Biologia dei microrganismi

Corso di biologia dei microrganismi

Prof. Diego Mora © Laila Pansera

Sommario

• Microbiologia ........................................................................................................................................................5
• Microrganismi .......................................................................................................................................................6
• Principali caratteri distintivi tra procarioti ed eucarioti ...................................................................................8
• Origine degli eucarioti ......................................................................................................................................9
• Da quanto tempo i microrganismi esistono sul nostro pianeta? .....................................................................9
• Forme dei microrganismi ..................................................................................................................................9
• Il microscopio ................................................................................................................................................ 10
• Struttura del microscopio .......................................................................................................................... 11
• Nomenclatura binomiale ............................................................................................................................... 13
• La membrana cellulare ...................................................................................................................................... 14
• Sistemi di trasporto ....................................................................................................................................... 15
• La parete cellulare (batterica) ........................................................................................................................... 18
• Gram positivo e Gram negativo ..................................................................................................................... 19
• Biosintesi del peptidoglicano e funzione degli antibiotici ............................................................................. 20
• La parete cellulare dei lieviti (eucarioti) ............................................................................................................ 23
• Nutrizione e crescita batterica .......................................................................................................................... 24
• Terreni di coltura ........................................................................................................................................... 24
• Crescita .......................................................................................................................................................... 26
• Misurare la crescita microbica ...................................................................................................................... 29
• Ciclo cellulare della Saccharomyces cerevisiae ................................................................................................. 33
• Gemmazione .................................................................................................................................................. 33
• Riproduzione sessuale ................................................................................................................................... 33
• Metabolismo energetico ................................................................................................................................... 35
• Come ottengono ATP i microrganismi? ......................................................................................................... 35
• Trasportatori liberi..................................................................................................................................... 36
• Catena di trasporto degli elettroni ............................................................................................................ 36
• Il metabolismo energetico ............................................................................................................................. 37
• Metabolismo energetico della Saccharomyces cerevisiae ............................................................................ 40
• Pathway di Leloir ........................................................................................................................................... 40
• Batteri lattici .................................................................................................................................................. 42
• Importanza dei batteri lattici ..................................................................................................................... 43
• © Laila Pansera - 2
• Fattori ambientali che influenzano la crescita microbica .................................................................................. 44
• Catabolismo e anabolismo ................................................................................................................................ 46
• Spore batteriche ................................................................................................................................................ 48
• Ciclo di sporificazione .................................................................................................................................... 48
• La fermentazione omoacetica ........................................................................................................................... 52
• Test fenotipico ............................................................................................................................................... 53
• Genetica microbica ............................................................................................................................................ 55
• Premessa ....................................................................................................................................................... 55
• Struttura del DNA .......................................................................................................................................... 55
• Replicazione del DNA..................................................................................................................................... 58
• Flusso di informazione ................................................................................................................................... 62
• Differenze tra DNA e RNA .............................................................................................................................. 63
• Trascrizione dell’informazione ...................................................................................................................... 63
• Sistemi di regolazione .................................................................................................................................... 74
• Regolazione negativa e positiva della trascrizione .................................................................................... 74
• I virus ................................................................................................................................................................. 77
• Ciclo vitale ..................................................................................................................................................... 77
• Conta del virus ............................................................................................................................................... 79
• Il genoma virale ............................................................................................................................................. 79
• Resistenza al virus.......................................................................................................................................... 80
• Impedimento all’assorbimento ................................................................................................................. 80
• Inattivazione del DNA virale ...................................................................................................................... 81
• Trasferimento genico e ricombinazione genetica ......................................................................................... 81
• Trasformazione .......................................................................................................................................... 82
• Coniugazione ............................................................................................................................................. 83
• Trasduzione ............................................................................................................................................... 85
• Eumiceti ............................................................................................................................................................. 88
• La riproduzione asessuale (processo di mitosi) negli eumiceti ..................................................................... 88
• Lieviti ............................................................................................................................................................. 89
• Muffe ............................................................................................................................................................. 89
• La riproduzione sessuale (processo di meiosi) negli eumiceti ...................................................................... 91
• Classificazione in funzione del micelio .......................................................................................................... 92
• © Laila Pansera - 3
• I funghi fruttiferi ............................................................................................................................................ 93
• Principi di tassonomia ....................................................................................................................................... 94
• PCR – reazione a catena delle polimerasi .......................................................................................................... 96
• © Laila Pansera - 4

Microbiologia

La microbiologia coinvolge molte aree disciplinari e viene applicata in molti contesti: in sostanza è difficile individuare un settore dove non servano competenze di microbiologia. I microrganismi vengono usati sostanzialmente in tre modi:

• Per la produzione;
• Occorre tenere d'occhio il controllo;
• Occorre evitare che danneggino la salute o che alterino le caratteristiche del prodotto.

Quindi, 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 esempio, le muffe nel gorgonzola sono indispensabili per ottenere il prodotto finale, mentre nella marmellata sono segno di una cattiva conservazione. 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.

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 (ho 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 (ho bisogno di lieviti e batteri), etc.

È rarissimo trovare alimenti che non contengano una componente microbica. Per esempio, se seguiamo il percorso di un supermercato da reparto frutta e verdura, passando per il banco frigo con i prodotti caseari, passando per i prodotti con microrganismi probiotici, fino ad arrivare all'ultimo reparto, quello del vino, notiamo che in tutti questi prodotti sono presenti microrganismi con funzioni diverse.

Altri esempi di utilizzo dei microrganismi possiamo averli nell'industria farmaceutica, dove per esempio i microrganismi vengono utilizzati per produrre antibiotici, insulina, etc., o nel settore che si occupa di purificare acqua e reflui contaminati.

Microrganismi

Con la parola microrganismi si intendono organismi di piccole dimensioni per osservare i quali ho bisogno del microscopio. Essi comprendono:

• Batteri
• Funghi
• Alghe
• Protozoi

Normalmente sono unicellulari e la cellula è organizzata in:

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

Occorre distinguere i microrganismi seguendo il percorso storico:

1. 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.

Esistono quindi tre domini: Bacteria, Archaea ed Eucarya, che differiscono sostanzialmente per la struttura della cellula. La cellula eucariote ha una struttura compartimentata: ha una membrana nucleare in cui è contenuto il nucleo; 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: ha il materiale nucleare disperso nella cellula, non ha organelli, la parete cellulare 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, mentre una cellula eucariote può avere dimensioni 10-50-100 volte maggiori.

1 µm = 10^-6 m

1 µm = 10^-3 mm

µm = (micron o micrometro)

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.

Ribosomi

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.

s = v / ω r²

v = velocità di sedimentazione (massa, densità propria e del mezzo, al campo centrifugo applicato

ω = velocità angolare del rotore in radianti/s

r = distanza radiale della particella dall'asse di rotazione, cm

Siccome s dipende dalla viscosità, densità del mezzo e dalla sua temperatura, s di una molecola viene riferito a quel valore che si otterrebbe se il mezzo fosse acqua a 20 °C. I valori comuni di s per le molecole organiche sono nell'ordine di 10^-13 sec che equivale per convenzione a 1 unità Svedberg (S). Quindi se rRNA a s = 5 10^-13 si dice che ha un coefficiente pari a 5S.

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.

Procarioti: mitosi

Eucarioti: mitosi

Eucarioti: meiosi

Origine degli eucarioti

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.

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.

Forme dei microrganismi

La forma base dei microrganismi può essere di 2 tipi:

• A bacilli
• A 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. Otteniamo così formazioni a catenelle, a petali, a cubo, grumi sferici, catene spiraliformi etc.

Il microscopio

La dimensione più piccola che l'occhio riesce a distinguere è mezzo millimetro (oppure 1 mm se ci vedo male), un batterio è grande circa 1 µm.