Elementi di microbiologia

Elementi di microbiologia

Introduzione – Modulo 0

I batteri lattici sono pro-tecnologici, ma non sono gli unici.

Batteri lattici (lactic acid bacteria = LAB)

Essi modificano texture, aroma (grazie ad enzimi presenti producono flavour) e conservabilità (grazie alla fermentazione si ha un abbassamento del pH e viene inibita la microflora).

Per studiare i microrganismi devo coltivarli in terreni (= substrati/miscele di nutrienti che vengono integrati nelle cellule e che i microrganismi assumono per crescere e nutrirsi); grazie alla crescita su questi terreni riesco a modificarne la visibilità (da invisibili a visibili).

Colture dei microrganismi

Esistono 2 colture differenti:

• Colture dipendenti (Culture Dipendent): è un metodo di coltura dipendente dal terreno. I microrganismi si replicano in base a diversi esperimenti e processi, durante il periodo dell’incubazione su terreno fertile. Dopo il periodo passato sulla piastra, si riguardano le piastre dove è stata fatta la riproduzione e si può notare che si sono formate delle colonie in quanto una cellula microbica ha occupato una posizione nella piastra dando origine a tanti più microrganismi.
• La temperatura è un’importante variabile che favorisce e sfavorisce la crescita. La piastra garantisce il prelevamento di diversi campioni, cellule, popolazioni che una volta estratte si purificano, accertandone la provenienza da una sola cellula “pulita”, e successivamente si studiano (esempio: quando isolo le colonie del latte).
• Una delle principali tecniche è leggere il DNA delle cellule che sono state estratte, si legge così la sequenza di basi azotate e si capisce a che specie appartengono. Qua ci sono tante copie di unità pure; in questo caso riesco a isolarli da un ambiente e creo colonie da conservare.
• Colture indipendenti (Culture Indipendent): tecniche che NON si basano sul terreno di coltura, ma dal campione si estraggono gli acidi nucleici dal prodotto, quindi DNA e RNA (es: latte, formaggio, carne), studiando così i microrganismi; una volta estratto si analizza l’RNA e DNA e la sequenza di basi azotate, è un’analisi più complessa.
• L’RNA è il processo di trascrizione e rappresenta le porzioni di DNA; quindi il DNA si può vedere in tutta la popolazione che si ha, compresa quella morta.
• Negli alimenti i batteri possono liberarsi, morire e il contenuto citoplasmatico fuoriesce; quindi ci sono frammenti di DNA liberi in seguito alla lisi cellulare e si legge il DNA delle cellule intere che di cellule passate. Con l’RNA si può studiare la popolazione metabolicamente attiva, ovvero che sta trascrivendo geni e il patrimonio che è scritto nel DNA; creo una “fotografia” da poter studiare.
• DNA cioè tutto quello che è scritto e si occupa dell’organismo umano. Se si studia, si vedono i microrganismi presenti vitali al momento, ma anche quelli passati cioè morti.
• mRNA è tutto ciò che viene tradotto in proteine; se si analizza questo, si va a studiare la popolazione metabolicamente attiva in quanto deriva da un processo di trascrizione.

Proprietà aromatiche dei batteri lattici (LAB)

Due tipologie di fermentazione:

• Fermentazione spontanea dove l’uomo non interviene;
• Fermentazione guidata, avviene grazie ad uno starter cioè batteri aggiunti per fare in modo di iniziare l’attività (es.: per la produzione di pecorino toscano utilizzano degli starter).

Altre categorie di organismi negli alimenti

• Microrganismi probiotici, sono buoni perché non trasformano, ma sfruttano l’alimento come veicolo per il transito; sono buoni perché fanno bene all’intestino del consumatore.
• Esistono anche degli organismi cattivi e si dividono:
  • Patogeni; ne esistono di diversi tipi e provocano un danno al consumatore.
    • Danni intestinali, entrano in circolo e da esso si replicano all’interno dell’organismo (= infezioni). Esempio: Salmonella.
    • Intossicazioni, ingestione di tossine quindi alterano l’alimento e producono tossine, si riproducono nell’alimento. Esempio: Botulino.
    • Tossinfezione è il mix dei 2; alterativi che alterano la consistenza o gli aromi. Esempio: Escherichia Coli.
  • Alterativi; provocano alterazioni alla normale composizione di un alimento/prodotto.
    • Putrefazione (idrolisi di proteine e degradazione AA in anaerobiosi).
    • Lipolisi.
    • Fermentazioni indesiderate.

Tipologie di microrganismi

• Fototropi: sfruttano la luce per produrre energia.
• Chemiotropi: sfruttano reazioni chimiche per produrre energia.
• Autotrofi: possono immagazzinare materiale organico tramite la CO₂ e tramite il ciclo di Calvin.
• Eterotrofi: hanno bisogno di materiale organico.

Ci sono molecole alla base della cellula e sono carboidrati, protidi e lipidi.

I microrganismi creano relazioni tra di loro o con altri tipi di cellule; se paragono le tecniche di colture dipendenti e indipendenti riesco a coltivare e studiare solo il 10%.

Esiste però una popolazione di microrganismi che NON riesco a coltivare (vitale ma non coltivabile) perché magari non si conoscono determinate info necessarie (esempio nutrienti per poter crescere, incubazione… ).

Quando si studiano i microrganismi non si studiano solo i nutrienti idonei ma anche le condizioni di incubazione come le temperature basse/alte (= organismi termofili), pH, luce (= organismi fototropi), ossigeno (= organismi aerobi/anaerobi), presenza di acqua disponibile, tutti questi sono parametri fondamentali.

Studio dei microrganismi che colonizzano il corpo umano, il 70% di microrganismi è presente nel colon e l’insieme (microbiota) è considerato un altro organo.

È nato un progetto mondiale (Human Microbiome Project - HMP) per studiare e condividere le info del microbiota umano.

I microrganismi hanno sviluppato l’antibiotico resistenza (creato dall’evoluzione), evento preoccupante per quanto riguarda i patogeni.

Questa caratteristica si trova nei plasmidi, essi possiedono una parte extra-ribosomiale in più, il DNA plasmidico contiene geni aggiuntivi che permettono al microrganismo di produrre un vantaggio selettivo e produrre più energia. Essa può essere pericolosa perché può essere passato/trasferito tra plasmide, attraverso la congiunzione orizzontale i plasmidi possono essere trasferiti in cellule circostanti. Esempio: Escherichia Coli contiene il gene mcr-1, oltre che altri 15 geni che compongono il DNA che lo rende immune. L’antibiotico resistenza si trova anche nei batteri lattici ma in questo caso è utile e favorevole.

Esistono anche substrati alternativi con sostanze nutrienti che generalmente non sono nutrienti e alcuni microrganismi hanno a livello del plasmide dei geni che ne permettono l’uso.

Microbiologia - Modulo 1

Microbiologia è una branca della biologia che studia i microrganismi (esseri viventi le cui dimensioni sono dell'ordine di grandezza di micrometri), essi crescono in breve tempo e ad alta densità. Essa si occupa di identificarli e classificarli, studiare i rapporti con altri esseri viventi della loro forma e struttura, oltre che la loro fisiologia. Studia anche organismi che appartengono a diversi Regni.

Scienza di base e applicata

È una scienza di base:

• I microrganismi sono modelli per studiare organismi superiori.
• Possono essere studiati facilmente in laboratorio perché crescono velocemente e molto.

È una scienza applicata:

• Medico – clinico: malattie infettive sono a eziologia microbica.
• Settore agricolo: si occupano di processi di fertilizzazione.
• Industriale – biotecnologico: sono in grado di produrre molecole di interesse, possono essere usati per produrre antibiotici o alimenti.

Nomi importanti nella microbiologia

• Antonie van Leeuwenhoek: primo a studiare microrganismi; inventò un microscopio utile per vederli.
• Louis Pasteur: considerato il padre della microbiologia; dimostra che non si riproducono in un ambiente sterilizzato.
• Robert Koch: primo a coltivare i microrganismi, mette in atto un sistema scientifico per studiare i batteri basato su terreni di coltura batterici.
  • Terreni solidi, ottenuti grazie all’inserimento di agar; la manifestazione avviene con degli ammassi di microrganismi (colonie).
  • Liquidi, utilizzati dei brodi; la manifestazione avviene dall’aumento dell’intorpidimento del liquido.

  Crea la coltura pura, che è fondamentale per studiare; è da isolare un unico ceppo microbico, cioè una popolazione di microrganismi che derivano da un organismo vivente iniziale. Per ottenere un risultato, occorre una miscela microbica e va disposta su un terreno (in una piastra) con una tecnica di striscio con uno strumento chiamato astra; poi la piastra si deve incubare per poter far degli ammassi (dopo 48 ore). Dopodiché si deve svolgere la purificazione tramite strisci di purificazione da cui si ottengono strisci composti solo da un organismo vivente. Inoltre studia la tubercolosi e stila dei postulati (Postulati di Koch) ancora oggi usati per stabilire se un microrganismo è responsabile o meno della determinata malattia.

  1. Organismo sospetto patogeno e deve ritrovarsi in tutti i casi di malattia ed essere assente in animali sani.
  2. Organismo sospetto deve crescere come coltura pura.
  3. Cellule di coltura pura sospette devono indurre la malattia ad animali sani.
  4. Organismo deve essere isolato e se ne deve dimostrare l’identità di origine.
• Carlo Linneo: idea la nomenclatura.
• Christian Gram: idea la struttura da gram (gram + e gram -).
• Alexander Fleming: studia tramite un batterio la scoperta della penicillina (antibiotico).

Nel XIX secolo c’era la divisione tra sostenitori della teoria della generazione spontanea cioè i microrganismi si generano dalla materia vivente; al contrario chi rifiutava la generazione spontanea e pensava che essi provenissero dall’aria che contaminava il cibo. Procedimento sperimentato da Spallanzani poi perfezionato da Pasteur. Spallanzani mette del brodo in un recipiente chiuso e isolato e non si genera nulla; mentre Pasteur aggiunge ossigeno e lascia il contenitore aperto ed avviene una creazione di organismi.

* Colonie = ammassi di microrganismi tratti da coltura a solido.

Caratteristiche dei batteri

I batteri sono i più piccoli microrganismi dotati di cellula, mentre i virus sono i più piccoli microrganismi senza cellula. La microbiologia di base si divide in:

• Fisiologia microbica, studia il funzionamento della cellula microbica;
• Genetica microbica, studia la genetica dei microrganismi e li esplora alle funzioni cellulari;
• Microbiologia evoluzionistica, studia l’evoluzione dei microrganismi, include anche la tassonomia e la sistematica batterica.

La microbiologia applicata invece si divide in:

• Microbiologia medica: affermata con la scoperta dei principali patogeni umani,
• Microbiologia agraria: affermata con la conoscenza di processi microbici,
• Microbiologia industriale: affermata alla scoperta dei batteri impiegati per produrre qualcosa.

I microrganismi

Si dividono in protozoi, alghe, funghi (lieviti e muffe), batteri (archea batteri o eubatteri) e virus (NON fanno parte a regni). Sono organismi viventi non visibili a occhio nudo, dell’ordine di grandezza di micrometri; i microrganismi appartengono a regni differenti.

[Domanda esame]

La progressione della classificazione dei regni e dei domini.

1. 1894 - Haechek, identifica 3 regni: Animalia, Plantae, Protozoi.
2. 1969 - Whittaker, identifica 5 regni: Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Monera. Secondo lui, batteri, archeobatteri e cianobatteri si classificano nelle monere.
3. 1977 - Woese, identifica 6 regni: Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Archeabacteria, Eubatteri; dopodiché (1990) anche in 3 domini: Eukarya, Archaea, Bacteria.
4. 2004 - Cavalier – Smith, identifica 2 domini: Eukaryota, Prokaryota; e 6 regni: Animalia, Fungi, Plantae, Chromista, Protozoi, Batteri.

[Domanda esame] I microrganismi eucarioti hanno organuli (mitocondri) per la respirazione cellulare. I batteri possono avere un organo per la respirazione cellulare ma NON ha mitocondri, nei batteri la respirazione avviene nella membrana. Essi producono endospore che vengono utilizzate per la sopravvivenza, esiste una caratteristica per riconoscere i microrganismi:

• Riproduzione, può essere sessuata (con condivisione del patrimonio genetico) o asessuata (senza condivisione del patrimonio genetico).
  • Protozoi: organismi eucarioti unicellulari; le prime forme animali apparse sulla terra, si riconducono o a una struttura procariotica o eucariotica. Gli eterotrofi si riproducono per via agamica (= asessuata).
  • Alghe: contengono pigmenti, sono organismi eucarioti unicellulari o pluricellulari; sono fototropi e autotrofi. Si riproducono per via agamica e le forme acquatiche costituiscono il fitoplancton.
  • Funghi: si riproducono per gemmazione (una cellula madre duplica il proprio cromosoma e lo trasferisce ad una cellula figlia, dopodiché la cellula figlia si stacca dal corpo della madre lasciando una cicatrice).
• Muffe: organismi eucariotici pluricellulari; hanno strutture complesse e formano un’ifa fungina; la parte che si vede nell’alimento ammuffito è la parte che permette la diffusione nell’ambiente, sotto ci sono le ife che penetrano nel substrato che si nutrono e permettono l’accrescimento. Possono riprodursi per via gamica (= sessuata, condividendo il patrimonio genetico) o agamica (= asessuata, senza condivisione) in ogni caso produce spore (ruolo di diffusione e replicazione).
• Lieviti: sono organelli eucarioti unicellulari, eterotrofi perché sfruttano materia organica per produrre molecole; si riproducono per via agamica (= gemmazione) e responsabili della fermentazione.

Caratteristiche dei batteri e virus

• Batteri: organismi procarioti unicellulari, si riproducono per scissione binaria (via agamica). Possono essere fototropi o chemiotropi.
• Virus: organismi acellulari ultramicroscopici, considerati non cellule perché sono formati da acido nucleico e una capsula, hanno bisogno di un ospite per duplicarsi e per vivere.

Una cellula microbica può crescere, riprodursi ed effettuare il suo metabolismo; si divide in cellula procariota ed eucariota. Una cellula può essere considerata una macchina per produrre energia (ATP), oltre che altri tipi come la forza protomotrice, può essere sfruttata dal batterio e importa secondo gradiente queste cariche positive caricate sulla membrana; grazie a questa forma di energia vengono importati i protoni. Le proteine sono le macromolecole più abbondanti e svolgono funzioni strutturali ed enzimatiche; la sintesi di tutto questo porta alla crescita.

Le caratteristiche dei microrganismi

• Il metabolismo si divide in catabolismo (produce energia) e anabolismo (consuma energia); comprende anche il metabolismo biosintetico (portano alla costruzione di materiale cellulare). (domanda esame) Alla base dei processi catabolici e anabolici ci sono degli enzimi, e avvengono reazioni di degradazione e biosintetiche; tutto ciò che avviene all’interno della cellula è grazie agli enzimi. I batteri sono in grado di compiere un metabolismo a seconda dei nutrienti utilizzati e comporta catabolismo e anabolismo; fanno in modo che la cellula batterica abbia un sistema aperto e che avvenga uno scambio di sostanze che entrano/escono dalla cellula. Essa espelle all’esterno le sostanze di rifiuto/scarto per esempio l’acido lattico che è considerato un prodotto di scarto e viene quindi espulso dalla cellula. Lo scambio viene regolato dalla membrana citoplasmatica, seleziona le sostanze di scarto grazie al doppio strato fosfolipidico (molecole polari e apolari). Il trasporto attivo è contro gradiente, consuma energia e usa proteine di trasporto.
• I batteri iniziano a differenziarsi (solo alcuni riescono a differenziarsi e produrre spore con gruppo gram +). La spora è priva di acqua ed è una forma inerte che permane nell’ambiente; è un processo reversibile in quanto al ritorno delle condizioni ottimali essa torna a germinare. Sono molto resistenti alle temperature, ad agenti chimici ed il loro scopo è mantenere in vita la cellula. Inizialmente si formano dentro al citoplasma e prende il nome di endospora; al contrario le esospore delle muffe hanno un ruolo riproduttivo. Il quorum sensing si trova anche alla base del processo di sporulazione.
• Un’altra caratteristica che possono fare tutti i batteri è comunicare, tutti possono comunicare tra di loro tramite segnali chimici, con i quali riescono a mettersi d’accordo attraverso un linguaggio per fare qualcosa insieme in un determinato momento.
• Solo in alcuni batteri hanno la possibilità di muoversi, grazie al flagello che è ancorato al corpo della cellula; lo spostamento è dato da un movimento in senso orario e antiorario. Essi hanno dei recettori utilizzati per recepire l’ambiente circostante e in base al movimento che devono compiere (avvicinarsi o allontanarsi) azionano il flagello. Non è l’unico movimento che compiono ma esiste anche lo scivolamento che è un movimento passivo e anche in questo caso viene consumata energia.
• Tutte le cellule si evolvono nel tempo, producono cellule figlie con un genoma differente ed esistono dei fenomeni che modificano il gene. Uno dei fenomeni è la variabilità genetica, un altro è dato dalla coniugazione. Altri 2 processi sono trasduzione (è quando un batterio acquisisce caratteristiche di un altro batterio, trasportate da un batteriofago/acquisizione di DNA batteriofago per mezzo di virus) e trasformazione (processo per il quale un batterio acquisisce del DNA esogeno che incorpora/integra all’interno del proprio; il DNA viene così aggiunto al patrimonio genetico della cellula che lo ha assimilato).