Appunti di Microbiologia generale

Federico Tagliabue - Microbiologia generale

Che cos'è la microbiologia e cosa studia?

La microbiologia è la scienza che studia gli esseri viventi microbici, ossia i microrganismi. La microbiologia coinvolge molte aree disciplinari ed è applicata in molti contesti: in sostanza, è difficile individuare un settore dove non servano competenze di microbiologia. La microbiologia si divide in cellulare, ambientale, molecolare; e in virologia, ecologia microbica, genetica, microbiologia medica e può trovare applicazioni in diverse aree: industria agro-alimentare, biotecnologie industriali o ambientali, industria chimica, medicina diagnostica, ambiente ed energia.

Ad esempio, il poter controllare la crescita microbica ha importanza sulla conservazione di un alimento: se un prodotto è confezionato è obbligatorio indicare la data di scadenza e quindi il numero di microrganismi presenti in quell'alimento (carico microbiologico). Ad esempio, tutti i prodotti latteo-caseari hanno una componente microbica, tutti i prodotti freschi ce l'hanno; tutti i componenti biologici presentano microrganismi, non esiste un ambiente naturale sterilizzato. Anche gli alimenti in scatola hanno subito un abbattimento della carica microbiologica per essere conservati. Inoltre, i microrganismi possono essere utilizzati per ottenere prodotti con un determinato sapore/odore selezionandoli.

Infine, il microbioma umano è molto importante in termini di salute dell’uomo; il 99% dei microrganismi non sono patogeni, il restante è importante per garantire la salute dell’uomo. Tutti gli esseri viventi presentano un numero elevato di microrganismi che si sono adattati e, nel caso dell’uomo, hanno un ruolo fondamentale per mantenere la salute. Quando si parla di microrganismi occorre fare attenzione alla loro utilità ma anche alla sicurezza, perché esistono microrganismi associati a fenomeni di patogenesi. In altre parole, un microrganismo può avere due utilità, che dipendono dal contesto. Per quanto riguarda i microrganismi patogeni, per loro non c'è una seconda possibilità, ovvero se sono patogeni lo sono e non possono portare benefici al prodotto, ma solo danneggiare l'uomo. Il “pericolo biologico” è il pericolo dovuto alla presenza di microrganismi patogeni.

Sono moltissime le produzioni alimentari che necessitano di microrganismi per ottenere i loro prodotti: per esempio, il settore caseario (per la produzione di yogurt, burro, etc.), la produzione di bevande alcoliche (che ha bisogno di lieviti e batteri), nell'industria del cacao (che necessita di una fermentazione microbica per ottenere la polvere di cacao), nella produzione degli insaccati, nella produzione di prodotti da forno (che ha bisogno di lieviti e batteri), etc. È rarissimo trovare alimenti che non contengano una componente microbica.

Classificazione esseri viventi

La capacità dell’uomo di catalogare si è evoluta molto. Tradizionalmente, gli esseri viventi erano divisi in piante (funghi, alghe, batteri, piante) e animali (protozoi e animali); nel 1886 è stato poi aggiunto il regno dei protisti che comprende protozoi, funghi, alghe e batteri; successivamente si è avuta la distinzione in procarioti ed eucarioti (1938). Infine, si è arrivati al 1990 quando è stata proposta la distinzione in batteri, archea, eucarioti grazie alla lettura delle sequenze degli acidi nucleici.

Esistono quindi tre domini: Bacteria, Archaea ed Eucarya, che differiscono sostanzialmente per la struttura della cellula. Gli Archeabatteri sono batteri che colonizzano ambienti estremi (alte temperature, alta concentrazione salina…). Il modo in cui i microrganismi sono classificati dipende da come e quando vengono fatte le scoperte; la classificazione più corretta è sicuramente conseguenza della scoperta del DNA e delle informazioni contenute in esso. Questa nuova suddivisione si basava sul fatto che al microscopio si distinguevano cellule con struttura semplice da quelle con struttura complessa. La branca della scienza che si occupa di classificare i microrganismi è detta tassonomia microbica. Grazie alla classificazione possono poi essere costruiti gli alberi filogenetici che mettono in rapporto organismi diversi; si tratta degli schemi che permettono di stabilire la distanza evolutiva che c’è tra un soggetto biologico e un altro. Ogni ramo è il risultato di un algoritmo matematico che prende in considerazione la distanza che può essere piccola o grande in base all’evoluzione. È il risultato di un calcolo basato su un confronto tra un’informazione comune presente nel genoma di tutti gli organismi viventi e si misura così la diversità.

Microrganismi

Con la parola microrganismi si intendono organismi di piccole dimensioni per osservare i quali ho bisogno del microscopio. Antonj van Leeuwenhoek (1632-1723) è stato il primo ad usare un microscopio rudimentale e a disegnare i microrganismi per come li vedeva da microscopio. Essi comprendono:

• Batteri
• Funghi
• Alghe
• Protozoi

Se si parla di microorganismi unicellulari, l’entità fondamentale è la cellula. Essa è l’unità base di tutti gli organismi viventi ed è in grado di svolgere attività metaboliche che le consentono di replicarsi, ma anche di apportare modifiche nell’ambiente in cui vive. Normalmente, i microrganismi sono unicellulari e la cellula è organizzata in:

• Membrana cellulare
• Parete cellulare
• DNA o materiale nucleare
• Citoplasma

La membrana citoplasmatica è la struttura che separa l’entità vivente dall’ambiente esterno e che presiede a tutti i rapporti tra interno ed esterno, di cui il più importante è il trasporto in ingresso e in uscita di molecole. Nel citoplasma sono immersi i ribosomi, piccoli corpi responsabili della sintesi proteica. Esso rappresenta una parte ampia della cellula, all’interno della quale sono contenute diverse strutture, che variano a seconda del grado di evoluzione della cellula.

Tutte le cellule, dalla più semplice alla più evoluta, contengono l’acido desossiribonucleico (DNA), la molecola che porta l’informazione genetica. In alcuni microrganismi viventi, a queste strutture se ne aggiungono altre, come la parete cellulare, che si forma all’esterno della membrana e ne sono dotati i batteri, ai quali conferisce la forma, i funghi, le cellule vegetali; è assente invece nelle cellule animali, che sono rinforzate all’esterno dal citoscheletro.

Eucarioti e procarioti

La cellula eucariote ha una struttura compartimentata, ossia è divisa in compartimenti, ed è più complessa:

• Ha una membrana nucleare in cui è contenuto il nucleo con il DNA
• Ha organelli delimitati dalle loro membrane (mitocondri, plastidi, etc)
• Non ha la parete cellulare
• La struttura dei ribosomi è 80s

La cellula procariote (archea e batteri) non è compartimentata, quindi ha una struttura più semplice: ha il materiale nucleare disperso nella cellula, ossia non possiede membrana nucleare, non ha organelli, la parete cellulare di peptidoglicano esiste solo nei batteri, infine hanno ribosomi 70s. Un’altra differenza importante tra la cellula procariote e quella eucariote sono le dimensioni: un batterio può essere grande circa 1 µm (10^-6 m), mentre una cellula eucariote può avere dimensioni 10-50-100 volte maggiori.

Principali caratteri distintivi tra procarioti ed eucarioti

Oltre alle caratteristiche sopra citate, ricordiamo che i procarioti hanno un solo cromosoma, in alcuni casi anche due, ma in singola copia, mentre gli eucarioti possiedono più cromosomi e in doppia copia. I procarioti non fanno la riproduzione sessuale, in quanto fanno solo mitosi e non meiosi, mentre gli eucarioti fanno sia mitosi che meiosi, quindi hanno la possibilità della riproduzione sessuale. Fra le strutture citoplasmatiche ricordiamo che i procarioti non hanno organelli (mitocondri e cloroplasti), a differenza degli eucarioti che li hanno. In più, gli eucarioti hanno ribosomi 80s, mentre i procarioti li hanno 70s.

Le dimensioni sono sostanzialmente diverse: le misure dei procarioti vanno da 1 a 10 µm, quelle degli eucarioti da 10 a 100 µm. La compartimentalizzazione è differente: la cellula eucariotica contiene organelli, possiede un nucleo, il reticolo endoplasmatico, i mitocondri, le funzioni sono dislocate nei vari compartimenti, è una cellula compartimentata; quella procariotica ha membrana cellulare ma è una cellula non compartimentata, la dislocazione delle funzioni è più semplice.

Negli eucarioti c’è una membrana nucleare che contiene al suo interno il materiale genetico; nei procarioti il materiale è sparso nella cellula, il DNA è all’interno ma non è separato, dove costituisce il nucleosoma. È sempre assente nei batteri e negli archea. Gli eucarioti possiedono degli organelli (es. plastidi, cloroplasti, mitocondri). I procarioti hanno una struttura di rivestimento esterno detta parete cellulare, molto robusta.

La differenza di ribosomi: hanno dimensioni diverse che per i procarioti è di 70S, mentre negli eucarioti pesano 80S, sono leggermente più grossi. Il peso dei ribosomi è stata una delle prime differenze evidenziate tra le cellule di un tipo e dell’altro; si è scoperto che quelli dei procarioti sedimentano con più difficoltà perché sono più leggeri. S è l’unità di misura che si utilizza e dà un’indicazione sulla velocità di sedimentazione.

Negli eucarioti i cromosomi possono essere due o più, mentre nei batteri è uno, si ha un’unica copia, alcuni ne hanno un paio ma non di più. Il meccanismo di duplicazione: negli eucarioti si può avere la meiosi o la mitosi; la meiosi, che sottintende la riproduzione sessuata, non esiste nel mondo dei procarioti. Nei procarioti le cellule si dividono solo per mitosi. Tutte le cellule, che siano procariotiche o eucariotiche, sono separate dall’ambiente esterno dalla membrana cellulare, la quale ha un’importanza fondamentale: la membrana non distingue ma identifica la presenza di una cellula. Negli eucarioti e nei batteri la componente idrofobica dei lipidi che costituiscono la membrana è rappresentata da lunghe catene di acidi grassi legate da un legame estere alla parte idrofilica. Nella cellula batterica al di sopra della membrana cellulare c’è la parete cellulare.

Ribosomi

Sono presenti sia negli eucarioti sia nei procarioti, ma hanno forma e dimensioni differenti. La S che troviamo nella dicitura dei ribosomi non è altro che l’unità di misura della loro dimensione. In altre parole, S è il coefficiente di sedimentazione (in secondi). Per ottenere questo coefficiente occorre mettere i ribosomi in sospensione in una provetta, mettere una provetta in una centrifuga e vedere a quanto corrisponde la velocità di sedimentazione, ovvero in quanto tempo il mio ribosoma raggiunge il fondo della provetta. Più grande è il mio ribosoma maggiore sarà la mia velocità di sedimentazione.

Mitosi e meiosi

La mitosi è la divisione della cellula in due cellule figlie. Avviene sia nei procarioti che negli eucarioti. Invece la meiosi è la riproduzione sessuata che avviene solo negli eucarioti. Quindi per gli eucarioti ho due possibilità di riproduzione: mitosi e meiosi. La riproduzione dei procarioti è asessuata e avviene a seguito della duplicazione della cellula, successiva alla duplicazione del cromosoma. Per questo i procarioti sono detti aploidi. Negli eucarioti i cromosomi sono in duplice copia, una ereditata dalla femmina e l’altra dal maschio della coppia parentale. Pertanto essi sono diploidi. La riproduzione avviene con la formazione di gameti che, attraverso la meiosi (separazione delle coppie di cromosomi), ricevono un’unica copia della serie di cromosomi della cellula da cui derivano, e con la fusione dei gameti (maschile e femminile) con conseguente formazione dello zigote, diploide.

Segue la mitosi, che comporta la duplicazione dei cromosomi, la loro segregazione attraverso il fuso mitotico e la divisione cellulare in due cellule diploidi. Nel caso dei microrganismi, la crescita si misura contando il numero di microrganismi; si parla di organismi unicellulari che si dividono per mitosi, la quale è una divisione che aumenta il numero degli individui in modo esponenziale. Negli eucarioti si può avere la mitosi da una cellula a due, ma anche la meiosi, la quale genera cellule di tipo sessuato diverse da quella iniziale, arricchendo così il materiale genetico delle generazioni successive. Con la mitosi difficilmente si ha una diversificazione.

Origine degli eucarioti e teoria evolutiva

La teoria evolutiva è una teoria che si basa su un concetto: le cellule più complesse (eucariotiche) sono cellule che sono semplicemente derivate dall’unione di due cellule più semplici, ovvero con processo di simbiosi; una cellula è entrata nell’altra generando un organismo nuovo più efficiente e vincente dal punto di vista evolutivo. È possibile notare che gli organelli degli eucarioti sono delimitati dalla membrana cellulare nell’interno della cellula, il materiale genetico si trova nei mitocondri: la teoria ipotizzata ha come base il fatto che quando si separano i mitocondri dal resto della cellula si nota che in essi c’è del DNA che assomiglia molto a quello delle cellule procariotiche e quindi diverso da quello presente nel nucleo.

Gli eucarioti si sono ottenuti dalla fusione di due organismi procarioti (forse un batterio e un archea). Uno degli organismi si è insediato nell’altro ed è diventato un organello della cellula complessa che si è formata. Quindi la simbiosi è alla base dello sviluppo degli organismi superiori. Infatti, per esempio, i mitocondri sono ciò che rimane di una cellula entrata in un’altra e ha fatto simbiosi. Arrivo a questa tesi osservando la cellula. All’interno della cellula eucariotica troviamo due tipi di DNA: quello contenuto nel nucleo (diviso durante la divisione della cellula) e quello mitocondriale (ereditato interamente dalla cellula madre). Quindi da questa osservazione deduco che il mitocondrio sia stata in passato una cellula a parte.

Forme dei microrganismi

Da quanto tempo i microrganismi esistono sul nostro pianeta? 4 miliardi di anni fa iniziano ad apparire sul nostro pianeta organismi procarioti anaerobi, siccome l’ossigeno non è ancora presente sul pianeta. Successivamente si sviluppano organismi fotosintetici e solo 3 milioni di anni fa compaiono i primi ominidi. I microrganismi presentano una notevole varietà di forme che possono essere ricondotte a due morfologie fondamentali: la cilindrica e la sferica. Quelli di forma cilindrica sono chiamati bacilli o bastoncini, mentre quelli a forma sferica cocchi.

Essi poi possono congiungersi con altri simili e costituire formazioni di varia forma, ma i microrganismi rimangono sempre organismi unicellulari indipendenti che svolgono le loro funzioni vitali a prescindere dal fatto che siano posizionati adiacenti a loro simili poiché non c’è comunicazione tra le cellule, sono semplicemente unite. Otteniamo così formazioni a catenelle, a petali, a cubo, grumi sferici, catene spiraliformi etc. Inoltre, avere una crescita a catenelle significa avere delle unità più pesanti di quelle singole. Quando i bacilli assumono forme ricurve a virgola sono chiamati vibrioni, mentre quando sono allungati e spiraliformi sono detti spirilli se rigidi, o spirochete se flessibili. Una catena costituita da due cellule sferiche è detta diplococco; se la catena è più lunga si chiama streptococco, mentre se si produce un aggregato disordinato di cellule questo è detto stafilococco. Anche i bacilli possono formare catene costituite da due cellule (diplobacilli) o catene formate da un numero superiore di cellule (streptobacilli).

Microscopio

I microrganismi sono tutti piccoli; una cellula di un batterio ha circa un diametro di 10^-6 m = 1 µm. Le dimensioni variano da 0,5 a 2 µm di lunghezza se la cellula ha una forma sferica. Quando si parla di microrganismi si definiscono delle dimensioni e bisogna utilizzare il microscopio ottico. La dimensione più piccola che l’occhio riesce a distinguere è mezzo millimetro, un batterio è grande massimo 1 µm, quindi per riuscire a vederlo a 1 mm devo ingrandire 1000 volte. I microscopi ottici ingrandiscono 1000 o 2000 volte.

Il microscopio è lo strumento principale per chi fa microbiologia. Un microscopio è fatto da diverse componenti: le lenti per ingrandire, gli obiettivi e gli oculari per l’ingrandimento. Per sapere quanto si sta ingrandendo bisogna vedere cosa c’è scritto sull’obiettivo, che può essere da 10x a 100x, e sugli oculari che sono 10x. L’ingrandimento totale si ottiene moltiplicando quello dell’oculare per quello dell’obiettivo: es. 1000= 10 x 100.

Struttura del microscopio:

• Struttura che contiene una sorgente luminosa
• Piano di appoggio
• Cuore: lenti negli obiettivi (100 o 200 ingrandimenti) + lenti nell’oculare (10x)
• Condensatore

Percorso della luce nel microscopio: dalla sorgente luminosa, la luce viene convogliata in un diaframma che regola...