Riassunto esame aiuto compiti, docente Sacco Margherita, libro consigliato Biologia dei microrganismi - Volume 1 Brock, Microbiologia generale, Madigan, Martinko

Microbiologia generale – Margherita Sacco

Metabolismo

Assunzione di sostanze chimiche dall’ambiente, loro trasformazione all’interno della cellula ed eliminazione dei prodotti di rifiuto nell’ambiente. La cellula è un sistema aperto.

1. Microrganismi e microbiologia

Come scienza biologica di base, la microbiologia offre strumenti per sondare la natura dei processi vitali. Le cellule microbiche possono crescere in densità molto elevate nelle colture di laboratorio, e sono quindi facilmente utilizzabili per studi biochimici e genetici.

Come scienza biologica applicata, la microbiologia si occupa di problemi pratici di grande importanza: gran parte delle malattie infettive sono a eziologia (causa) microbica, inoltre i microrganismi svolgono anche un ruolo fondamentale per la fertilità del suolo e per l’allevamento del bestiame.

In assenza dei microrganismi, nessun’altra forma di vita avrebbe potuto apparire o sopravvivere. I microrganismi esistevano sulla Terra già miliardi di anni fa. La loro enorme diversità è responsabile delle loro molte proprietà. Essi hanno stabilito delle relazioni talvolta utili, talvolta dannose, con gli organismi superiori.

Cellula

La cellula, unità fondamentale della vita, è separata dall’esterno da una membrana, e contiene al suo interno strutture chimiche e subcellulari, compartimentalizzate. Tutte le cellule sono costituite da almeno quattro elementi chimici: proteine, acidi nucleici, lipidi e polisaccaridi.

Ogni cellula è caratterizzata da una serie di strutture comuni: una membrana cellulare, al cui interno è contenuto il citoplasma, il nucleo o nucleoide, in cui è contenuto il materiale genetico, e i ribosomi, ossia strutture deputate alla sintesi di proteine.

Ambiente e riproduzione

Le sostanze chimiche assunte dall’ambiente sono utilizzate dalle cellule per fabbricare nuove cellule.

Differenziamento

Formazione di una nuova struttura cellulare, come per esempio una spora, generalmente nell’ambito del ciclo di vita cellulare.

Spora

Comunicazione

Le cellule comunicano o interagiscono soprattutto per mezzo di sostanze chimiche rilasciate nell’ambiente o assunte da questo.

Un essere vivente ha delle caratteristiche precise per poter essere definito tale: ognuno ha delle organizzazioni subcellulari deputate al metabolismo, alla riproduzione, e al differenziamento/evoluzione. Tutte le cellule comunicano tra loro, rispondendo a segnali chimici, e si muovono, grazie a particolari organelli.

Le cellule possono essere considerate come macchine chimiche, in grado di trasformare elementi all’interno della cellula stessa, oppure come strumenti codificanti, che immagazzinano e processano informazioni genetiche. La crescita cellulare è l’unione di questi due modelli di cellula. Ogni cellula cresce e si riproduce, replicando il proprio patrimonio genetico e dividendolo tra le due cellule figlie.

Mobilità

Gli organismi viventi sono spesso in grado di muoversi autonomamente.

Evoluzione

Le cellule evolvono e acquisiscono nuove proprietà biologiche. Gli alberi filogenetici mostrano le relazioni evolutive tra cellule.

Dato che tutte le cellule sono tra di loro simili, si ipotizza che possano avere tutte un antenato universale. La prima cellula si dovrà essere formata da una struttura protocellulare. Attraverso miliardi di anni di evoluzione, poi, è sorta l’enorme diversità di cellule che abbiamo oggi.

Nuove specie

Cellula ancestrale.

Nuove specie

Le cellule vivono in natura sotto forma di popolazioni, ossia un agglomerato di cellule cooperanti. Il luogo in cui queste popolazioni vivono prende il nome di habitat. Raramente ogni popolazione vive in modo individuale, ma tende a convivere ed interagire con altre popolazioni, andando a creare una comunità. Lo studio dei microrganismi, delle popolazioni e delle comunità, prende il nome di ecologia microbica.

Una popolazione interagisce in modo utile o dannoso verso l’altra popolazione. Gli habitat sono tra loro molto diversi: un habitat che è consono alla vita di una particolare popolazione, può essere dannoso per un’altra. Considerando le popolazioni e l’habitat in cui vivono, il complesso prende il nome di ecosistema.

Le proprietà di un ecosistema sono sotto lo stretto controllo della popolazione microbica, che può quindi addirittura farlo cambiare.

Le cellule procariotiche, nonostante le loro ridotte dimensioni, costituiscono la maggior parte della biomassa della Terra. Esse vivono solo in minor parte sulla crosta terrestre: la maggior parte vive sottoterra o nelle profondità oceaniche.

L’origine della Terra risale a circa 4,5 miliardi di anni fa. Sulla Terra le rocce più antiche sono databili a circa 4 miliardi di anni fa, e sono di diverso tipo: sedimentarie, vulcaniche e carbonacee. Su queste cellule sono presenti microfossili, ossia fossili delle prime cellule microbiche. Nelle rocce risalenti a circa 3,5 miliardi di anni fa, sono abbondanti i fossili, i stromatoliti, ossia fossili stratificati di natura microbica, formati da batteri fototrofi filamentosi.

L’atmosfera primordiale era priva di ossigeno. Erano presenti, invece, altri gas, tra i quali il metano, l’anidride carbonica, l’azoto e l’ammoniaca.

Le temperature, inoltre, erano molto più alte di quelle della Terra attuale, e ciò suggerisce che i primi batteri siano stati termofili, come quelli oggi presenti nelle sorgenti termali.

L’atmosfera riducente ha consentito la sintesi, da parte dei batteri, di molecole biologiche. Questa sintesi necessitava di un catalizzatore, quasi sicuramente rappresentato dall’argilla o dalla pirite, che forniscono un ambiente secco, sia per la sintesi che per l’accumulo di molecole organiche.

Agricoltura e cibo

Uno degli obiettivi dei microbiologi è quello di comprendere come operano i microrganismi e trovare modalità per aumentarne gli effetti benefici e ridurne quelli dannosi.

N fissazione (N₂ → 2NH₃).

Conservazione del cibo (calore, basse temperature, radiazioni, sostanze chimiche).

Ciclo dei nutrienti.

Cibi fermentati.

Le malattie infettive sono causate da patogeni. Oggi, nei paesi industrializzati, alle malattie infettive è associato un tasso di mortalità molto più basso. Il controllo delle malattie infettive è stato il risultato di una completa comprensione del processo infettivo.

Le malattie infettive costituiscono, però, ancora la principale causa di morte in molti paesi in via di sviluppo. Tuttavia, la maggior parte dei microrganismi non sono dannosi per l’uomo, bensì benefici.

Additivi alimentari (glutammato monosodico, acido citrico, lievito).

Zootecnia

Tutto il nostro sistema dell’agricoltura dipende in gran parte dalle attività microbiche. Ad esempio, uno dei maggiori raccolti è rappresentato dalle leguminose, piante che vivono in stretta associazione con una specie batterica che forma alle loro radici strutture chiamate noduli.

Altri gruppi microbici di fondamentale importanza in agricoltura sono quelli che intervengono nel processo digestivo degli animali ruminanti. Questi animali hanno uno speciale organo digestivo, chiamato rumine, nel quale i microrganismi compiono il processo digestivo della cellulosa, il maggiore componente organico delle piante.

Cellulosa → CO₂ + CH₄ + proteine animali.

Rumine.

I microrganismi svolgono inoltre un ruolo chiave nel riciclaggio di importanti nutrienti per la nutrizione delle piante, in particolare carbonio, azoto e zolfo.

I microrganismi ricoprono una funzione fondamentale nell’industria alimentare. L’industria alimentare prepara gli alimenti in modo che non vengano danneggiati dai microrganismi. Inoltre esistono delle malattie infettive di origine alimentare. Tuttavia, non tutti i microrganismi sono dannosi per gli alimenti o per coloro che se ne nutrono.

Per esempio i prodotti caseari vengono lavorati dall’attività di alcuni microrganismi. I prodotti da forno sono il risultato dell’attività fermentativa dei lieviti, così come le bevande alcoliche.

Energia, ambiente e malattie

Identificazione di nuove malattie.

Biocombustibili. Fermentazione. Grano. Etanolo.

Trattamento, cura e prevenzione.

Biorisanamento. Fuoriuscite di petrolio. Contaminanti organici. Bioestrazione.

Per quanto riguarda l’energia, i microrganismi svolgono un ruolo primario. Gran parte del gas naturale metano è un prodotto dell’attività microbica da parte dei batteri metanogeni. I microrganismi fototrofi possono immagazzinare energia luminosa per produrre biomassa. I microrganismi possono essere utilizzati nel trattamento di composti inquinanti prodotti dalle attività umane, processo definito biorisanamento. La grande diversità microbica presente sulla Terra contiene in sé la soluzione per tutta una serie di problemi ambientali.

Biotecnologie

Organismi geneticamente modificati.

Produzione di farmaci (insulina e altre proteine umane).

Terapia genica per alcune malattie: correzione della lesione genica della persona malata.

Le biotecnologie si riferiscono all’uso di microrganismi in processi industriali di larga scala. Le biotecnologie sono fortemente dipendenti dall’ingegneria genetica, la disciplina che si occupa della manipolazione artificiale dei geni e dei loro prodotti. I geni possono essere suddivisi in unità minori e modificati in varia maniera usando i microrganismi e i loro enzimi.

Per esempio, l’insulina umana, un ormone in genere sintetizzato a bassissimo livello nei pazienti diabetici, può essere prodotto microbiologicamente inserendo il gene umano dell’insulina ingegnerizzato in un microrganismo.

Come ha avuto modo di dire uno dei fondatori della microbiologia, lo scienziato francese Louis Pasteur: “Il ruolo dell’infinitamente piccolo, in natura, è infinitamente grande”.

Sviluppo della microbiologia

La microbiologia ha cominciato il suo reale sviluppo solo nel secolo XIX. La scoperta dei microrganismi è legata all’invenzione del microscopio.

Robert Hooke descrisse i corpi fruttiferi delle muffe nel 1664, ma la prima persona che vide i batteri fu Antoni van Leeuwenhoek. Nel 1684 egli usò un microscopio estremamente semplice per esaminare il contenuto microbico di una serie di sostanze naturali. Egli scoprì i microrganismi nel 1676, mentre studiava alcuni infusi.

Il chimico francese Louis Pasteur e il medico tedesco Robert Koch diedero significativi contributi alla risoluzione di queste importanti questioni: la generazione spontanea e la natura delle malattie infettive. Il botanico tedesco Ferdinando Cohn è considerato il fondatore della odierna batteriologia.

Ferdinand Cohn

Ferdinand Cohn iniziò i suoi studi come botanico e il suo interesse verso la microscopia lo portò a studiare le piante unicellulari e successivamente i cianobatteri. Cohn credeva che tutti i batteri fossero membri del regno vegetale.

Egli si appassionò allo studio delle forme batteriche resistenti al calore, che lo portò alla scoperta del processo di formazione delle endospore. Egli continuò a studiare i batteri, contribuendo allo sviluppo della batteriologia e ponendo le basi per uno schema di classificazione dei batteri.

Tra la metà e la fine del XIX secolo si è assistito al grande sviluppo delle scienze microbiologiche: crollava la teoria della generazione spontanea e si metteva a punto la tecnica delle culture pure.

Louis Pasteur e la generazione spontanea

Il concetto di generazione spontanea esisteva fin dai tempi della Bibbia. Uno degli oppositori fu il chimico francese Louis Pasteur. In primo luogo dimostrò che nell’aria erano presenti strutture molto simili ai microrganismi trovati nel materiale in putrefazione.

Importante fu il suo esperimento: Pasteur introdusse in un pallone di vetro col collo lungo (collo di cigno), un brodo nel quale in apparenza si generavano “spontaneamente” dei microrganismi. Piegò a “S” il collo del pallone, in modo da consentire l’ingresso dell’aria, ma impedire la contaminazione del brodo da parte della polvere e dei batteri in essa presenti.

Fece poi bollire il brodo contenuto nel pallone di vetro, in modo da uccidere tutti i microrganismi eventualmente presenti nel brodo e nel collo del recipiente. Lasciato raffreddare, Pasteur constatò che il brodo non aveva generato batteri. Dunque non esiste una generazione spontanea di microrganismi, che provengono invece dalla polvere.

Pasteur dedusse conseguentemente che, trattando l’alimento in modo da distruggere ogni organismo vivente responsabile della sua contaminazione, cioè rendendolo sterile, si sarebbe potuto ovviare alla putrefazione. Avendo già avuto modo di osservare che il calore era in grado di uccidere gli organismi viventi, egli lo usò per eliminare i contaminanti.

L’uccisione di batteri e gli altri microrganismi all’interno di un processo chiamato oggi sterilizzazione. Anche le tecnologie alimentari hanno un debito nei confronti di Pasteur, in quanto i suoi principi sono stati applicati al confezionamento e alla conservazione di molti prodotti: pastorizzazione. Egli sviluppò vaccini per il colera e la rabbia.

Robert Koch e le malattie infettive

La dimostrazione che i microrganismi fossero responsabili di malattie diede un fortissimo impulso agli studi microbiologici. Soltanto il contributo del medico Robert Koch concettualizzò chiaramente la teoria microbica delle malattie e le diede i necessari supporti sperimentali.

Attraverso esperimenti ulteriori Koch provò che i microrganismi potevano essere coltivati in brodi nutrienti al di fuori dell’ospite e anche dopo numerosi trasferimenti in coltura i batteri potevano causare la malattia originaria se reinoculati in un animale.

Sulla base di questi e di numerosi altri esperimenti egli formulò i postulati di Koch, necessari per approvare che un determinato microrganismo è responsabile di una specifica malattia:

• Il microrganismo deve essere costantemente presente negli animali che soffrono della malattia e non deve essere presente negli organismi sani;
• Il microrganismo deve essere coltivato in una coltura pura al di fuori dell’organismo ospite;
• Questa coltura pura, se inoculata in un animale suscettibile, deve dare i sintomi caratteristici della malattia;
• I microrganismi devono venire reisolati da un animale da esperimento infettato e coltivati in laboratorio, dimostrando di essere identici all’organismo originale.

Tali scoperte hanno portato allo sviluppo di trattamenti terapeutici di successo per la prevenzione e la cura di molte malattie infettive.

Per poter associare un particolare tipo di microrganismo a una determinata infezione, è necessario che esso venga isolato in coltura ed è altrettanto necessario che questa sia pura. Egli ipotizzò che ogni colonia derivasse da una singola cellula batterica che, sulla superficie, aveva trovato le condizioni nutrizionali per crescere e moltiplicarsi. In altre parole, ogni colonia rappresentava una coltura pura.

Egli ideò poi delle soluzioni di solidificazione sempre più uniformi e riproducibili come la gelatina e, più tardi, l’agar: esso è l’agente solidificante oggi più usato.

La sua più grande realizzazione riguardo alla scoperta dell’agente eziologico della tubercolosi. Il bacillo tubercolare è molto difficile da colorare per la grande quantità di lipidi cerosi presenti sulla sua membrana esterna. Egli mise tuttavia a punto una colorazione speciale per identificare questo microrganismo: la colorazione di Ziehl-Nielsen, ancora oggi usata per colorare i microrganismi acido-resistenti.

Tuttavia capì che la sola identificazione di un microrganismo associato alla tubercolosi non era sufficiente e che avrebbe dovuto coltivarlo dalle lesioni della malattia stessa. Una volta isolato è stato per lui relativamente facile dimostrare l’eziologia della tubercolosi. Per questo importante contributo sulla tubercolosi, Robert Koch ricevette il premio Nobel per la medicina nel 1905.

Durante i secoli 19º e 20º, dalla microbiologia si sono sviluppate le varie sottodiscipline che hanno portato alla nascita della presente era, quella della microbiologia molecolare. Questo periodo e gli anni successivi hanno rappresentato l’epoca di maggiore sviluppo della microbiologia generale.

Martinus Beijerinck

Martinus Beijerinck fu professore negli ultimi anni della sua carriera, ma agli inizi affrontò studi di botanica e cominciò la sua carriera microbiologica studiando la microbiologia delle piante. Il suo più grande contributo è stato quello di aver formulato il concetto di cultura di arricchimento.

Egli propose un metodo selettivo di isolamento in cui venivano favoriti i gruppi microbici specifici rispetto ad altri. In questo modo isolò in coltura pura un certo numero di microrganismi del suolo e di origine acquatica. Egli dimostrò che l’agente infettivo, un virus, non era un batterio ma qualcosa che entrava nelle cellule della pianta ospite e richiedeva che la pianta stessa fosse vitale per riprodursi.

Egli era molto interessato alla microbiologia del suolo. Dimostrò che i batteri possono essere importanti agenti biogeochimici. Propose il concetto di chemiolitotrofia, cioè l’ossidazione di composti inorganici accoppiata alla conservazione di energia.

Dagli studi del processo chemiolitotrofico di nitrificazione, concluse che i microrganismi responsabili, i batteri nitrificanti, utilizzavano come fonte di carbonio la CO₂. Su questa base ipotizzò che questi organismi fossero autotrofi, chiamati ora chemiotrofi.

Nel XX secolo la microbiologia si è sviluppata come scienza di base e come scienza applicata. I progressi pratici dovuti a Koch hanno portato a miglioramenti notevoli nella microbiologia medica e nell’immunologia. Altri rapidi progressi si sono avuti nella microbiologia agraria per merito delle scoperte di Beijerinck. Successivamente gli studi di microbiologia del terreno hanno contribuito alla scoperta degli antibiotici e di altri prodotti chimici.