Microbiologia

Microbiologia

La Microbiologia è la scienza della vita macroscopica, che studia cioè i microrganismi.

• Di base, si focalizza su determinati gruppi di microrganismi, processi, patologie mediche.
• Applicata, può essere medica, industriale, ambientale.

Microrganismi

I microrganismi:

• Sono organismi piccoli, invisibili ad occhio nudo.
• Hanno scelto la vita unicellulare o subcellulare.
• Sono un gruppo molto eterogeneo, formato da gruppi tassonomici diversi (Miceti, Alghe, Protozoi, Batteri,...).
• Spaziano tra le cellule eucariotiche (animali, piante,...) e procariotiche (le più studiate in Microbiologia).
• Sono un gruppo largamente rappresentato in Natura (circa l'80% delle cellule viventi).

La diversità microbica

Tutti i batteri sono microrganismi, ma non tutti i microrganismi sono batteri.

I Batteri sono il principale oggetto di studio della Microbiologia: sono organismi procarioti, tanti e diversi tra loro, presenti in ogni ambiente esistente in Natura (→ nel corpo umano, il numero di cellule batteriche è maggiore di quello delle cellule umane!).

I Batteri sono gli esseri viventi più antichi esistenti: hanno colonizzato tutti gli ambienti esistenti, anche quelli più estremi (fondali e abissi marini, laghi ipersalini, sorgenti termali, ghiacciai,...), e svolgono un ruolo fondamentale in ogni ecosistema. Non esiste organismo che non viva in associazione al suo microbiota (= associazioni di batteri): il microbiota che vive in un organismo ospite svolge un ruolo vitale ed essenziale per quest'ultimo, ottenendo in cambio ospitalità.

Negli alimenti, la diversità batterica è positiva (ma anche negativa in altri casi), perché utile a processi alimentari fondamentali per determinati alimenti.

Quanti sono i Batteri sulla Terra? Sono circa 415-640 x 10²⁸, una “maggioranza silenziosa”.

Inizialmente, l'interesse verso i microrganismi era limitato, in quanto erano praticamente invisibili all'uomo, e non associato alle malattie.

Successivamente comincia ad essere circoscritto agli organismi patogeni e del suolo. I Batteri però, nella maggior parte dei casi, non sono organismi patogeni (= pericolosi, “germi”); la Microbiologia è una scienza recente, che ha cercato di dare allo studio dei microrganismi un'applicazione funzionale sul piano biologico.

Attualmente, infatti, l'interesse verso tali forme di vita è molto più elevato rispetto al passato: attraverso la scoperta degli antibiotici e la scoperta di nuove forme batteriche innocue, si è arrivati alla conclusione che molti di loro sono addirittura utili, in quanto fanno parte di determinati ecosistemi, e ne guidano il funzionamento. La conseguenza dell'uso degli antibiotici ha favorito la diffusione dei batteri antibiotico-resistenti.

La storia

Lo studio dei Batteri inizia alla fine del '600, per poi prendere largo dopo la seconda metà dell'800, in cui nasce la Grande Microbiologia, precursore della Biologia Molecolare: c'è stato un evidente miglioramento dello studio:

• Coltivazione dei batteri.
• Focalizzazione sugli esseri viventi.
• Focalizzazione sul genoma.

Pasteur ingegna il primo metodo per far crescere i Batteri, e quindi confutare la Teoria della Generazione Spontanea (è una confutazione illuministica): il brodo, ossia un liquido che, tenuto a temperatura ambiente in un recipiente aperto a contatto con l'aria, diventa torbido, quindi contiene in sé vita. Nel fare una serie di esperimenti in merito, Pasteur dimostra come l'aria sia piena di forme di vita, vale a dire microrganismi!

Gli studi di Pasteur hanno gettato le basi per l'introduzione dei vaccini.

Koch: ottenimento della coltura pura. Egli ha permesso di far diventare solido il brodo liquido, cioè di intrappolarlo all'interno di piastre in cui i batteri possono crescere sotto forma di piccole colonne. La differenza di crescita tra un terreno liquido e un terreno solido è un asse portante della Microbiologia: nel brodo liquido i Batteri sono diffusi e indistinguibili, in sospensione, mentre in quello solido crescono rimanendo visibili ad occhio nudo, e addossandosi l'uno all'altro, formando vere e proprie colonie batteriche.

I postulati di Koch hanno quindi permesso di associare alle malattie una causa istologica:

• L'organismo sospetto patogeno deve ritrovarsi in tutti i casi di malattia ed essere assente in animali sani.
• L'organismo sospetto deve poter crescere come coltura pura.
• Le cellule da una coltura pura dell'organismo sospetto devono indurre malattia in animali sani (la coltura pura è ottenuta su piastra, con una sola specie).
• L'organismo deve poter essere nuovamente isolato, e se ne deve poter dimostrare l'identità con l'originale.

La cellula batterica: concetti di base

La cellula

La cellula è l'unità morfo-funzionale, cioè di forma e di funzione, degli organismi viventi. È quindi la più piccola struttura ad essere classificabile come 'vivente'. La cellula è:

• Una macchina cellulare, cioè un insieme di strutture e di funzioni.
• Un veicolo di informazioni in grado di trasmettere alla propria progenie, e di sfruttare per regolare il funzionamento della propria macchina cellulare.

Caratteristiche fondamentali della vita cellulare

Metabolismo: è il primo carattere che contraddistingue un essere vivente: è l'assorbimento di sostanze chimiche dall'ambiente, la loro trasformazione nella cellula, e l'eliminazione degli scarti nell'ambiente stesso, attraverso le reazioni chimiche; la cellula è quindi un sistema aperto.

I Batteri sono morfologicamente simili tra loro: ciò che li differenzia sono le tipologie di metabolismo (mentre gli organismi pluricellulari si differenziano sulla base dell'organizzazione in tessuti diversi).

Riproduzione: le sostanze chimiche provenienti dall'ambiente sono trasformate in nuove cellule, sotto il controllo di cellule preesistenti.

La capacità di riprodursi è conseguenza diretta del metabolismo (molti batteri possono smettere di riprodursi, ma non di fare metabolismo).

Differenziazione: è la formazione di nuove strutture cellulari (tessuti), quali le spore, a partire da un'unica cellula e spesso come parte di un circolo vitale cellulare.

Comunicazione: le cellule comunicano o interagiscono attraverso segnali chimici e sostanze che vengono rilasciate o assorbite.

I Batteri sono in grado di comunicare tra loro (stesse o diverse specie) e assumono strutture ('biofili') simili ai tessuti degli organismi pluricellulari.

Movimento: gli organismi viventi sono spesso capaci di muoversi autonomamente.

Evoluzione: le cellule evolvono per esprimere nuove proprietà biologiche, sotto la pressione ambientale; gli alberi filogenetici mostrano le relazioni evoluzionistiche tra le cellule.

L'evoluzione modifica le informazioni, cercando sempre di ottenere strutture e funzioni migliori: porta quindi ad un organismo più adatto a vivere in un determinato ambiente. I Batteri hanno meccanismi evolutivi diversi rispetto agli Eucarioti, a causa di una riproduzione asessuata e di una semplicità maggiore.

A differenza dei macrorganismi, che agiscono sulla base del singolo essere vivente, i microrganismi non contano in quanto individui, ma come popolazione.

La cellula procariotica ed eucariotica

• Dimensioni: la cellula eucariotica (2-20 µm) è molto più grande della cellula procariotica (0.5-10 µm), per un motivo principalmente evoluzionistico.
• Struttura genetica: la cellula procariotica è molto più semplice strutturalmente della cellula eucariotica: ha un solo cromosoma (o più identici), non possiede gameti e membrana nucleare, e non svolge la Mitosi; manca infatti del Nucleo. Nonostante ciò, la maggior parte delle funzioni svolte dagli eucarioti sono allo stesso modo svolte anche dai procarioti, seppur (a volte) in maniera diversa. Il Nucleo degli eucarioti è una zona del citoplasma delimitata da membrana e contenente il genoma: nei procarioti il genoma batterico è sparso all'interno del citoplasma, nella zona del nucleoide.
• Struttura citoplasmatica: nella cellula eucariotica, gran parte degli organelli citoplasmatici sono delimitati da membrane; nei procarioti invece, manca una compartimentazione del citoplasma. Mancano inoltre Mitocondri (organelli fatti di membrane e fondamentali per la Respirazione Cellulare), Lisosomi, Apparato di Golgi, Reticolo Endoplasmatico, e tanti altri organelli...

Il genoma eucariotico e quello procariotico sono diversi nella loro organizzazione: la molecola (DNA) è la stessa identica in entrambi i casi ma, mentre gli eucarioti sono diploidi (= due cromosomi), i batteri sono aploidi, vale a dire hanno un solo cromosoma presente in singola copia.

Il genoma batterico è composto dal cromosoma (costituito dalla molecola di DNA circolare), e dai plasmidi, che portano l'informazione genetica.

DNA ► CROMOSOMA ► GENOMA

La cellula procariotica, come tutte le altre cellule eucariotiche, è avvolta da una Membrana Citoplasmatica, essenziale per il metabolismo (i Virus non hanno membrana perché, non essendo esseri viventi, non svolgono alcun metabolismo): permette infatti di assorbire nutrienti dall'ambiente circostante e di regolare molti aspetti dei processi metabolici.

I Procarioti presentano però, in aggiunta agli Eucarioti, un altro involucro esterno molto rigido: la Parete Batterica. Essa è legata alla vita unicellulare, dato che permette ai Batteri di sopravvivere; così come l'organizzazione in tessuti negli organismi superiori rende possibile alle singole cellule di sopravvivere agli stress esterni!

Chi sono i microrganismi?

Gli esseri viventi sono divisi in:

• Eucarioti:
  • Funghi.
  • Protisti (Muffe, Alghe, Protozoi).
• Procarioti:
  • Archaea.
  • Bacteria.

Biodiversità e tassonomia

Dal punto di vista tassonomico, il termine 'Batteri' non è sinonimo di 'Procarioti': tutti i batteri sono Procarioti, ma non tutti i Procarioti sono Batteri!

Lo studio della Biodiversità si basa sul riconoscimento delle diverse specie di microrganismi presenti in un dato habitat.

• La Tassonomia (o sistematica) è la scienza che si occupa della classificazione, della nomenclatura e dell’identificazione degli esseri viventi.
• La Filogenesi è l’insieme delle relazioni evolutive tra organismi viventi.

La moderna sistematica microbica si basa sulla Filogenesi: mentre per piante e animali è facile individuare la specie (ossia l'insieme degli organismi che condividono caratteristiche simili e che sono tra loro interfecondi, possiedono un genoma simile) per i Batteri è invece importante conoscere la Filogenesi (dato che non si possono osservare le caratteristiche di interfecondità). Le caratteristiche fenotipiche su cui si basa la Filogenesi non sono dunque di carattere morfologico, bensì metabolico (caratteristiche difficili da osservare, anche in maniera artificiale).

La classificazione e le categorie tassonomiche

La classificazione consiste nell’ordinamento degli organismi in gruppi gerarchici (taxa). La classificazione sulla base di reciproche similarità nei caratteri fenotipici (classificazione fenetica) o sulle relazioni evolutive (classificazione filogenetica).

La nomenclatura assegna un nome a ciascun taxon in cui è classificato un organismo e questo viene chiamato con il sistema binomiale (epiteto generico e specifico).

L’identificazione di un organismo isolato in laboratorio consiste nel riconoscimento di questo in un taxon conosciuto.

Classificazione fenetica e classificazione filogenetica

Per capire la tassonomia microbica è importante definire il concetto di specie: un insieme di microrganismi che mostrano un alto grado di similarità rispetto a diverse caratteristiche fenotipiche indipendenti e discriminanti e che possiedono un genoma simile.

La classificazione e l’identificazione dei microrganismi si può basare:

• Sulle reciproche similarità nei caratteri fenotipici (classificazione fenetica): è il sistema di classificazione tradizionale che raggruppa i microrganismi sulla base di diversi caratteri osservabili e misurabili (caratteri morfologici, fisiologici, biochimici, ecologici e genetici).
• Sulle relazioni evolutive (classificazione filogenetica): è il sistema di classificazione moderno che si fonda su studi di evoluzione molecolare ed in particolare sul confronto tra sequenze geniche (orologi molecolari o evolutivi).

Biodiversità e classificazione scientifica

Linneo introduce la Sistematica: scienza che classifica gli esseri viventi sulla base della somiglianza tra i loro genomi; la classificazione filogenetica è basata sulle relazioni evolutive tra i vari organismi. La sistematica filogenetica classifica gli esseri viventi sulla base delle correlazioni evolutive tra organismi.

Non si parla più allora di 5 Regni Animali (Batteri, Protisti, Piante, Animali e Funghi), bensì di 3 Domini:

• Bacteria.
• Archaea.
• Eukarya.

Sono 3 distinte linee evolutive che derivano da un comune antenato ancestrale (LUCA = Last Unknown Common Ancestor), e che insieme formano l'Albero Filogenetico della Vita, la cui lunghezza dei rami è proporzionale alla differenza dei genomi, frutto del tempo che passa.

Procarioti ed Eucarioti hanno quindi genomi diversi!

Come sono fatti i microrganismi?

Basi chimiche per lo studio della cellula batterica

• Elementi, molecole, legami chimici e gruppi funzionali.
• Macromolecole non informazionali.
• Macromolecole informazionali.

Elementi chimici e molecole

Gli atomi dei vari elementi si uniscono grazie a legami chimici a formare molecole.

• Idrogeno - H.
• Ossigeno - O.
• Carbonio - C.
• Azoto - N.
• Fosforo - P.
• Zolfo - S.

Le molecole sono fatte di scheletri comuni, la cui unica differenza risiede nei diversi gruppi funzionali.

La cellula è fatta sostanzialmente di 4 tipi di macromolecole: Polisaccaridi, Proteine, Lipidi e Acidi Nucleici. Nei Batteri, le macromolecole sono in continua sintesi per favorire la divisione cellulare, utile ad accrescere il numero di organismi all'interno di una popolazione.

Le Macromolecole possono essere:

• Informazionali: la struttura dipende direttamente da una informazione, la quale fa sì che ogni molecola abbia una funzione diversa:
  • Acidi Nucleici.
  • Proteine.
• Non Informazionali: la struttura non dipende direttamente da una informazione, quindi la funzione di una molecola non dipenda dal tipo di informazione che porta:
  • Polisaccaridi.
  • Lipidi.

I Polisaccaridi sono polimeri formati da zuccheri monomerici che si uniscono a formare molecole più lunghe. I più importanti sono gli zuccheri:

• Pentosi (a 5 atomi di C), compongono gli Acidi Nucleici del DNA:
  • Ribosio.
  • Desossiribosio.
• Esosi (a 6 atomi di C), compongono la maggior parte dei carboidrati:
  • Glucosio.
  • Fruttosio.
  • Galattosio.

Gli zuccheri sono i substrati principali utilizzati come fonte di energia nei metabolismi (es. Amido e Cellulosa).

I Lipidi parte integrante delle membrane cellulari, sono costituiti prevalentemente da Acidi Grassi: lunghe catene idrocarburiche apolari idrofobiche, unite ad una testa polare idrofila (spesso di Glicerolo, nei Trigliceridi). Possono essere:

• Semplici = Trigliceridi, con 3 catene di Acidi Grassi.
• Complessi = Fosfolipidi, in cui una delle 3 catene di Acidi Grassi è sostituita con uno zucchero o un gruppo fosfato P. I Lipidi costituiscono una fonte di energia molto valida.

Le Proteine polimeri di Amminoacidi uniti a formare Peptidi e/o Polipeptidi. Hanno un carbonio centrale chirale, legato ad un gruppo carbossilico e uno amminico, un H e una catena laterale R, e si distinguono proprio per la natura di tale gruppo R.

Peptide non è però sinonimo di Proteina:

• Nei Peptidi, le catene sono più corte e non assumono strutture tridimensionali o ripiegamenti, per cui non svolgono funzioni enzimatiche.
• Nella Proteina, le catene polipeptidiche si ripiegano con una struttura quaternaria, che permette loro di assolvere ad una specifica funzione (la struttura di una proteina è fondamentale per la sua funzione).

Gli Acidi Nucleici polimeri di Nucleotidi costituiti da:

• Zucchero (Ribosio o Desossiribosio) legato ad un gruppo fosfato P.
• Base azotata, che differenzia i vari tipi di Acidi Nucleici.

Formano tra loro legami deboli per la struttura avvolta ad elica del DNA.

Anche l'ATP è un nucleotide, che ha come base azotata l'Adenina, legata al Ribosio (zucchero) e a 3 gruppi fosfato P. I legami che li tengono uniti sono ad altissima energia (sintetizzare una molecola come l'ATP richiede energia elevata nella cellula).

Studio della struttura e della funzione della cellula batterica

Per i Batteri, morfologia e dimensioni sono relativamente importanti, in quanto sono molto più piccoli di una singola cellula eucariotica. La cellula non può comunque essere eccessivamente piccola, ma deve avere dimensioni sufficienti a contenere tutte le strutture necessarie per la vita.

Le dimensioni del Genoma nella cellula procariotica la delimitano a certe dimensioni, a differenza dei Virus che, non dovendo svolgere alcun tipo di metabolismo, sono molto piccoli in quanto trasportano solo una parte minima di Genoma. Le piccole dimensioni sono convenienti ai Procario