Riassunto esame Biotecnologie microbiche ed elementi di microbiologia medica I, Prof. Longhi Catia, libro consigliato Biologia dei microrganismi, Michael T. Madigan, John M. Martinko, David A. Stahl, David P. Clark

MICROBIOTA:

Definizione data nel 2001 da Lederberg: insieme di microrganismi presenti in un determinato ambiente.

Microbioma: genoma associato alla popolazione microbica che ospita un individuo. Il 95% è al livello del

tratto gastro-intestinale (microbiota intestinale) e ciascun individuo ha un microbiota diverso, come una

sorta di impronta digitale.

La popolazione microbica è complessa, infatti si parla di consorzi microbici: ciascun microrganismo

collabora con l’altro, il ruolo della popolazione microbica è di occupare i siti recettoriali che i potenziali

patogeni possono occupare impedendo il loro legame.

I topi “germ-free”, privi di microbiota, sono maggiormente suscettibili ai patogeni. Se l’individuo è sano il

microbiota è in equilibrio.

I probiotici microrganismi viventi che quando somministrati in adeguate quantità conferiscono beneficio

nell’ospite. Servono per ristabilire la disbiosi, sono composti da lattobacilli, bacilli, lieviti e anche spore

(Enterogermina, spore di Bacillus Clausii)

I prebiotici sono molecole utilizzate dal microbiota, nella maggior parte carboidrati

I postbiotici sono prodotti del microbiota, acidi grassi a catena corta che possono essere usati in modo

diretto.

Trapianto fecale: Trapianto di microbiota intestinale da un paziente sano a uno con patologia, utile nei

trattamenti delle infezioni da Clostridium difficile (Clostridioides difficile), un batterio sporigeno anaerobio

gram+ presente in piccole quantità nel tratto gastrointestinale, è un leader delle infezioni nosocomiali ed è

associato a gravi forme epidemiche, è il principale responsabile di gravi forme di diarrea e può causare la

colite pseudomembranosa, caratterizzata da lesioni necrotiche emorragiche.

CELLULA PROCARIOTICA:

Teoria dell’endosimbionte: i mitocondri sono batteri aerobi fagocitati da una cellula ancestrale, hanno

caratteristiche in comune con la cellula batterica:

• DNA circolare

• Membrana interna simile a quella dei batteri

• Forma e dimensioni simili a quelle dei batteri

• Sensibilità agli antibiotici

Caratteristiche della cellula procariotica:

• Nucleoide: massa aggregata di DNA, un unico cromosoma circolare a doppio filamento.

• Plasmidi: porzioni di DNA che posseggono le proprietà di un cromosoma, si trovano liberi nel

citoplasma. Sono molto importanti dal punto di vista del potere patogeno dei batteri e

dell’antibiotico resistenza.

• Ribosomi: organuli preposti alla sintesi proteica, sono costituiti per il 60% da RNA e per il 40% da

proteine, importanti perché vengono riconosciuti dagli antibiotici.

• Membrana plasmatica: presente sia nei Gram positivi che in quelli negativi, circonda la cellula e

regola il traffico delle molecole. La membrana interna è costituita da un doppio strato fosfolipidico

con i gruppi idrofobici rivolti verso l’interno e quelli idrofili verso l’esterno.

• Parete cellulare: rivestimento esterno presente solo nella cellula procariotica. Avendo una struttura

peculiare è riconosciuta da alcuni antibiotici.

• Capsula: rivestimento batterico, è uno strato polisaccaridico o proteico più esterno alla cellula,

presente sia nei Gram positivi che in quelli negativi (differente dal capside virale)

• Pili: strutture filamentose di ancoraggio presenti sulla superficie della cellula, facilitano l’adesione

cellulare, lo scambio genetico o la mobilità

• Flagelli: strutture deputate prevalentemente al movimento, non sono presenti in tutti i batteri.

• Citoplasma batterico: può presentare delle granulazioni con funzione di accumulo di sostanze di

riserva (glicogeno, polisaccaridi ecc.)

Genoma batterico: costituito dal cromosoma, che contiene i geni housekeeping essenziali per la

sopravvivenza, ed elementi extracromosomici “mobili” che contengono geni non essenziali ma accessori:

determinanti di virulenza, geni responsabili del trasferimento genetico orizzontale o verticale, plasmidi,

elementi trasponibili (sequenze di inserzione, trasposoni, elementi invertibili)

I plasmidi sono piccole molecole di DNA circolare a doppio filamento che esistono e si replicano in maniera

autonoma, il loro materiale genetico può essere scambiato tra batteri con i processi di trasformazione,

trasduzione e coniugazione.

Funzioni della membrana citoplasmatica:

1. Barriera osmotica e sito di permeabilità selettiva e di trasporto mediato da permeasi

2. Sito di fosforilazione ossidativa e della pompa protone-motrice nei batteri aerobi

3. Sito di aggancio del cromosoma batterico durante la duplicazione cellulare.

4. Sito di sintesi della parete cellulare.

L’unità strutturale, la parete cellulare: racchiude la cellula batterica e la protegge, ne condiziona anche la

forma.

1. Protegge la cellula dall’ambiente esterno

2. Protegge la membrana plasmatica da sostanze tossiche e antibiotici

Deve la sua robustezza al peptidoglicano, costituito da uno scheletro di natura polisaccaridica, corte catene

peptidiche e legami crociati tra una catena e l’altra che conferiscono rigidità alla struttura.

Struttura del peptidoglicano: è un polisaccaride costituito da due carboidrati azotati, l’n-acetilglucosamina

e l’acido n-acetilmuramico, e da pochi amminoacidi come L-alanina, D-alanina, acido D-glutammico e o

lisina o acido diaminopimelico (DAP). Questi costituenti sono assemblati a formare un tetrapeptide, le

catene sono tenute insieme da legami crociati tra amminoacidi. Il peptidoglicano può essere distrutto da

alcuni agenti come il lisozima o da antibiotici come la penicillina, che previene la sua biosintesi.

La parete di un gram+ è costituita nel 90% da peptidoglicano ed è più spessa di quella dei gram- perché è

formata da più strati di peptidoglicano intersecati da acidi teicoici e acidi lipoteicoici, legati covalentemente

all’acido muramico del peptidoglicano.

La parete dei gram – è costituita nel 10% da peptidoglicano, la maggior parte è formata dalla membrana

esterna, un ulteriore doppio strato lipidico che contiene anche polisaccaridi, legati ai lipidi a formare un

complesso chiamato strato lipopolisaccaridico o LPS. Sono presenti inoltre canali (porine) per consentire la

diffusione passiva di piccole molecole e proteine carriers per le grandi molecole. Lo spazio fra membrana

esterna e interna è detto spazio periplasmatico, lì vengono secreti degli enzimi che proteggono la cellula,

come le beta lattamasi.

Lipopolisaccaride:

1. lipide A: Parte lipidica, sta a stretto contatto con la membrana cellulare. Costituita da unità

disaccaridiche di glucosamina a cui sono legati acidi grassi a catena lunga. Il lipide A è anche definito

come endotossina perché è un componente tossico per gli animali (es. Salmonella)

2. core: una parte polisaccaridica centrale. Comprende uno zucchero eptoso e acido

ketodeossiottonico (KDO)

3. Antigene O: porzione esterna esposta al sistema immunitario, composto da zuccheri (glucosio,

mannosio, galattosio)

Test gel-clot (LAL test): Test che serve per constatare la presenza o meno di batteri, si basa sul sistema

immunitario del Limulus polyphemus che è in grado di riconoscere i lipopolisaccaridi presenti sulla parete

dei gram- e eliminare i batteri con la formazione di coaguli. Dal sangue si ottiene un lisato di amebociti in

grado di provocare la gelificazione in presenza del lipopolisaccaride batterico (LPS). Se nel farmaco da

testare si formano coaguli non può essere messo in commercio.

Capsula: Strato polisaccaridico o proteico più esterno alla cellula, può essere presente sia nei gram- che nei

gram+, è costituita per il 90% da acqua e contribuisce alla resistenza della cellula batterica, può essere

omopolimerica o eteropolimerica. Colorazione: Poiché le capsule sono generalmente non ioniche e non si

legano facilmente ai coloranti comuni, vengono utilizzate tecniche di colorazione speciali per evidenziarle.

Una delle tecniche più comuni è la colorazione negativa con l’inchiostro di china, che colora lo sfondo

anziché la capsula stessa, infatti l’inchiostro di china presenta delle particelle di carbone che non possono

penetrare all'interno della capsula e quindi i batteri appariranno circondati da un alone chiaro.Funzioni:

resistenza alla fagocitosi, facilita l’adesione ai tessuti dell’ospite e ha proprietà antigeniche.

Appendici batteriche:

Flagelli: lunghi e sottili, protrudono verso l’esterno della cellula, hanno forma elicoidale e la funzione

principale è il movimento cellulare. Sono costituiti dalla proteina flagellina e sono composti da 3 parti, un

filamento unico costituito da subunità proteiche, una sorta di guaina curvata e il corpo basale, una struttura

di anelli che fissano il flagello alla parete cellulare batterica. In base alla posizione dei flagelli i batteri

possono essere classificati:

• Monotrichi: unico flagello ad un polo della cellula;

• Lofotrichi: ciuffo di flagelli

• Anfitrichi: singolo flagello ai due poli della cellula;

• Peritrichi: sono presenti flagelli su tutto il corpo

Pili: strutture filamentose più corte e rigide dei flagelli presenti solo nei gram- e non servono al movimento.

Sono costituite da un'unica proteina, la pilina, e le funzioni principali sono quelle di adesione all’epitelio

della cellula ospite.

METABOLISMO

I batteri producono energia con processi correlati alla presenza o all’assenza di ossigeno

• →

In presenza di ossigeno respirazione aerobia, avviene a livello della membrana cellulare batterica

e l’accettore finale è l’ossigeno

• →

In assenza di ossigeno fermentazione o respirazione anaerobia, possono metabolizzare come

accettore terminale composti organici come il glucosio o inorganici

I batteri possono quindi essere classificati anche per il modo in cui rispondono dal punto di vista

metabolico:

• Aerobi: richiedono la presenza di almeno il 20% di ossigeno, attuano respirazione aerobia

• Anaerobi: crescono in assenza di ossigeno, sono difficili da coltivare, attuano fermentazione e

mancano di alcuni enzimi che permettono di sopravvivere a sostanze e prodotti tossici dell’ossigeno

• Anaerobi facoltativi: possono vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno

Queste caratteristiche vengono sfruttate per l’identificazione in laboratorio con terreni di coltura specifici

come l’agar MacConkey. Usare terreni selettivi serve per indagini presuntive, di identificazione del

microrganismo direttamente dal campione biologico.

DIVISIONE BATTERICA

Simmetrica: dalla cellula madre si formano due cellule figlie

Asimmetrica: formazione di spore

Con l’inizio della replicazione del DNA la cellula aumenta di volume per la produzione di nuovi eleme