agente biologico che causa una determinata malattia.

Oltre al microscopio e ai terreni di colture è importante anche possono essere studiati anche nell'ambiente, o in coltura pura, attraverso l'utilizzo di tecniche molecolari. Le tecniche molecolari permettono di andare a studiare le caratteristiche microbiche, il metabolismo microbico partendo dalle molecole che compongono la cellula. L'informazione genetica che ci dà sul metabolismo e le caratteristiche dei vari organismi è contenuta nel DNA, negli acidi nucleici, nell'RNA messaggero e ribosomale. Possono essere utili queste tecniche per studiare la diffusione nell'ambiente, naturale o industrializzato, in associazione con ospiti.

Queste tecniche molecolari possono essere utilizzate in due diverse circostanze:

• Su una coltura pura, un singolo organismo isolato in una piastra Petri, es in coltura liquida, e usiamo tecniche di sequenziamento per capire il suo genoma, e quindi gli enzimi e le proteine che può sintetizzare.
• Studio nelle comunità complesse presenti nell'ambiente, il DNA studiato è un DNA misto che presenta componenti che derivano da organismi diversi, DNA metagenomico. Di conseguenza lo studio di questi DNA di diverse origine ci permette di studiare comunità microbiche anche complesse.

All'aumentare del numero di microrganismi la microbiologia copre un arco di ambiti molto vasto che deve essere investigato con tecniche differenti. Vengono usate tecniche omiche, che raccolgono diversi dati.

Albero filogenetico

Albero filogenetico: distanza genetica equivale a una distanza evolutiva. Il dominio dei batteri è estremamente vasto. C'è una notevole distanza evolutiva fra i batteri e gli altri organismi, archea, eucarioti. Con filogenetica si intendono i rapporti evolutivi fra gli organismi. Tipo gli archea sono simili come struttura della cellula ai batteri perché entrambi fanno parte dei procarioti, ma evolutivamente sono più vicini agli eucarioti. Ci sono degli organismi che non si è ancora riusciti ad isolare in coltura pura, principalmente in un phylum, candidate phyla radiation, dei batteri. Quindi in questa zona dell'albero lo studio di questi batteri e del loro DNA è avvenuto non in coltura, ma nell'ambiente, senza essere isolati.

Inoltre, diversità evolutiva significa anche maggiore diversità metabolica, diversa capacità di sintetizzare enzimi e concatenare reazioni chimiche, catalizzate da questi enzimi, che gli hanno permesso di avere proprietà di biosintesi e di degradazione, di resistenza ad ambienti con condizioni estreme, che fa dei microrganismi il gruppo maggior distribuito nella biosfera.

I microrganismi hanno queste caratteristiche grazie alla loro:

• Capacità riproduttiva, es un miliardo di batteri in un gr di suolo, o circa un milione in un ml di acqua di mare. Quindi sono predominanti dal punto di vista numerico, non di biomassa.
• Capacità emergenti che derivano dai processi evolutivi, da una variazione a seguito della selezione naturale dell'abbondanza delle tipologie metaboliche e da un'evoluzione molecolare, quindi un accumularsi di variazioni nel genoma degli organismi che vengono amplificati grazie alla presenza di numerose generazioni in un arco temporale ristretto. La duplicazione avviene per divisione cellulare asessuata, ma usano dei meccanismi che permettono di scambiare il materiale genetico che permette lo svilupparsi di nuove capacità che vengono poi selezionate dall'ambiente.

Si può assumere che i primi organismi evolutisi sulla terra sono stati batteri. Quindi il tempo che hanno avuto per evolversi, per accumulare capacità è infinitamente più grande rispetto a quelli successivi. Capacità di adattarsi e di sfruttare le risorse. Infatti la lotta ai microrganismi, ai patogeni dell'influenza con gli antibiotici è contrastata dalla capacità dei batteri di sviluppare in maniera rapida l'effetto degli antibiotici.

La microbiologia attinge a diverse scienze, perché si basa su organismi biologici che vivono in ambienti molto diversi e con capacità molto diverse. Basi di genetica, chimica, ecologia, biologia. Quindi può essere divisa in sottodiscipline: virologia, ecologia microbica, genetica, microbiologia medica. Quindi la microbiologia è importante per lo studio di processi biologici universali.

I microrganismi hanno un ruolo fondamentale nell'ambiente, ad esempio nei cicli biogeochimici.

Lezione 5/03 storia della microbiologia

Solo dal 19esimo secolo si ha la possibilità di studiare i microrganismi in laboratorio: terreni sintetici, o naturali, di crescita.

Possiamo vedere i microrganismi in forma aggregata, ad esempio i corpi fruttiferi nei funghi, biofilm, colonie nei terreni ricchi, o la muffa, i batteri sui cibi.

L'uomo è riuscito a sfruttare le loro capacità metaboliche: panificazione, fermentazione, yogurt, formaggi. I microrganismi ci fanno ammalare: batteri e funghi, entità biologiche, o i virus, parassiti intracellulari, non forme di vita.

Prima rivoluzione tecnologica

1° Rivoluzione tecnologica: avvento del microscopio nel 17esimo secolo. Robert Hooke (1635-1703) nel 1665 pubblicò l'esatta descrizione di un microscopio con una sola lente e disegni di corpi fruttiferi di funghi. Già con Galileo si è visto la presenza di strumenti utilizzati per l'osservazione, telescopio.

Ma la nascita della microbiologia nasce con un commerciante di stoffe a Delft in Olanda, Antonj van Leeuwenhoek (1632-1723), che fu il primo a descrivere i batteri, lieviti e protozoi. Si era appassionato alla costruzione di microscopi che potevano raggiungere ingrandimenti di circa 50-300 volte. Nel 1676 descrisse e disegnò le cellule di alcuni “animalcules”, batteri e lieviti. Dopo queste iniziali scoperte l'esplorazione del mondo microbico si è arrestata per circa 100 anni.

Nel 1800 la rivoluzione continua. Ferdinand Cohn (1828-1898) studiò per primo le alghe unicellulari e il batterio Beggiatoa. Paul Ehrlich (1854-1915) sviluppa nel 1881 la “colorazione vitale” dei batteri con blu dimetilene. Nel 1884 Hans Christian Gram (1853-1938), medico e farmacologo danese, sviluppò un metodo di colorazione differenziale che da lui prese il nome di colorazione Gram.

Teoria della generazione spontanea

Il dibattito scientifico e filosofico sulla generazione spontanea è durato fino alla fine del XIX secolo. Da sostanza organica, es cibo, si vedevano nascere ed evolvere diversi organismi: larve di insetti, mosche, topi nelle grosse derrate alimentari. Quindi si pensava che questo processo riguardasse una trasformazione spontanea della sostanza inanimata a sostanza animata. La sua confutazione ha richiesto lo sviluppo della teoria cellulare, gli organismi si basano su un'unità fondamentale, che è la cellula, che viene ripetuta nel caso degli organismi pluricellulari, e della biogenesi.

Teoria della generazione spontanea: il medico Francesco Redi nel 1668 fece uno dei primi tentativi di confutazione di questa teoria.

Esperimento A: pezzo di carne in un contenitore aperto: arrivano mosche e larve.

Esperimento B: se mettiamo sopra un pezzo di carta, per un po' di tempo non vediamo la presenza di mosche e larve. Lo proteggiamo da qualcosa di esterno. Questa è già una confutazione che la vita non deriva dalla carne.

Esperimento C e D: il contenitore viene coperto da una garza, che fa passare l'aria, ma non permette il passaggio di particelle grossolane, mosche o altri corpi di dimensioni superiori. E si comporta come l'esperimento B. Quindi il fattore arriva da fuori. Ciò si può provare prendendo la garza usata nell'esperimento C e lo mettiamo sulla carne in un barattolo sigillato. Si sviluppano mosche perché era la garza contaminata, nonostante il barattolo fosse sigillato.

Redi conclude che quando si ha una generazione di mosche e di larve non derivano dalla carne, non sono dovute all'aria, ma alla presenza di organismi esterni che in qualche modo seminano la vita, anche quando la carne viene richiusa in un contenitore ermetico.

Un'altra teoria diceva che certe soluzioni liquide nel tempo andavano incontro ad un certo intorbidimento, dovuto alla presenza di microrganismi in queste soluzioni ricche di nutrienti. E in questo caso il dubbio della generazione spontanea si mantiene. La confutazione successiva deriva da due scienziati, Spallanzani e Pasteur.

L'esperimento di Spallanzani consiste in un brodo che in assenza di trattamento termico sviluppa come atteso una torbidità. Questo avviene sia in un contenitore aperto all'aria che in uno successivamente chiuso. Questo non confuta la teoria, della generazione spontanea, perché anche in un contenitore chiuso ci sono microrganismi.

Allora Spallanzani tratta il brodo termicamente e divide il brodo in una aperta e una chiusa. L'intorbidimento avviene solo nella beuta aperta, nella maggior parte dei casi. Alcuni organismi sporigeni resistono al calore. In un certo senso comunque Spallanzani confuta la generazione spontanea, anche dei microrganismi. L'obiezione fu che la bollitura distruggeva anche la “forza vitale”, e una volta chiuso il contenitore non può arrivare dall'aria. Un secolo dopo Louis Pasteur confutò definitivamente la teoria della generazione spontanea.

Esperimento: usa una fiasca in cui viene versato del brodo non sterile, la differenza è che la fiasca viene modificata e si forma un collo a forma di collo di cigno che avendo una curvatura verso il basso permette all'aria di entrare nella fiasca, ma fa depositare il materiale pulviscolari. Per prima cosa Pasteur sterilizza con il calore il collo della fiasca ed il liquido. Crea condizioni sterili. Se si lascia questa fiasca, nonostante ci sia libero accesso all'aria, questa fiasca non mostra torbidità.

Ciò è diverso da quello che era successo nell'esperimento di Spallanzani, dove il liquido era stato sterilizzato, ma lasciandolo all'aperto entrava particolato e portava a torbidità. Nel caso di Pasteur, se dopo un po' di tempo la fiasca viene inclinata e una parte del liquido entra in contatto con il materiale depositato sull'ansa, e poi la fiasca viene raddrizzata, dopo poco tempo si sviluppano dei microrganismi e la sostanza va in putrefazione.

Ciò confuta la teoria della generazione spontanea, perché in teoria questa forza vitale era presente nell'aria, allora poteva entrare in contatto con la soluzione sterilizzata. Ma anche se ciò è avvenuto, questo non ha portato allo sviluppo della crescita microbica. Il fatto che avvenga solo a contatto fra liquido e materiale viene interpretato con la presenza di microrganismi all'interno di questo materiale.

Grazie a questa confutazione si afferma anche la teoria cellulare e la teoria della biogenesi, che postula che ogni cellula deriva da un'altra cellula, ogni organismo vivente è generato da un altro organismo vivente. Questa teoria si sviluppa in concomitanza delle teorie evolutive di Lamarck e Darwin. Ma manca un correlazione con una teoria sull'origine della vita.

Sviluppo delle tecniche di base

Sviluppo delle tecniche di base: Robert Koch (1843-1910) sviluppò un metodo per coltivare i microrganismi su terreno solido attraverso l'uso di gelatina o l'uso di fette di patata sulla cui superficie potevano crescere microrganismi formando delle specie di colonie. Walter Hesse, introdusse l'uso dell'agar come agente solidificante per i terreni di crescita. Julius Petri, nel 1887 introdusse l'uso di scatole di vetro, le capsule, piastre, di Petri. Ciò permette l'isolamento dei microrganismi in coltura pura.

Una colonia microbica è un clonale di cellule che si sono generate da un'unica cellula. Le colonie possono essere molto diverse fra di loro, per colore, forma, grandezza, bordi più o meno frastagliate, alcune più lucide; hanno strutture di aggregazione cellulare molto diverse, hanno una morfologia di colonia molto diversa. Se una colonia è separata dalle altre si può assumere che è una coltura pura. La capacità di separare organismi in contenitori differenti è stata molto importante per studiarli.

Malattie infettive

Malattie infettive: era uno degli aspetti più rilevanti di quel tempo. Patogenicità: proprietà di alcuni organismi di causare malattie in ospiti. Ciò era già stato postulato nel 1550, che la trasmissione della malattia potesse essere a distanza, cioè che ci potesse essere un trasferimento della malattia tra organismi non a contatto. Quindi esisteva un mezzo che metteva in contatto i due organismi. Dopo essere stati individuati, si cominciò a studiare se quei batteri, i funghi potessero essere degli agenti patogeni. La teoria microbica delle malattie è dovuta al lavoro di Robert Koch e Luis Pasteur.

Koch isolò per la prima volta un microrganismo causa di malattia e dimostrò che Bacillus anthracis è l'agente eziologico del carbonchio, antrace. Koch isolò Mycobacterium tubercolosis e il vibrione del colera. Sviluppò i criteri generali/sperimentali per definire se un determinato agente biologico è causa di una malattia, postulati di Koch, possibile domanda.

4 postulati

4 Postulati: nella teoria dovevano essere tutti verificati per determinare se un agente microbico era l'agente patogenico/eziologico di una malattia.

• Il sospetto patogeno deve ritrovarsi in tutti i casi di malattia ed essere assente negli animali sani. Riconoscimento attraverso microscopia, colorazione.
• Il sospetto patogeno deve poter crescere in coltura pura. Si doveva poterlo far crescere in coltura pura.
• Le cellule provenienti da una coltura pura del sospetto patogeno devono introdurre la malattia in animali sani. Cavie.
• Il sospetto patogeno deve poter essere nuovamente isolato e se ne deve poter dimostrare l'identità con l'originale. Questo doveva dare secondo Koch la certezza che quel determinato agente patogeno fosse effettivamente quello responsabile di quella determinata malattia. Nuovo isolamento in laboratorio e coltura.

Adesso le cose non sono poi così tanto lineari, anche se sicuramente se i 4 postulati sono rispettati allora l'agente patogeno è considerato l'agente eziologico di quella malattia. Ora sappiamo che alcuni organismi patogeni possono essere presenti anche in soggetti sani e possono svilupparsi successivamente. Non tutti gli organismi sono coltivabili, quindi può esistere l'agente patogeno ma non lo possiamo coltivare, postulato 2. Dipende anche dalla risposta immunitaria del soggetto, quindi l'esposizione non per forza implica uno sviluppo della malattia.

Ora questi postulati tendono essere trasferiti anche nell'ambito molecolare, con l'obiettivo di definire il gene, e quindi il determinante genetico della patogenicità e della virulenza all'interno degli organismi. In questo caso non parliamo di un organismo, di un batterio, ma dei determinanti genetici che presenti in un microrganismo specifico ne conferiscono patogenicità. Questo deriva dal fatto che non sempre la tassonomia microbica è così semplice; ci possono essere organismi simili che possiamo attribuire allo stesso genere o specie, qualche individuo può essere patogeno, un altro no, dipende dai geni.

Postulati di Koch molecolari

Postulati di Koch molecolari:

• Per determinare se un determinato gene conferisce patogenicità questo gene deve essere presente in tutti gli organismi patogeni. Se il ceppo microbico conferisce malattia e attribuiamo a quel determinante genetico la malattia, allora quel determinante genetico deve essere presente nella specie patogena, e assenta in quella non patogena, es sigella virulento, escherichia coli no.
• Se inattiviamo il gene implicato questo deve portare alla diminuzione misurabile della patogenicità o virulenza.
• La complementazione o reversione della mutazione deve ripristinare