Appunti di Microbiologia

Microbiologia

La microbiologia è la scienza che tratta dei microbi, agenti infettivi che causano malattie infettive, concetto simile ma diverso da quello di infezione, usato popolarmente. I microbi sono organismi quasi sempre unicellulari, che possono avere un’organizzazione cellulare eucariota o procariota. A questo gruppo di microrganismi unicellulari, veri e propri esseri viventi, si associano anche i virus, che non sono organismi perché non hanno un’organizzazione cellulare che consente di riprodursi autonomamente e diventano biologicamente attivi quando penetrano nelle cellule, portandole a distruzione. Sono agenti infettivi che hanno una struttura composta da acido nucleico racchiuso in un capside, struttura proteica.

Procarioti

• Batteri: principale raggruppamento di microbi. Sono organismi di piccole dimensioni, generalmente di 1 μm, con una parete cellulare rigida, importante per il batterio, e molto semplici, primitive e prive di un vero e proprio nucleo.
• Funghi o miceti, come la candida, sono caratterizzati da unicellularità, con sporadica formazione pluricellulare, senza però un’organizzazione in tessuti. Sono caratterizzati da una parete cellulare rigida simile a quella dei batteri.
• Protozoi, come il toxoplasma, sono organismi unicellulari privi di parete cellulare e che non si organizzano in formazioni pluricellulari.

Batteriologia

I batteri sono responsabili della maggior parte delle malattie infettive umane. L'involucro più esterno che circonda la cellula batterica, non sempre presente poiché è una struttura facoltativa, è chiamata capsula, accumulo di materiale viscoso extracellulare, più o meno abbondante, formato da polisaccaridi particolarmente abbondanti che la rendono scivolosa. La capsula serve a conferire al batterio che la possiede la capacità di resistere alla fagocitosi. Un batterio non capsulato ha sulla sua superficie delle strutture che vengono riconosciute dal macrofago tramite i suoi recettori.

Quando avviene ciò, si attiva la membrana del fagocita che circonda il batterio tramite la formazione di pseudopodi, lo incapsula in un vacuolo e poi lo digerisce. I batteri capsulati non vengono riconosciuti poiché i recettori dei macrofagi non entrano in contatto con le molecole della superficie del batterio, perciò non avviene la fagocitosi. Ecco perché i batteri capsulati sono più virulenti, più aggressivi, rispetto ai batteri non capsulati.

Sotto la capsula, c’è la parete cellulare, struttura rigida presente in quasi tutti i batteri, formata da un’unità di base chiamata peptidoglicano, formata da una componente peptidica e da una componente zuccherina, che si ripete numerose volte formando una maglia di spessore diverso a seconda della tipologia di batterio ed è presente solo nelle cellule batteriche. Questa molecola è presente per circa il 90% nei gram+, mentre è presente per solo il 10/15% nei gram-, che presentano all’esterno un’altra membrana in cui è inserita l’endotossina, sostanza che conferisce al batterio potere patogeno, e che se rilasciata provoca una serie di eventi di varia natura.

Essa è la struttura fondamentale e più importante per i batteri e serve a opporsi allo scoppio o lisi osmotica della cellula. All’interno della cellula batterica c’è un’elevata pressione osmotica, la pressione dovuta alle particelle di soluto, che tenderebbe ad assorbire l’acqua dell’ambiente esterno e a gonfiarsi fino ad esplodere, poiché i batteri possono vivere in ambienti altamente variabili, in condizioni ambientali mutevoli e talvolta estreme. Alcuni farmaci, come la penicillina, inibiscono la formazione della parete cellulare, quindi il batterio si gonfia ed esplode, annientando così l’infezione.

Sotto la parete cellulare, è presente la membrana citoplasmatica, strutturalmente e fisiologicamente analoga a quella degli eucarioti, con doppio strato fosfolipidico che conferisce permeabilità selettiva, cioè che attira dentro di sé i nutrienti e espelle fuori i cataboliti. La membrana plasmatica può creare talvolta delle invaginazioni all’interno del citoplasma, che formano i mesosomi, che svolgono un ruolo importante nella divisione cellulare.

Sulla superficie della cellula batterica possono essere presenti delle appendici filiformi di diverse tipologie, come pili o fimbrie, strutture filamentose relativamente brevi formati da una proteina chiamata pilina, e sono di solito presenti in numero molto elevato. Questi pili svolgono una funzione fondamentale per l’infezione, poiché sono le strutture che favoriscono l’adesione del batterio alle cellule, soprattutto delle mucose, da infettare, e senza non sarebbero in grado di creare infezione.

Possono essere presenti altre strutture filiformi più lunghe, chiamate flagelli, che rappresentano l’organulo di movimento dei batteri, rendendo i batteri che li possiedono mobili. Può essere presente un unico flagello su un polo, detti monotrichi, numerosi flagelli sullo stesso polo, detti anfitrichi, su poli diversi e su tutto il corpo del batterio, detti peritrichi.

Il citoplasma batterico si caratterizza per l’assenza di organuli citoplasmatici né un nucleo ben definito, elementi tipici delle cellule eucariotiche, fatta eccezione dei ribosomi, presenti in abbondante quantità e che, anche se diversi per struttura, svolgono la stessa funzione di sintesi proteica dei ribosomi delle cellule eucarioti. Il fatto che sono molto numerosi indica che i batteri sono macchine metaboliche molto attive.

I procarioti non hanno un nucleo con membrana, cromosomi e nucleolo, ma il materiale genetico batterico è costituito da un unico cromosoma circolare costituito da DNA circolare a doppia elica, DNA nudo privo di proteine istoniche. I batteri possono essere considerati quindi cellule aploidi, importante dal punto di vista biologico, perché ogni mutazione si esprime immediatamente e non viene compensata dal gene presente sul cromosoma complementare, e se è favorevole al batterio acquisirà caratteristiche nuove, mentre se sarà sfavorevole, il clone batterico andrà incontro a morte, con selezione negativa.

I batteri possono presentare anche plasmidi, piccole porzioni di DNA circolare, considerati come mini-cromosomi, che possiedono pochissimi geni, importanti perché è il modo con cui i batteri possono scambiarsi i geni cromosomici e i geni plasmidici, ricombinandosi. Essi servono a fornire informazioni accessorie, come la produzione di tossine (molecole tossiche che sono il mezzo con cui il batterio determina il danno tessutale e l’alterazione di una funzione, nonché morte cellulare), la produzione di pili o altre molecole di adesione, la formazione della capsula, la produzione di enzimi che conferiscono la farmaco resistenza e anche la produzione dell’apparato coniugativo, sistema che permette ai batteri di coniugarsi, cioè di “accoppiarsi”, scambiandosi tramite un pilo, un ponte citoplasmatico, materiale genetico, facendo sviluppare quindi una specie di sessualità che consente la ricombinazione genetica, nonostante siano cellule primitive.

In questo modo possono sopravvivere a condizioni sfavorevoli, sia ambientali che per la presenza di un farmaco antibiotico. Poiché i plasmidi possono scambiarsi tra i vari batteri, ciò comporta la possibilità di scambio di informazioni, spiegando in questo modo la resistenza farmacologica. I batteri si dividono con un meccanismo semplice, la fissione binaria, poiché da una cellula, alla fine della divisione, se ne formano due. Questo processo che in condizioni normali può essere anche estremamente rapido, anche minuti, e influenza quindi il decorso della malattia.

Quando la cellula si trova in presenza di sostanze nutritive e in un ambiente favorevole, cresce, genera energia e replica il suo DNA, formando un altro cromosoma con un processo semiconservativo e simmetrica. La doppia elica del cromosoma si apre nell’origine di replicazione, ogni zona viene copiata e a poco a poco si stacca, e ogni cromosoma si ancora alla membrana. Interviene quindi un mesosoma settale, che invaginandosi sempre di più all’interno del citoplasma porta alla separazione delle due cellule figlie, e il DNA, alla fine, si sposta nella parte centrale della nuova cellula.

Un limitato gruppo di batteri viene definito “Sporigeni”, poiché essi si possono trasformare in una forma cellulare di resistenza, detta spora batterica quando le condizioni ambientali diventano sfavorevoli, andando incontro a un processo di differenziamento cellulare. Quando le condizioni diventano favorevoli, la spora germina e ritorna alla forma vegetativa, cioè quella iniziale. Le spore batteriche hanno una forma completamente diversa da quella del batterio iniziale ed è in grado di vivere in ambiente ostili, per clima e per presenza di raggi UV, senza sostanze nutritive e acqua anche per lunghi periodi, (decine di anni). Da notare che questa trasformazione ha solo scopo di sopravvivenza per la singola cellula batterica, e non di propagazione come avviene nei funghi. La forma sporigena è la più termoresistente forma di vita presente in natura ed è per questo che la sterilizzazione di attrezzi chirurgici si basa sulle condizioni per eliminare le spore batteriche, sia con calore secco, cioè mediato da aria, sia con calore umido, cioè mediato da acqua.

Classificazione batterica

• Proprietà tintoriali. Questa classificazione si basa su come i batteri si comportano nei confronti di due specifiche tecniche di colorazione, la colorazione di Gram e la colorazione di Ziehl-Neelson, quest’ultima relativa a un gruppo specifico di batteri Gram +, detti micobatteri. La colorazione di Gram, dal nome del batteriologo danese, è il metodo base per identificare i batteri. Si posiziona il campione su un vetrino e vi si versa sopra per un minuto il colorante cristal violetto, poi si versa la soluzione a base di iodio per fissare il colorante per un altro minuto. Quindi, si decolora per 30-60 secondi con acetone e si versa un nuovo colorante per fare contrasto, cioè il rosso safranina, che colorerà i batteri che sono stati decolorati. Per definizione, i batteri che resistono alla decolorazione sono detti Gram+, gli altri Gram-. La resistenza alla decolorazione è dovuta alla presenza del peptidoglicano. L’acetone determina un restringimento delle maglie, per cui il colorante cristal violetto non riesce a uscire dai Gram+. Il colorante penetra tra le maglie del peptidoglicano dei Gram+ perché presente in abbondanza, mentre non riesce a penetrare in quello dei Gram-, e conoscere la natura della parete batterica è importante per effettuare una diagnosi e una conseguente cura.
• La colorazione di Ziehl-Neelson si applica a un gruppo di Gram+ detti Micobatteri, il cui più noto è il M. Tuberculosis, bacillo tubercolare, e M. Leprae, il bacillo della lebbra. Il procedimento è simile al precedente: si fissa il campione sul vetrino e si colora con la Fucsina Fenicata per circa cinque minuti fornendo calore. Si lava poi con acqua e si decolora con una miscela di alcol e acido forte, per circa 1-2 minuti, poi si lava nuovamente con acqua: in questo modo verranno decolorati solo i micobatteri, che sono detti anche alcol-acido-resistenti. Si colora quindi col il blu di metilene per 30 secondi, che creerà contrasto.
• Morfologia batterica. I batteri possono essere fondamentalmente di tre tipi:
  • Batteri con forma sferica, che vengono chiamati anche cocchi. I cocchi possono disporsi in modo caratteristico, secondo la disposizione post-fissionali, ovvero dopo divisione cellulare:
    • I diplococchi si dispongono a coppia attaccati.
    • Gli streptococchi si dispongono a catenella.
    • Gli stafilococchi si dispongono a grappolo d’uva, in ammassi irregolari.
  • Batteri con forma allungata dritta, che vengono chiamati bacilli. I bacilli non hanno le disposizioni caratteristiche come hanno i cocchi, ma talvolta si possono trovare in catenelle più o meno lunghe, prendendo il nome di streptobacilli. Esistono bacilli che hanno forma bacillare ricurva:
    • I vibrioni sono bacilli di forma ricurva, come il Vibrione del colera.
    • Gli spirini sono batteri molto lunghi che hanno numerose spire e sono spessi, solitamente non patogeni ma commensali saprofiti.
    • Le spirochete hanno numerose spire e sono molto più sottili dei comuni batteri, come la spirocheta Pallidum, agente della sifilide.
  • Batteri con forma intermedia, che vengono chiamati coccobacilli.
• Caratteristiche metaboliche. Il principale carattere metabolico che si prende in considerazione è il comportamento dei batteri in relazione al loro bisogno di ossigeno.
  • Gli aerobi stretti o obbligati sono quei batteri che hanno bisogno di ossigeno per il loro sviluppo, come le nostre cellule.
  • Gli anaerobi obbligati sono quei batteri che non hanno bisogno di ossigeno per il loro sviluppo, anzi esso è per loro tossico, come l’agente del tetano, difficile da curare perché si diffonde in tessuti colpiti da ischemia, cioè a cui non arriva sangue.
  • Gli aerobi o anaerobi facoltativi sono quei batteri che possono svilupparsi sia in presenza che in assenza di ossigeno: nel primo caso si svilupperanno più velocemente, nel secondo caso produrranno energia tramite processi di tipo fermentativo.

Il processo infettivo

Le malattie infettive sono per la maggior parte contagiose, ma non tutte, come per esempio il tetano. Per infezione si intende il processo che vede la proliferazione dei microrganismi nei tessuti, ma non necessariamente genera una malattia, mentre per malattia infettiva si intende la malattia sostenuta dall’attività dei microrganismi. Le infezioni possono avere due origini:

• Le infezioni esogene sono sostenute da microrganismi esterni all’organismo e hanno come fonte di infezione gli altri esseri umani, gli animali e l’ambiente circostante e hanno cinque modalità di trasmissione:
  1. Via aerogena o respiratoria, cioè la trasmissione tipica dei microrganismi che infettano l’apparato respiratorio, ma non solo, e che si trasmettono tramite aerosol, per esempio con colpi di tosse, con starnuti, con scambio di saliva e anche con il semplice parlare. Le tipiche malattie trasmesse sono tubercolosi, difterite, polmoniti in genere, pertosse e meningite. La diffusione di questo genere di microrganismi è quella su cui esercitare il controllo è molto difficile, poiché non si può impedire agli individui il semplice contatto sociale e la vita di relazione.
  2. Via alimentare per ingestione, cioè la trasmissione tipica di microrganismi che infettano l’apparato intestinale di un individuo o che si trovano in alimenti che talvolta non vengono cotti, come uova e frutti di mare. La trasmissione dei microrganismi con ciclo oro fecale avviene in ambienti insalubri, poiché i microrganismi vengono espulsi con le feci da un soggetto infetto, vengono a contatto con acque potabili o alimenti e si trasmettono quindi ad altri individui. Le tipiche malattie trasmesse sono salmonellosi, dissenteria, colera, tifo addominale, botulismo e brucellosi. La diffusione di questo genere di microrganismi si può impedire facilmente con cottura dei cibi e con un’ingegneria fognaria accurata, tipica dei paesi più industrializzati.
  3. Per contagio sessuale, cioè la trasmissione tipica di microrganismi che vivono o che infettano l’apparato urogenitale, sia maschile che femminile, che di solito sono molto labili all’esterno delle zone di infezione, cioè non vivono a lungo. Questo genere di malattie è anche in grado di passare dalla madre al figlio, sia prima che dopo il parto, e in passato erano la principale causa di morte dei neonati. Comprende le cosiddette malattie veneree (termine erroneo perché significa “trasmesse dalle donne”), come sifilide e gonorrea. La trasmissione di queste malattie è controllabile, ma dipende dal comportamento dell’individuo stesso, se decide o meno di usare precauzioni come il profilattico.
  4. Per penetrazione traumatica o lesione, di qualsiasi entità, cioè la trasmissione di microrganismi all’interno dell’organismo da una ferita o da un’ustione della cute, barriera impenetrabile se integra. In caso di gravi ustioni, può addirittura sopraggiungere la morte non solo per lo shock ma anche per infezione di batteri normalmente non patogeni, come quelli ambientali. Le malattie più diffuse sono quella del tetano, verso cui la maggior parte di noi è vaccinata e quelle appunto causate da batteri di vario genere che penetrano nell’organismo, portando infezioni.
  5. Inoculazione diretta, come per esempio attraverso la puntura di artropodi ematofagi, come zecche, zanzare e pidocchi, che pungono un individuo infetto e subito dopo un altro individuo a cui trasmettono la malattia.
• Le infezioni endogene hanno come origine microrganismi che provengono dalla nostra flora batterica normale, cioè la flora batterica di cute e mucose interne. Queste, nei paesi occidentali e industrializzati, sono le più frequenti, poiché spesso siamo vaccinati contro microrganismi esterni. Il nostro organismo contiene naturalmente un numero di batteri circa 10 volte superiore al numero delle cellule che costituiscono il nostro organismo. Alcuni hanno patogenicità insignificante o addirittura nulla, altri possono essere per noi altamente patogeni: per esempio, a livello orofaringeo, è presente naturalmente lo S. Pyogenes e lo Pneumococco, batteri che causano malattie anche mortali. Succede spesso quindi che un individuo sia portatore sano e possa trasmettere il microrganismo a un individuo suscettibile che può contrarre l’infezione e ammalarsi.