Appunti di microbiologia - parte I

MICROBIOLOGIA

Microbi o microrganismi: Sono definiti come organismi viventi visibili soli al

microscopio. Essi vivono ovunque come per esempio nella frutta, nei laboratori

ecc. e sono dei veri e propri lavoratori instancabili nel senso che 1g di lievito

riesce a trasformare 300g di zucchero in alcool etilico in un ora di tempo,

oppure 1g di lattobacilli (batteri responsabili della trasformazione del latte in

yogurt) trasformano 8 kg di lattosio in acido lattico in circa 1 ora.

I microrganismi si coltivano mediante l’uso di piastre petri mediante mezzo

nutritivo.

Biotecnologia È l’uso integrato di microbiologia, biochimica e ingegneria al

fine di realizzare l’applicazione industriale delle capacità potenziale dei

microrganismi, cellule di tessuti coltivati e loro parti. E’ utilizzata come

penicillina e cortisone.

Gli organismi viventi che popolano il nostro pianeta sono caratterizzati da una

vasta diversità, tanto che su 13 milioni di specie, solo 1,7 sono state studiate e

descritte.

Occorre con ciò classificare e quindi organizzare l’informazione degli organismi

viventi raggruppando gli esseri simili fra loro, tramite la tassonomia.

La tassonomia è articolata in tre stadi:

1) Organizzazioni specie mediante la loro similarità.

2) Denominazione organismi e gruppi.

3) Identificazione organismi isolati dall’ambiente.

La prima vera suddivisione degli organismi viventi fu fatta nel 1700 da Linneo

ed erano organizzati in due grandi regni piante e animali. Questo tipo di

classificazione poneva dei grossi problemi riguardo ai procarioti funghi e

microrganismi.

In seguito nel 1969 Whittaker divise in ben 5 regni diversi tutti gli esseri viventi

in base al loro modo di nutrizione in:

1) Regno Plantae Fotosintetici (autotrofi)

2) Regno Animalia Ingeriscono cibi solidi (eterotrofi).

3) Regno Fungi Assorbono nutrienti in soluzione.

E In base alla presenza o meno della membrana cellulare divide

poi:

4) Regno protista Unicellulari, eucarioti (protozoi, alghe e mixomiceti).

5) Regno Monera Unicellulari, procarioti (batteri e cianobatteri).

Nel 1990 lo scienziato Woese, classificò tutti gli esseri viventi, secondo tre

domini e cioè:

1) Bacteria.

1) Archaea Metanogeni e Estremofili.

2) Eucarya Ciliati, flagellati, piante, funghi e animali.

In seguito, con la scoperta della molecola di DNA fu studiata l’organizzazione

degli organismi viventi a livello molecolare e si è scoperto che sia l’RNA e lo

stesso DNA, possono fungere da veri e propri cronometri evolutivi in quanto le

differenze fra le specie, possono essere rilevate studiando le diverse sequenze

dei loro nucleotidi, in quanto il numero di differenze nella sequenza è

proporzionale al numero di mutazioni avvenute nel DNA.

Così nasce la filogenesi molecolare, cioè lo studio delle variazioni storiche

delle molecole di DNA degli organismi viventi. Da qui si ha una vera e propria

analisi filogenetica molecolare in cui si vanno a individuare, tutte le sequenze

macromolecolari per descrivere e analizzare tutte le differenze fra una

sequenza o l’altra di DNA, RNA o proteine fra un essere vivente e l’altro. Questo

tipo di studi è stato fondamentale per classificare i microrganismi.

Una volta che si è ricostruita la sequenza di nucleotidi degli esseri viventi che si

vogliono studiare, si rapportano guardando le differenze fra l’uno e l’altro come

nel seguente esempio:

Essere Umano: GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGT

Lievito : GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGTTGCAGT

Mais: GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTTAAGTTGTTGCAGT

E. coli: GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCG

Di seguito, il procedimento per arrivarci.

PCR (Polymerase Chain Reaction).

Il metodo usato per il seguente processo è il

La PCR, serve ad amplificare logaritmicamente una singola molecola di un gene in diversi cicli.

Un ciclo è suddiviso in tre tappe (fra cui 1) Denaturazione 2) Primer annealing 3) DNA

polimerizzazione) ed è ripetuto più volte, raddoppiando ogni volta il filamento di DNA (in 30 cicli

si producono circa 1 milione di molecole).

Per determinare quindi tutte le diverse caratteristiche evolutive fra le specie è fondamentale la scelta

del gene da sequenziare. La scelta si articola seguendo le seguenti “propedeuticità”:

Presente in tutti gli organismi viventi

1) quindi fondamentali per le funzioni cellulari base.

Omologo dal punto di vista funzionale

2) svolge le stesse funzioni.

Sequenza conservata adeguatamente

3) Né troppo variabile, né troppo poco variabile.

Abbastanza grande da contenere tutte le informazioni storiche dell’individuo.

4)

Quindi, bisogna individuare un gene che si è conservato per milioni di anni di divergenza evolutiva

l’RNA ribosomiale, 16S

e si trova nei geni che codificano per la molecola che è abbastanza grande

da contenere le informazioni e sufficientemente piccola per sequenziarla. È stata usata per costruire

gli alberi filogenetici di procarioti ed eucarioti (parte del 18S in questi ultimi).

Una specie batterica è definita come un insieme di ceppi che condividono un determinato fenotipo,

il quale si mantiene stabile ed è diverso da quello che caratterizza altri ceppi perché la propagazione

batteria è clonale (per scissione) per cui la definizione di specie non si può basare sui criteri generici

delle altre specie perché non si ha riproduzione sessuale.

Unità tassonomica della speciè è definita da interfecondità parentale e fertilità della specie.

RIBOSOMI

I ribosomi sono degli organelli presenti in tutte le cellule eucariote e procariote, sono formati da due

subunità (maggiore e minore) ognuna costituita da un complesso di RNA e proteine. I ribosomi

sono la sede della sintesi proteica (sono sintetizzate le proteine).

Nei procarioti, vi sono tre molecole di RNA ribosomiale di grandezza 5S, 16S e 23S.

Le 16S e le 23S sono quelle più grandi perché contengono rispettivamente 1542 e 2904 nucleotidi,

molto conservati e sufficientemente variabili in modo da essere usate come ottimi cronometri

filogenetici.

Ribosomi nei procarioti Costituiscono il 40% del peso secco della cellula, è formato da

 due subunità di RNA e costituito da rRNA (RNA ribosomiale) e proteine ribosomiali.

Le due subunità sono formate da due tipi di RNA:

1) Subunità 50S rRNA 23S+rRNA 4.5S+ 34 proteine.

2) Subunità 30S rRNA 16S+ 21 proteine.

Che insieme formano l’rRNA 70s.

Ribosomi negli eucarioti Sono formati da due subunità 60S e 40S per formare un rRNA

 80S.

MICROBIOLOGIA disciplina che studia gli organismi invisibili ad occhio nudo.

Van Leeuwenhoek è stato il primo scienziato che nel 1677 ha osservato in modo accurato e

completo la struttura dei microrganismi, tramite un microscopio dotato di una sola lente che

consentiva un numero d’ingrandimenti pari a 50-300. Si iniziano ad evere delle ipotesi che

potrebbero essere contrapposte alla teoria della generazione spontanea.

In seguito, si ebbero importanti contributi dovuti a:

1) Koch 1878 dimostra la causa di una malattia contagiosa come il carbonchio (antrace)

“Bacillus anthracis”.

dovuta al microrganismo

1864 dimostra che i microrganismi sono presenti nell’aria

2) Pasteur

demolendo così definitivamente la teoria della generazione spontanea,

con il seguente esperimento:

, attraverso un semplice esperimento riuscì a confutare la teoria della generazione

Pasteur

spontanea. Egli impiegò per i suoi esperimenti dei matracci a collo d'oca, che

permettevano l'entrata dell'ossigeno, elemento indispensabile allo sviluppo della vita, ma

impedivano che il liquido all'interno venisse a contatto con agenti contaminanti come spore

e batteri. Egli bollì il contenuto dei matracci, uccidendo così ogni forma di vita all'interno, e

dimostrò che i microrganismi riapparivano solo se il collo dei matracci veniva rotto,

permettendo così agli agenti contaminanti di entrare.

Al di sotto troveremo l’immagine che ne descrive tale processo.

In seguito, vi furono altri tre scienziati importanti che studiarono il comportamento dei batteri, fra

cui:

1) Spallanzani Osservò la crescita batterica all’interno di fiaschi chiusi contenenti infusi,

fatti bollire per breve tempo (30 minuti). Dimostrando che l’aria può dare origine ad alcuni

organismi.

2) J. Tyndall Osservò la crescita batterica negli infusi di fieno, sterilizzati a 100°C e intuì

Termolabile.

che i batteri potevano trovarsi in due fasi distinte. cv

 Termostabile.



3) F. Cohn Riprese gli esperimenti di Tyndall dimostrando che i batteri presenti nel fieno

spore o

(Bacillus subtilis), producevano forme resistenti al calore, oggi note come

endospore batteriche.

Contributi di Koch

Dimostrò che il carbonchio (antrace) è una malattia infettiva, attraverso il seguente procedimento:

1) Semina sangue prelevato da animale malato (infetto) in brodo nutriente (propagazione in

vitro).

2) Infetta animale sano, con microrganismo propagato in vitro.

3) L’animale s’infetta di carbonchio.

4) Reisolamento del microrganismo dell’animale malato.

Questo fu possibile grazie alle seguenti condizioni:

1) Il Bacillus anthracis è di notevoli dimensioni.

2) Produce spore.

3) L’antrace dell’animale è una setticemia (infezione del sangue, normalmente sterile) in cui è

presente solo l’agente patogeno.

Postulati di Koch

1) L’organismo sospetto deve presentare tutti i casi della malattia, mentre negli animali sani

deve essere completamente assente.

2) Le colonie dell’organismo sospetto patogeno, devono crescere come coltura pura.

3) Le cellule coltivate da una coltura pura devono indurre alla malattia gli individui sani.

4) Bisogna risolare l’organismo patogeno per verificare l’identità con l’originale.

Caratteristiche dei microbi (microrganismi)

Metabolismo

1) Assunzione di sostanze chimiche dall’ambiente che in seguito, sono

trasformate secondo processi che avvengono all’interno della cellula con successiva

eliminazione verso l’esterno (La cellula è un sistema aperto).

Riproduzione e crescita

2) Le sostanze chimiche assunte fungono da risorsa per la

produzione di nuove cellule.

Differenziamento

3) I microbi hanno la capacità di formare una nuova struttura cellulare,

come ad esempio una spora.

Comunicazione

4) Le cellule comunicano o interagiscono fra loro per via di sostanze

chimiche rilasciate/assunte da queste.

Mobilità

5) Sono spesso in grado di muoversi autonomamente.

Evoluzione

6) Le cellule si evolvono, acquistando nuove proprietà biologiche.

I microbi a livello di funzioni codificanti, tramite il DNA svolgono processi di replicazione e

caratterizzano l’espressione genica di un individuo. Tramite poi l’RNA si danno via ai processi di

traduzione che porterà alla sintesi di proteine.

Prendendola però dal punto di vista strettamente energetica, la cellula vista come “macchina

cellulare” svolge diverse azioni quali (*vedi approfonditamente). scissione binaria

I batteri, sia sotto forma di colonie che in singole cellule, si dividono per secondo

il seguente schema:

1) Inizio DNA cellulare circolare.

2) La cellula batterica si allunga, e il DNA inizia a replicarsi.

3) Inizio della divisione cellulare, con la distribuzione di molecole di DNA in ciascuna neo

cellula formata.

4) Le due cellule figlie possiedono le stesse molecole di DNA della madre.

Tutte le cellule codificano l’informazione sotto forma di DNA. Esso è composto dalle stesse basi

(G, A, T, C) e lo stesso zucchero (D-ribosio).

La sintesi del DNA è uguale in tutti gli organismi.

Differenze fra procarioti ed eucarioti

Procarioti<