Appunti esame microbiologia

La microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia i microrganismi, cioè le forme di vita troppo piccole per essere osservate a occhio nudo. I microrganismi sono organismi che possono esistere come singole cellule o avere struttura subcellulare, contengono un genoma costituito da un acido nucleico e sono capaci di replicare il proprio genoma.

Essere vivente

Qualsiasi entità in grado di produrre progenie cioè in grado di replicare il proprio genoma. Virus e prioni (delle proteine) sono quindi esseri viventi.

Cenni storici

La storia della microbiologia risale all’antichità. Nella preistoria si utilizzavano alcune erbe per curare le malattie (attività antimicrobica), ci si cibava di funghi, di vino e di birra. Salatura, essicamento e stagionatura sono processi utilizzati per la conservazione degli alimenti da molto prima che si comprendesse il ruolo dei microrganismi nel loro deterioramento. Anche le epidemie sono state descritte fin dall’antichità così come le pratiche popolari utilizzate per ridurre il contagio e la diffusione della malattia.

Il seicento

Il '600 è il “secolo d’oro” per le scienze infatti è il secolo in cui iniziano le scienze sperimentali grazie alla scoperta del microscopio da parte di Galileo. La scoperta del microscopio e la sua applicazione allo studio degli esseri viventi rivoluzionano la conoscenza degli organismi già noti (vermi, insetti), rivelano l’organizzazione cellulare dei tessuti, svelano l’esistenza di microrganismi che popolano l’acqua, la terra, i liquidi organici. Vacilla la teoria della generazione spontanea (da un brodo di carne esposto al pulviscolo atmosferico nasce una nuova generazione di mosche). Kircher (1603-1680) impiegò i microscopi non solo per osservare, ma anche per sperimentare. È considerato il padre della microbiologia sperimentale. Redi (1626-1698), con i suoi esperimenti sulla carne e le mosche, demolì la teoria della generazione spontanea chiudendo con un tappo il brodo di carne, nessuno però gli diede credito. Hooke (1635-1703) disegnò per la prima volta i corpi fruttiferi dei funghi. L’olandese Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) fu il primo a osservare e accuratamente raffigurare quelli che chiamava animalcula: non solo protozoi, ma anche batteri (cocchi, bacilli, spirochete).

Il settecento

Il '700 è il secolo dei lumi e della razionalità. L’eziologia microbica delle malattie infettive è sempre più diffusamente accettata. La sistematica di Linneo (1707-1778) contribuisce a portare ordine anche fra i parassiti, che vengono classificati e più facilmente riconosciuti. Anche gli animalcula cominciano a essere classificati. Spallanzani (1729-1799) fu il primo a parlare di germi (ossia microrganismi patogeni) (sterilizzò con una fiamma il brodo di carne, in un contenitore mise il coperchio e lasciò l’altro contenitore esposto al pulviscolo atmosferico). La variolizzazione era un metodo di protezione dal vaiolo utilizzato dai Cinesi, adoperato prima della vaccinazione jenneriana, consistente nell’inoculare, nel soggetto da immunizzare, del materiale prelevato da lesioni vaiolose o dalle croste di pazienti non gravi. Jenner osservò che i mungitori che avevano contratto il vaiolo bovino non si ammalavano di vaiolo; nel 1795 si decise a inoculare pus vaccinico (da cui “vaccino”) in un bambino, confermando l’innocuità della vaccinazione e la sua efficacia nel proteggere dal vaiolo.

L'ottocento

Nell’'800 la definitiva acquisizione del ruolo dei microrganismi come agenti di malattia e la scoperta del loro ruolo nella modificazione dei substrati organici (fermentazione, putrefazione) e nella regolazione dell’ecosistema della biosfera (cicli del carbonio, dell’azoto, dello zolfo, dell’ossigeno) segnano la nascita della microbiologia moderna. Lo studio dei microrganismi si specializza in varie branche. In particolare, si definiscono e si rendono autonome la parassitologia e la batteriologia. Bizio (1791-1862), nei suoi studi sulle alterazioni della polenta (polenta porporina), scopre la Serratia marcescens, sviluppando il primo studio sperimentale sull’azione e la trasmissione di un microrganismo e realizzando per la prima volta una coltura su terreno solido (la polenta stessa). Bassi (1773-1856), nei suoi studi sui bachi da seta, fornisce il primo esempio di una malattia sostenuta da un agente infettante specifico (un fungo), sperimentalmente trasmissibile, di cui analizza le caratteristiche epidemiologiche e traccia le linee di profilassi. L’'800 è anche il secolo di Darwin e della sua teoria sull’evoluzione. Haeckel (1834-1919), nel suo albero genealogico degli esseri viventi, per la prima volta riconosce una terza branca, oltre agli animali e ai vegetali, che chiama “protisti” (= microrganismi). Louis Pasteur (1822-1895) è il vero genio microbiologico del secolo. È lui a coniare il termine “microbiologia”. A lui si deve la confutazione della teoria della generazione spontanea, la chiarificazione del processo della fermentazione, la messa a punto del processo di pasteurizzazione, lo studio di malattie dell’uva e del baco da seta, la produzione di vaccini attenuati contro il carbonchio e il colera dei polli e l’immunizzazione contro la rabbia (1885 prima vaccinazione su un ragazzo). Per confutare la teoria della generazione spontanea egli utilizzò dei contenitori un po’ particolari. Nelle bottiglie di vetro poteva entrare l’ossigeno, ritenuto necessario per la vita, ma non i batteri né le spore dei funghi e di altri microbi; i lunghi colli curvi delle bottiglie, infatti, proteggevano l’infuso da ogni contaminazione. Pasteur fondò a Parigi (1888) l’Istituto che porta il suo nome, e creò una grande Scuola. Con i suoi studi sulle vaccinazioni, Pasteur creò empiricamente l’immunologia sperimentale, pur senza affrontarne le basi teoriche. Sarà Paul Ehrlich (1854-1915), con la sua teoria delle catene laterali, a porre le basi teoriche dell’immunità attiva e passiva. L’altra grande scuola del secolo, dopo quella francese di Pasteur, fu quella tedesca di Robert Koch (1843-1910). Egli sviluppò dei terreni agarizzati e degli strumenti (piastre di petri) per la coltivazione dei batteri, grazie ai quali potranno essere isolati e scoperti i principali patogeni. Koch è poi famoso per i suoi postulati ossia criteri e regole per associare un determinato microrganismo a una determinata malattia.

• L’agente causale deve esser presente in tutti i casi della malattia di cui è ritenuto responsabile e deve essere assente negli individui sani;
• L’agente causale deve essere isolato dall’individuo affetto e, posto in coltura, deve dare origine ad una popolazione cellulare omogenea;
• L’inoculo di una coltura pura dell’agente causale in individui sani deve dare luogo alla comparsa della malattia di cui è ritenuto responsabile;
• L’agente causale può essere re-isolato dall’organismo infettato sperimentalmente.

I postulati di Koch sono validi anche oggi ma vengono riletti in chiave molecolare.

• Il carattere di virulenza da studiare deve essere associato più spesso a ceppi patogeni della specie che a ceppi non patogeni;
• L’inattivazione del gene o dei geni sospettati del carattere di virulenza deve far diminuire la virulenza in modo sostanziale;
• La sostituzione del gene mutato con il gene originario deve ripristinare pienamente la patogenicità;
• Il gene deve essere espresso in qualche momento durante il processo infettivo e di malattia;
• Gli anticorpi e le cellule del sistema immunitario dirette contro i prodotti del gene dovrebbero proteggere l’ospite.

L’'800 è quindi l’età d’oro della microbiologia, il periodo della caccia ai microbi. La prima scoperta dei virus risale al 1892. I virus venivano chiamati agenti filtrabili. Il 1° agente filtrabile che venne scoperto è quello che causa la malattia del mosaico del tabacco. Nel 1915 D’Herelle scoprì il batteriofago. Al 1930 risale il 1° microscopio elettronico. Nel 1940-50 vennero sviluppate tecniche di coltivazione su colture cellulari. Iniziò in questa fase il grande sviluppo della virologia. Delbruck scoprì la capacità dei virus di replicarsi e quindi scoprì la natura vivente di questi microrganismi. Nel 1970 ci fu la scoperta della trascrittasi inversa, un enzima posseduto dai retrovirus. Si scoprì quindi la possibilità di produrre DNA a partire dall’RNA. Nel 1983 venne scoperto l’HIV, responsabile dell’AIDS. Altre tappe fondamentali della microbiologia sono la scoperta nel 1977 degli Archea (microrganismi estremofili) come gruppo microbico distinto. A partire dal 2000 sono stati scoperti anche gli Archea marini. Nel 1981 Prusiner scoprì i prioni, proteine che inducono altre proteine a diventare come loro stesse (es. mucca pazza).

Campi della microbiologia

I campi di cui si occupa la microbiologia sono molti:

• Microbiologia medica, che si occupa delle malattie dell’uomo e degli animali;
• Microbiologia di sanità pubblica, che controlla la diffusione delle malattie contagiose;
• Microbiologia agraria, che si occupa delle malattie delle piante e dell’utilizzo dei microrganismi come fertilizzanti o insetticidi;
• Ecologia microbica, che si occupa delle connessioni esistenti tra i microrganismi e il loro habitat;
• Microbiologia ambientale, che si occupa dei cicli della materia;
• Microbiologia alimentare e casearia, che si occupa dell’impiego dei microrganismi per la produzione di alimenti e dell’utilizzazione dei microrganismi come fonte di nutrimento;
• Microbiologia industriale, che si occupa della produzione di antibiotici, vaccini, steroli, alcol, solventi, vitamine, enzimi, alimenti.

La microbiologia è importante negli studi sulle funzioni geniche, nell’ingegneria genetica (i microrganismi ingegnerizzati sono utilizzati per produrre ormoni, antibiotici, vaccini), per introdurre nuovi geni nelle piante, per la produzione di organismi geneticamente modificati, per la terapia genica, nella produzione di mangimi animali, nella bioremediation (eliminazione di sostanze tossiche utilizzando entità biologiche) e nell’estrazione dei metalli. La microbiologia è connessa con molte altre discipline (l’immunologia è nata dalla microbiologia, ecologia e così via). I microrganismi sono importantissimi per la nostra vita in quanto sono gli artefici della trasformazione della materia e vivono in simbiosi con tutti gli esseri viventi (basti pensare al microbiota intestinale). Solo una minima percentuale di essi causa malattia.

Mondo microbico

Il mondo microbico comprende organismi cellulati e organismi acellulati. Gli organismi cellulati sono eucarioti (funghi e protisti. I protisti comprendono alghe microscopiche, protozoi e muffe mucillaginose) e procarioti (batteri e Archea). I procarioti hanno costituito l’unica forma di vita sulla terra per circa 2 miliardi di anni, prima della comparsa dei microrganismi eucariotici e sono quindi gli antenati di tutte le altre forme di vita. Gli organismi acellulati sono virus, prioni e viroidi. Procarioti ed eucarioti differiscono principalmente per la presenza di un nucleo definito e di organuli cellulari. I procarioti utilizzano come fonte di carbonio composti organici e composti inorganici e come fonte di energia composti organici e composti inorganici. Gli eucarioti utilizzano come fonte di carbonio composti organici e composti inorganici e come fonte di energia solamente composti organici. I microrganismi possono avere differenti vie metaboliche per la produzione di energia. Gli organismi chemioautotrofi ricavano energia ossidando composti organici (in questo caso prendono il nome di organismi chemiorganotrofi) o inorganici (in questo caso prendono il nome di organismi chemiolitotrofi). Gli organismi fototrofi ricavano energia dalla fonte luminosa. Procarioti ed eucarioti differiscono anche nel movimento e nella riproduzione.

L’ordine di grandezza dei microrganismi è il micron. Nel caso dei virus si può arrivare a dimensioni nell’ordine dei nm (1000 volte più piccolo del micron). Lo strumento essenziale per lo studio dei microrganismi è il microscopio. La classificazione degli esseri viventi era tradizionalmente basata su criteri genetici. La classificazione attuale in batteri, Archea ed eucarioti è invece basata su criteri filogenetici. Si è potuto così costruire l’albero filogenetico degli esseri viventi in base alla sequenza di rDNA 16S: in questo schema gli esseri viventi derivano tutti da un antenato comune ossia LUCA che sta per Last Universal Common Ancestor. Nell’albero esistono anche linee orizzontali di interconnessione che indicano lo scambio genico fra i diversi gruppi tassonomici.

Microrganismi eucarioti

Comprendono animali, funghi e piante. Si sono probabilmente originati in seguito all’inglobamento di una cellula procariotica da parte di una cellula di dimensioni maggiori. Come visto in precedenza gli eucarioti comprendono funghi e protisti. I protisti comprendono alghe microscopiche, protozoi e muffe mucillaginose. I protozoi sono microrganismi eucarioti unicellulari, non fotosintetici e prevalentemente mobili. I protozoi di dividono in diversi gruppi:

• Mastigophori. Sono flagellati (uno o pochi flagelli) e hanno divisione longitudinale;
• Ciliati. Hanno numerose ciglia con corpi basali organizzati in un sistema locomotore, polarizzati, divisione trasversale e sono fagotrofi;
• Sporozoi. Sono immobili (talora scivolanti), non polarizzati e si moltiplicano per scissione multipla;
• Rizopodi. Sono mobili (movimenti ameboidi), possiedono pseudopodi e raramente flagelli, sono fagotrofi, non polarizzati, si dividono per scissione binaria, possono essere liberi (amebe), provvisti di esoscheletro (foraminiferi) o di endoscheletro (eliozoi, radiolari).

I funghi o miceti non sono fotosintetici, sono prevalentemente immobili e cenocitici. Sono costituiti da ife. Hanno crescita indefinita alle estremità, non sono fagotrofi, sono osmofili e la riproduzione è asessuata o sessuata.

Le muffe mucillaginose sono una forma di transizione tra miceti e protozoi. Assomigliano ai protozoi in quanto mobili e prive di parete, ma differiscono nella storia filogenetica e per il ciclo cellulare dove le cellule mobili si aggregano a formare il corpo fruttifero da cui vengono prodotte le spore che daranno poi origine a nuove cellule mobili.

Le alghe sono fotosintetiche, prevalentemente mobili, unicellulari, pluricellulari o cenocitiche. Sono organismi prevalentemente acquatici. I licheni sono una associazione tra un fungo e un’alga. Le alghe acquatiche fluttuanti (plancton) hanno un’attività fotosintetica complessiva maggiore di quella di tutti i vegetali terrestri, sono le principali autrici dell’organicazione del carbonio sulla terra.

La cellula procariotica

I procarioti sono organismi unicellulari privi di S.M.I. e non hanno nucleo. Hanno una membrana plasmatica e una parete cellulare rigida. Presentano un nucleoide ossia un singolo filamento di DNA “nudo” (senza proteine). Nel citoplasma ci sono ribosomi. Si riproducono per scissione. La maggior parte dei procarioti conosciuti ha un diametro cellulare di 0.5/ 2 µm. In generale si osserva che più aumentano le dimensioni cellulari, tanto più il rapporto superficie/ volume diminuisce. I procarioti comprendono i batteri (o eubatteri) e gli Archea.

Parete

Negli eubatteri la parete rigida ha un costituente che è sempre presente: il peptidoglicano o mureina. In base poi alla presenza di altri costituenti si distinguono Gram-positivi e Gram-negativi. I micobatteri sono eubatteri Gram-positivi che esternamente al peptidoglicano presentano un ulteriore strato. Esistono anche alcune specie appartenenti al genere Mycoplasma e Planctomyces che sono prive di parete. Negli archebatteri la parete rigida presenta un peptidoglicano diverso dalla mureina. Alcuni archebatteri non hanno la parete ma presentano strati proteici.

La parete conferisce alla cellula la forma, le dimensioni e la protezione dalla lisi osmotica. Inoltre contribuisce alla patogenicità, conferisce protezione verso le sostanze tossiche, rappresenta il sito d’azione di molti antibiotici e ha valore tassonomico ed è alla base della distinzione tra Gram-positivi e Gram-negativi. I Gram-positivi hanno uno spesso strato di peptidoglicano. I Gram-negativi hanno un sottile strato di peptidoglicano compreso tra la membrana esterna e la membrana citoplasmatica. Questo strato compreso tra le due membrane prende il nome di periplasma. Come conseguenza i Gram-negativi sono più impermeabili mentre i Gram-positivi sono più resistenti alla lisi e all’azione di agenti fisici e meccanici.

Il peptidoglicano è un polimero composto da unità alternate e ripetute di n-acetilglucosamina (NAG) e acido n-acetilmuramico (NAM), collegate tra loro da legami glicosidici a formare filamenti. NAM è legato a un tetrapeptide che contiene sia amminoacidi D sia amminoacidi L. Gli amminoacidi in terza posizione sono essenziali e devono essere diaminoacidi (devono avere 2 gruppi amminici). Esempi di diaminoacidi sono la lisina o l’acido diaminopimelico DAP. Filamenti paralleli sono uniti tra loro attraverso legami crociati a livello dei tetrapeptidi. I legami crociati danno maggiore compattezza al peptidoglicano e possono essere diretti o indiretti. Sono indiretti quando tra i tetrapeptidi si interpone un ponte interpeptidico ossia un’altra catena di amminoacidi. Alcune catene laterali sono libere e non sono interessate da legami crociati. Più sono i legami crociati più il peptidoglicano contrasterà la lisi e l’azione di agenti fisici e meccanici. Il peptidoglicano definisce le caratteristiche chimico-fisiche dell’involucro cellulare.