Appunti completi Nutrizione e microrganismi: infezioni e fermentazioni

1.Introduzione

Benvenuti, sono Paola Cecconi e vi do il benvenuto al corso Nutrizione, microrganismi, infezioni e

fermentazioni, un insegnamento integrato che unisce due ambiti disciplinari distinti: il settore MED/07

(Microbiologia e Microbiologia Clinica) e il settore AGR/16 (Microbiologia Agraria). Io sarò la docente di

riferimento per la parte relativa alla microbiologia e microbiologia clinica, in cui affronteremo

principalmente il tema delle infezioni.

Questa sezione del corso sarà suddivisa in due parti: una parte generale e una parte speciale. Nella parte

generale introdurremo i concetti fondamentali della microbiologia, focalizzandoci in particolare sui

microrganismi patogeni e agenti di infezione. Riprenderemo inoltre le basi dell’immunologia, con

particolare attenzione alle risposte immunitarie innate e acquisite che l’organismo mette in atto contro i

microrganismi patogeni. Un altro argomento centrale sarà lo studio del microbiota, in particolare quello

intestinale, e del suo ruolo nel mantenimento della salute e nel rapporto simbiotico con l’organismo umano.

La parte speciale sarà invece dedicata all’approfondimento di generi e specie di microrganismi patogeni

responsabili di patologie clinicamente rilevanti, in particolare quelli trasmessi per via oro-fecale, anche

attraverso gli alimenti. Analizzeremo in dettaglio le infezioni che colpiscono l’apparato gastrointestinale,

ma non ci limiteremo a queste: ad esempio, un’intera lezione sarà dedicata al SARS-CoV-2 e alla patologia

COVID-19, per comprendere l’impatto di questo virus in una prospettiva microbiologica e clinica.

Concetti introduttivi e cenni storici sulla microbiologia

Il termine microrganismo fa riferimento a organismi così piccoli da non poter essere osservati a occhio

nudo, ma soltanto con l’ausilio di un microscopio.

A seconda delle loro dimensioni, possono essere visualizzati con microscopi ottici, come nel caso dei

batteri, oppure — se si tratta di entità ancora più ridotte e prive di struttura cellulare come i virus — con

microscopi a maggiore potere risolutivo, come il microscopio elettronico.

Come accade spesso nelle definizioni scientifiche, esistono anche delle eccezioni: ad esempio, le

muffe, che sono dei funghi, possono essere visibili già a occhio nudo, pur rientrando nello studio della

microbiologia.

In questo corso ci concentreremo principalmente su batteri e virus, che affronteremo nel dettaglio nelle

prossime lezioni.

Breve introduzione storica allo studio dei microrganismi

Il primo a osservare e descrivere con accuratezza i microrganismi fu Antonie van Leeuwenhoek, alla fine

del XVII secolo, grazie ai suoi microscopi artigianali.

Tuttavia, l’idea che entità invisibili potessero causare malattie era già stata formulata in precedenza: nel

XVI secolo, Girolamo Fracastoro ipotizzò l’esistenza di “semi” contagiosi invisibili, responsabili della

trasmissione delle infezioni.

Successivamente, alla fine del XVIII secolo, Agostino Bassi fornì la prima dimostrazione sperimentale che

un microrganismo (un fungo) poteva essere la causa di una malattia infettiva, in questo caso quella che

colpiva i bachi da seta.

Nel secolo successivo, Louis Pasteur confermò ulteriormente il ruolo dei microrganismi nelle malattie

infettive, mostrando che un protozoo era responsabile di un’altra patologia nello stesso insetto.

La prova definitiva del legame tra microrganismi e malattie infettive si deve a Robert Koch, che

stabilì una relazione causale tra Bacillus anthracis e l’antrace: riuscì a dimostrare scientificamente

che un microrganismo specifico (il Bacillus anthracis) era la causa diretta di una determinata

malattia(l’antrace, che colpiva bovini e pecore, ma anche l’uomo).

Per farlo, Koch elaborò una serie di criteri sperimentali molto precisi e controllati, ancora oggi noti come

postulati di Koch, fondamentali per identificare un agente patogeno come causa di una specifica malattia.

I postulati di Koch

Robert Koch, alla fine dell'Ottocento, formulò una serie di criteri sperimentali fondamentali per

dimostrare appunti il legame causale tra un microrganismo e una malattia infettiva.

Questi, noti come postulati di Koch, sono:

1. Il microrganismo deve essere presente in tutti gli individui affetti dalla malattia, e assente negli

individui sani.

2. Il microrganismo deve essere isolato dall’organismo malato e cresciuto in coltura pura.

3. La stessa malattia deve essere riprodotta sperimentalmente inoculando il microrganismo

isolato in un ospite sano e suscettibile.

4. Lo stesso microrganismo deve essere re-isolato dall’ospite infettato sperimentalmente e

identificato come identico a quello originario.

Tali postulati rappresentano ancora oggi una base metodologica per lo studio delle malattie infettive,

sebbene non sempre possano essere applicati rigidamente (ad esempio per virus non coltivabili o patologie

multifattoriali).

La nascita della vaccinazione: Edward Jenner

Un contributo fondamentale), prima ancora che fosse identificato il ruolo dei microrganismi come agenti

di malattia (sempre per la prevenzione delle malattie infettive) fu dato da Edward Jenner (1749–1823).

Jenner osservò che le persone che avevano contratto il vaiolo bovino (o "vaccino") sembravano

resistenti al vaiolo umano, una malattia molto più grave e spesso mortale.

Partendo da questa osservazione, condusse un esperimento cruciale:

Inoculò nel braccio di un bambino del materiale purulento proveniente da una pustola di una

• donna infetta da vaiolo bovino.

In seguito, inoculò pus di vaiolo umano, ma il bambino non sviluppò la malattia.

•

Questo esperimento, condotto intorno al 1798, diede origine al concetto di vaccinazione e segnò l’inizio

della profilassi immunologica contro le malattie infettive, anticipando di decenni le scoperte

microbiologiche di Pasteur e Koch.

Fu la prima dimostrazione pratica che si poteva prevenire una malattia infettiva stimolando una forma

di immunità acquisita.

La vaccinazione: i contributi di Louis Pasteur

Dopo l’intuizione pionieristica di Edward Jenner, Louis Pasteur (1822–1895) approfondì e rivoluzionò il

concetto di vaccinazione grazie a una serie di esperimenti fondamentali, molti dei quali frutto di

osservazioni casuali.

Durante i suoi studi sul colera dei polli, notò che una coltura batterica dimenticata in laboratorio e

successivamente inoculata nei polli non causava malattia. Scoprì così che il batterio, invecchiando,

perdeva la capacità patogena pur mantenendo la capacità di stimolare una risposta immunitaria. Pasteur

definì queste colture “attenuate” e, in onore di Jenner, coniò il termine “vaccino” per indicarle.

Nel 1881, Pasteur applicò lo stesso principio all’antrace, sviluppando un vaccino trattando i batteri con

bicromato di potassio e incubandoli a temperature elevate (42–43 °C), ottenendo un ceppo attenuato.

Nel 1885, realizzò uno dei suoi esperimenti più celebri: la messa a punto del vaccino contro la rabbia.

Coltivò il virus nel sistema nervoso del coniglio, estraendo successivamente cervello e midollo spinale per

preparare l'inoculo. Somministrò il vaccino a un bambino morso da un cane infetto: il bambino non

sviluppò la malattia, confermando l’efficacia della profilassi.

La scoperta della penicillina: Alexander Fleming

Un’altra svolta nella lotta contro le infezioni arrivò nel 1928 con Alexander Fleming, batteriologo

scozzese. Durante i suoi studi sul genere Staphylococcus, notò casualmente che alcune piastre lasciate

esposte all’aria erano state contaminate da funghi. In prossimità delle colonie fungine, i batteri risultavano

trasparenti e inattivi: erano stati uccisi o inibiti.

Fleming identificò il fungo responsabile come Penicillium, e isolò nel brodo di coltura una sostanza con

forte potere antibatterico: la penicillina. Questa scoperta, inizialmente fortuita, diede inizio all’era degli

antibiotici, rivoluzionando la medicina moderna.

Il metodo scientifico e la ricerca

Queste scoperte, pur nate in parte da osservazioni casuali, si inserirono in un contesto metodologico

rigoroso chiamato metodo scientifico, che prevede fasi ben definite:

1. Identificazione di un problema.

2. Formulazione di una ipotesi.

3. Raccolta delle informazioni necessarie per verificarla.

4. Osservazione e sperimentazione.

5. Analisi dei dati.

Se l’ipotesi risultasse falsa, viene sostituita da una nuova; se, al contrario è confermata, come nel caso di

Koch si procede con ulteriori verifiche e si possono formulare ipotesi successive a partire dai risultati

ottenuti.

Questo processo, è noto come metodo ipotetico-deduttivo, ed è la base della ricerca scientifica moderna.

A coronamento di questo approccio, è significativa la citazione del premio Nobel Alexis Carrel (1912):

“Poca osservazione e molto ragionamento conducono all’errore; molta osservazione e poco ragionamento

conducono alla verità.”

NUTRIZIONE E MICROORGANISMI - PARTE 1 SEZIONE 1:

MICROORGANISMI: PROCARIOTI VS EUCARIOTI

La microbiologia e la disciplina che studia i microrganismi, entita microscopiche prevalentemente

unicellulari.

Iniziamo analizzando i batteri e, in particolare, i criteri con cui i microrganismi vengono denominati e

classificati.

Carlo Linneo, considerato il padre della classificazione scientifica moderna degli organismi viventi, stabilì il

sistema di classificazione noto come nomenclatura binomiale, valido per tutti gli organismi viventi non

solo per i microrganismi (infatti era un botanico).

In base a questo sistema di nomenclatura il nome di ogni organismo e costituito da due termini:

1. il primo riguarda il Genere cui appartiene l’organismo,

2. il secondo riguarda l’epitopo specifico, ossia la specie.

Questi due termini possono descrivere una caratteristica dell’organismo, oppure possono avere anche

un’altra origine, possono per esempio derivare fondamentalmente dal nome dello scienziato che per primo

ha identificato e descritto quell’organismo.

Es: Escherichia coli

Escherichia → Genere

• coli → Specie

•

Nomenclatura dei microrganismi: esempi e regole

Il nome scientifico e sempre scritto in corsivo, con il primo termine (il genere) maiuscolo e il secondo (la

specie) minuscolo. Vediamo alcuni esempi utili per comprendere sia la logica dei nomi che le

caratteristiche distintive di alcuni microrganismi:

Staphylococcus aureus: si tratta di un batterio le cui colonie assumono una colorazione dorata

• (dal latino aureus = oro), che rappresenta l’elemento distintivo da cui deriva il nome specifico.

Escherichia coli: anche questo e un batterio, il cui nome deriva da Theodor Escherich, lo

• scienziato che per primo lo identifico . Il termine coli fa invece riferimento al colon, l’habitat

naturale e preferenziale di questo microrganismo nell’intestino umano.

Candida albicans: in questo caso parliamo di un fungo. Il nome albicans richiama il colore

• biancastro delle sue colonie, caratteristica che lo contraddistingue.

Questi esempi illustrano come la nomenclatura scientifica non sia arbitraria, ma spesso rifletta

caratteristiche morfologiche, funzionali o storiche legate alla scoperta o all’habitat del microrganismo.

Piccolo focus sulla classificazione degli organismi viventi e i domini

Tutti gli organismi viventi vengono oggi classificati in base a somiglianze nell’RNA ribosomiale, una

componente fondamentale per la sintesi proteica e altamente conservata nel tempo evolutivo; questa

analisi ha portato alla suddivisione della vita in tre grandi domini:

1. Bacteria

2. Archaea

3. Eukarya

I microrganismi di cui parleremo in questo corso appartengono principalmente al dominio Bacteria, ma

prenderemo in esame anche alcuni appartenenti agli Eukarya, come ad esempio i funghi (inclusi lieviti e

muffe).

Procarioti ed Eucarioti: un concetto fondamentale

Un concetto biologico chiave per comprendere la diversità degli organismi viventi è la distinzione tra

cellula procariota ed eucariota prima di osservare la cellula batterica:

Il termine Procariota deriva dal greco pro-karyon, che significa “prima del nucleo”. I procarioti

• infatti non possiedono un nucleo vero e proprio, e il loro materiale genetico è disperso nel

citoplasma.

Il termine Eucariota deriva invece da eu-karyon, ovvero “nucleo vero” o “buon nucleo”. Le cellule

• eucariote sono dotate di un nucleo delimitato da membrana e di compartimenti cellulari

specializzati (organuli).

Questo è essenziale per comprendere non solo l’evoluzione della vita, ma anche il funzionamento dei

microrganismi di interesse medico, alimentare e ambientale.

Differenze principali tra cellule procariotiche ed eucariotiche

La distinzione non riguarda soltanto la posizione del DNA, ma coinvolge anche altri aspetti strutturali e

funzionali fondamentali.

Ad esempio:

Le dimensioni: le cellule procariotiche sono in genere molto più piccole rispetto a quelle

• eucariotiche.

La modalità di divisione cellulare: nei procarioti avviene tramite fissione binaria, un processo

• semplice e diretto. Negli eucarioti, invece, avviene attraverso i piu complessi processi di mitosi

(per la crescita e il rinnovamento cellulare) e meiosi (per la formazione dei gameti).

La ricombinazione genetica sessuale: nei procarioti e assente o molto limitata, mentre negli

• eucarioti rappresenta un meccanismo fondamentale per la variabilità genetica.

Tabella comparativa: Cellula Procariotica vs Eucariotica

Caratteristica Procariote Eucariote

Organismi Batteri, Archaea Funghi, Protozoi, Piante, Animali

Nucleo Assente Presente, delimitato da membrana

nucleare

DNA Libero nel citoplasma Racchiuso nel nucleo

(nucleoide)

Dimensioni Piccole (1–5 µm) Piu grandi (10–100 µm)

Organuli membranosi Assenti Presenti (es. mitocondri, reticolo, ecc.)

Divisione cellulare Fissione binaria Mitosi o meiosi

Ricombinazione Rara o assente Presente (meiosi, fecondazione)

sessuale

Parete cellulare Presente (peptidoglicano nei Presente solo in piante e funghi (cellulosa

batteri) o chitina)

Ribosomi 70S (piu piccoli) 80S (piu grandi)

I BATTERI

Le cellule procariotiche, come i batteri presentano una struttura interna molto più semplice rispetto a

quelle eucariotiche, ma altamente efficiente e funzionale.

Non possiedono un nucleo vero e proprio: il loro materiale genetico (DNA circolare) e libero nel

citoplasma, pur essendo organizzato in una zona specifica detta nucleoide. Sono privi anche di organuli

delimitati da membrane (come mitocondri o reticolo endoplasmatico), ma possiedono ribosomi per la

sintesi proteica, una membrana plasmatica che regola gli scambi con l’ambiente esterno, e una parete

cellulare che conferisce forma e protezione.

A livello strutturale, partendo dall’interno, quindi troviamo una regione fondamentale conosciuta appunto

come Nucleoide: e la zona del citoplasma in cui si concentra il materiale genetico della cellula, ovvero

una singola molecola circolare di DNA.

Il nucleoide rappresenta il centro genetico e informativo della cellula procariotica contenente le

istruzioni necessarie alla vita e alla replicazione del microrganismo.

Questa molecola di DNA, detta anche cromosoma batterico o cromosoma a struttura circolare, e

costituita da un unico filamento di DNA a doppia elica chiuso ad anello, quindi privo di estremità

libere.

Nel citoplasma delle cellule batteriche possono essere presenti anche i plasmidi:

Molecole di DNA circolare di dimensioni piu piccole rispetto al cromosoma principale batterico.

• Dotati di autonomia replicativa, cioe si replicano indipendentemente dal DNA cromosomico.

•

I plasmidi non sono essenziali per la sopravvivenza del batterio, ma rivestono un ruolo cruciale nella sua

capacita di sopravvivenza in ambienti difficili e nella patogenicita , perche :

Spesso contengono geni che codificano per fattori di virulenza, cioe proteine che aumentano la

• capacita del batterio di causare malattie.

Possono portare fattori di resistenza agli antibiotici, rendendo i batteri piu difficili da eliminare

• con farmaci antibatterici.

Per questi motivi, i plasmidi sono elementi genetici importanti nell’adattamento e nella diffusione di

caratteristiche pericolose tra i batteri.

Per cui anche se non essenziali per la vita capiamo bene che per la patogenicita del batterio sono molto

importanti!

I ribosomi nel citoplasma batterico

Nel citoplasma delle cellule procariotiche troviamo anche i ribosomi, strutture essenziali per la sintesi

proteica.

I ribosomi sono costituiti da RNA ribosomiale (rRNA) e proteine.

• Anche nei batteri svolgono il ruolo di fabbricare le proteine secondo le istruzioni genetiche.

•

Tuttavia, i ribosomi batterici presentano alcune differenze importanti rispetto a quelli delle cellule

eucariotiche:

Hanno una dimensione più piccola e un diverso coefficiente di sedimentazione, pari a 70S

• (Svedberg), mentre i ribosomi eucariotici sono piu grandi, da 80S.

Queste caratteristiche rendono i ribosomi batterici un bersaglio specifico per molti antibiotici,

• che possono inibire la sintesi proteica batterica senza danneggiare le cellule eucariotiche

dell’ospite.

Inclusione nel citoplasma e membrana cellulare della cellula procariotica

Nel citoplasma delle cellule procariotiche si trovano anche delle inclusioni, ovvero:

Granuli contenenti nutrienti di riserva e acqua.

• L’acqua rappresenta comunque il componente principale del citoplasma in tutte le cellule.

•

A circondare il citoplasma troviamo la membrana cellulare, che e una struttura fondamentale:

Composta da un doppio strato fosfolipidico con proteine e carboidrati.

• Presenta caratteristiche specifiche rispetto a quella delle cellule eucariotiche, soprattutto per

• quanto riguarda il contenuto di steroli, che nei procarioti e generalmente assente o presente in

forme diverse.

Infatti, la membrana cellulare delle cellule procariotiche non contiene steroli come il colesterolo, tipico

delle membrane eucariotiche.

Al loro posto, sono presenti altre molecole dette opani, che probabilmente svolgono una funzione analoga

di stabilizzazione della membrana.

La funzione della membrana e ovviamente quella di protezione, di barriera di permeabilita che consente poi

gli scambi tramite diffusione o sistemi di trasporto attivo.

Ma non e soltanto una barriera, svolge anche ruoli funzionali fondamentali:

E la sede di importanti processi biosintetici, come ad esempio la sintesi della parete cellulare.

• Ospita la catena respiratoria, ovvero il sistema di reazioni chimiche che producono energia (ATP)

• attraverso la respirazione cellulare.

Questa caratteristica differisce dalle cellule eucariotiche, dove la catena respiratoria si trova invece

all’interno della membrana dei mitocondri, organelli specializzati presenti nel citoplasma.

La membrana batterica puo infine essere compromessa: dall’azione di alcoli, detergenti cationici come i sali

di ammonio quaternario e antibiotici quali la polimixina, che ne alterano l’integrita strutturale e funzionale.

Da questo deriva che, quando l’integrita della membrana batterica viene meno, il batterio perde la

capacita di:

Mantenere il gradiente ionico e l’equilibrio osmotico.

• Controllare il passaggio di molecole dentro e fuori la cellula.

• Svolgere funzioni metaboliche essenziali, poiche molte proteine di trasporto e sistemi enzimatici

• sono ancorati alla membrana.

Il risultato finale e la fuoriuscita del contenuto cellulare e la morte conseguente del batterio.

La colorazione di Gram: una tecnica differenziale per distinguere i batteri

La colorazione di Gram e un metodo fondamentale introdotto da Hans Christian Gram, che ha permesso di

distinguere i batteri in due grandi gruppi famigliari:

Gram-positivi (Gram+)

• Gram-negativi (Gram-)

•

Questa distinzione si basata sulle differenze (colorazione differenziale) nella struttura della parete

cellulare dei batteri.

In cosa consiste la colorazione di Gram? Si tratta di una colorazione differenziale, un procedimento che

utilizza due coloranti diversi in sequenza, per distinguere i batteri in base alla loro capacita di trattenere

o perdere un primo colorante.

Le fasi principali sono:

1. Applicazione del primo colorante sul vetrino: il cristal violetto, che colora tutte le cellule

batteriche.

2. Mordenzatura: si aggiunge una soluzione di iodio e ioduro di potassio, che reagisce con il cristal

violetto formando un complesso stabile, fissando il colore all’interno della cellula. Questa fase e

detta mordenzatura (cioe fissaggio del colorante).

3. Decolorazione: il vetrino viene trattato con alcool o acetone, che rimuove il colorante dalle cellule

che non riescono a trattenere il complesso violetto-iodio.

4. Seconda colorazione (ricolorazione): si applica un secondo colorante, come la safranina (di

colore rosso), che colora le cellule che sono state decolorate.

Questa tecnica permette di distinguere:

I batteri Gram-positivi, che trattengono il colorante violetto e appaiono viola o blu al microscopio.

• I batteri Gram-negativi, che si decolorano e si colorano di rosso grazie alla safranina.

•

Risultato della colorazione di Gram al microscopio

Questa semplice ma efficace distinzione consente una prima identificazione dei batteri basata sulla loro

struttura della parete cellulare, che sarà approfondita nelle lezioni successive.

Il diverso esito alla colorazione di Gram, e direttamente riconducibile alla differente struttura della

parete cellulare dei due principali gruppi di batteri: Gram-positivi (Gram+) e Gram-negativi (Gram-).

La differenza piu rilevante riguarda la quantità e lo spessore del peptidoglicano (o mureina), un

importante polimero che conferisce rigidita e protezione alla cellula batterica:

Nei batteri Gram-positivi, il peptidoglicano e presente in grande quantità, costituendo fino al

• 90% del peso secco della parete cellulare.

Nei batteri Gram-negativi, invece, il peptidoglicano e molto più sottile, rappresentando solo circa

• il 10% del peso secco.

Questa importante differenza strutturale e cio che determina la capacità o meno di trattenere il cristal

violetto durante la procedura di colorazione di Gram.

Continuiamo quindi con la struttura dei batteri sottoposti a colorazione di Gram…

La parete cellulare rappresenta l’elemento fondamentale della struttura batterica.

Essa costit