Dispensa ecologia microbica

La microbiologia è la scienza che studia i microorganismi, cioè gli organismi che per le loro piccole

dimensioni non possono essere visti ad occhio nudo. I microorganismi sono generalmente

unicellulari. Talora le cellule microbiche si trovano riunite in “aggregati” pluricellulari (funghi) ma

non si può parlare di veri e propri organismi cellulari perché manca una differenziazione in tessuti.

Per aggregato cellulare indifferenziato si usa il termine “colonia”, che da un punto di vista genetico

rappresenta un clone, vale a dire una discendenza di cellule tutte geneticamente uguali perché

ottenute per divisione diretta.

L’albero filogenetico realizzato da Carl Woese dal 1977 al 1990, secondo il quale tutti i viventi

sono suddivisi in 3 domini: Bacteria, Archea, Eucarya. Tutti gli Eucarioti

Tutti i microorganismi procarioti Macrorganismi: piante e animali

Microrganismi: alghe, funghi, protozoi

Bacteria Archea Eucarya

Progenitore ancestrale

Origine della vita

I microrganismi si dividono in 2 gruppi: quelli con cellula a organizzazione più semplice (nelle

quali manca la “compartimentazione”, mancano cioè le strutture organizzate all’interno della

cellula) detti Procarioti, e quelli ad organizzazione più complessa (che presentano organuli

intracellulari che svolgono funzioni specifiche), detti Eucarioti. Una differenza fondamentale tra

procarioti ed eucarioti è che mentre nei primi la riproduzione normalmente avviene per scissione

cellulare, i secondi presentano fenomeni di riproduzione di tipo “sessuato”. Ovviamente non

parliamo di vera e propria riproduzione sessuale, ma di meccanismi di scambio genetico che

consentono l’introduzione di un frammento di DNA da una cellula donatrice ad una ricevente. In

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particolare conosciamo 3 meccanismi di scambio genetico: trasformazione, coniugazione e

trasduzione.

Trasformazione

La trasformazione è il trasferimento di informazioni genetiche mediante DNA extra-cellulare.

Immaginiamo che la cellula donatrice vada incontro a morte, morendo si lisa liberando il materiale

genetico nell’ambiente, dove verrà frammentato da una nucleasi; a questo punto avremo frammenti

di DNA a doppio filamento dispersi nell’ambiente. Uno di questi frammenti man mano si avvicina

alla cellula ricevente che dovrà trovarsi in uno stato fisiologico particolare, detto di competenza, che

gli consente l’assorbimento del frammento di DNA attraverso un recettore proteico posto sulla

parete della cellula. Non tutte le cellule batteriche sono competenti, ma tutte possono essere rese tali

modificando le condizioni ambientali. In alcuni batteri lo stato di competenza avviene in modo

naturale, mentre in altri come E. coli la competenza naturale non avviene per cui bisogna indurla.

Una volta che il frammento di DNA è legato al recettore, il fattore di competenza attiva la

produzione di altre proteine che permettono l’assorbimento del DNA. In questo modo un’elica del

DNA viene degradata da una nucleasi mentre l’elica complementare entra nella cellula, associata a

proteine che la proteggono dalla degradazione. Questo singolo filamento di DNA si troverà

all’interno della cellula batterica, riconoscerà una zona di omologia e mediante crossing-over verrà

scambiato con una porzione di un filamento del DNA della cellula batterica ricevente.

Coniugazione

La coniugazione batterica è un processo mediante il quale una cellula batterica trasferisce porzioni

di DNA ad un’altra tramite un contatto cellula- cellula. La coniugazione può consentire il

trasferimento, da una cellula donatrice ad una ricevente, di un particolare fattore coniugativo oppure

è possibile che avvenga scambio di materiale genetico. Il contatto fisico tra le cellule è possibile

grazie alla presenza, su alcune cellule batteriche, di particolari pili sessuali che sono in grado di

riconoscere i recettori sulla cellula ricevente, legarsi e in questo modo il pilo sessuale mette in

unione due cellule che potranno scambiarsi materiale genetico. La maggior parte delle cellule

batteriche sono in grado di coniugare, ma non tutte. Per poter coniugare e comportarsi quindi da

donatori devono avere il plasmide coniugativo detto anche plasmide F o fattore F. Il fattore F di E.

coli è un plasmide, ha un DNA a doppia elica circolare. Una delle caratteristiche dei plasmidi è che

hanno origine di coniugazione autonoma rispetto a quella del cromosoma batterico. Di solito si

trova una copia per cellula ed in particolare nella mappa del fattore F si possono osservare 4

regioni: la prima regione contiene geni per la replicazione del plasmide, la seconda contiene geni

che porteranno alla formazione del pilo sessuale, la terza regione presenta sequenze trasponibili,

ovvero quelle sequenze che possono eventualmente inserirsi nel cromosoma della cellula ricevente;

infine abbiamo una quarta regione silente. La prima cosa che deve accadere affinché vi sia

+

coniugazione è il contatto fisico tra le due cellule donatrice- ricevente. La cellula donatrice F

(contenente il fattore F) è in grado di produrre il pilo sessuale che è in grado di riconoscere i

recettori della cellula ricevente. Le 2 cellule sono legate, il plasmide F, possiede sul suo DNA un

particolare sito di origine, dove avverrà la rottura di uno dei due filamenti del plasmide. Nel

momento in cui avviene il taglio di uno dei due filamenti un’estremità libera di DNA viene svolta e

-

tende ad andare tramite il ponte coniugativo nella cellula ricevente F ; il filamento interno verrà

+ +

replicato e la cellula donatrice rimarrà F e la cellula ricevente diventa anch’essa F . Se nel

cromosoma della cellula ricevente esistono dei siti di inserzione omologhi ai siti di inserzione del

fattore F, allora questo si integrerà nel cromosoma batterico e creando così un ceppo HFR (poco

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frequente). Un ceppo HFR sarà in grado di coniugare ed eventualmente di trasferire tutto il fattore

F, ma ciò è molto improbabile perché i tempi di trasferimento sono lunghi (100 minuti per E. coli) e

nel frattempo il pilo coniugativo potrebbe rompersi, così nella cellula ricevente rimarrebbero

soltanto frammenti di DNA che se presentano sequenze di omologia si inseriranno nel cromosoma

batterico, altrimenti verranno degradato.

Trasduzione

Il trasferimento di materiale genetico da una cellula donatrice ad una ricevente avviene mediante un

organismo deputato al trasferimento, un virus, che viene definito batteriofago, ovvero mangiatore di

batteri. I batteriofagi hanno una testa, detta anche capside, che non è altro che un involucro proteico

contenente il materiale genetico il quale può essere DNA o RNA; al di sotto del capside un fago è

composto da un collo, un collare, una struttura centrale avvolta da una guaina contrattile, da una

piastra basale dove si trovano le fibre. Il batteriofago mediante le fibre riconosce i recettori che si

trovano sulla parete cellulare del batterio, dopo di che il DNA per mezzo della contrazione della

guina verrà introdotto all’interno della cellula batterica. A questo punto il fago può attuare due

diversi cicli di infezione:

- Ciclo litico: appena il DNA virale entra all’interno della cellula verrà trascritto un mRNA

precoce che sintetizzerà delle proteine precoci le quali hanno la funzione di dirigere la

replicazione del DNA e saranno trascritte anche delle nucleasi in grado di degradare la

cellula ospite; successivamente quando il DNA virale viene replicato si formerà un mRNA

tardivo in grado di produrre proteine tardive importanti in quanto sono i precursori di quelle

proteine che entreranno a far parte della costituzione del fago; dopo che il fago si sarà

costituito avviene la lisi cellulare con liberazione dei fagi.

- Ciclo lisogeno: una volta che il DNA virale ha infettato la cellula entrano in gioco alcuni

geni presenti nel genoma virale che sono in grado di reprimere il ciclo litico e favorire

quindi quello lisogeno. A questo punto quindi il DNA virale potrà integrarsi al cromosoma

batterico grazie ad un unico sito di omologia mediante un singolo crossin-over. Così la

cellula batterica avrà acquisito nuove informazioni.

I procarioti comprendono gli organismi appartenenti alla classe degli Schizomiceti (indicati con il

nome convenzionale di batteri in senso ampio) e le Alghe azzurre o Cianobatteri. Gli eucarioti

comprendono gli Eumiceti (vale a dire funghi, muffe, lieviti), le alghe vere e proprie, i protozoi

(quali le amebe, i parameci, ecc.).

Gli Schizomiceti (si riproducono per scissione binaria, schizo= dividersi) possono avere forme

molto semplici, rotondeggianti, incurvate, a bastoncello, a spirillo. Possono essere a cellula isolata o

in aggregati (ad esempio catenella o grappoli), possono presentarsi sotto forma ramificata simile ai

miceti come gli Attinomiceti. I batteri hanno solo queste forme essenzialmente perciò non è

possibile associarli a gruppi tassonomici.

Gli Eumiceti comprendono diverse classi con caratteristiche legate al loro grado di evoluzione:

a

1 classe Ficomiceti: comprende diversi ordini e generi. I Ficomiceti acquatici sono

unicellulari mentre quelli terrestri sono pluricellulari con micelio non settato;

a

2 classe Ascomiceti: con micelio filamentoso, pluricellulari o unicellulari (Pennicillum,

Aspergillus); 3

a

3 classe: Basidiomiceti;

a

4 classe: Deuteromiceti.

I procarioti che si trovano alla base dell’albero filogenetico sono microrganismi interessanti perché

sono gli organismi più antichi e che vivono in ambienti estremi, quindi sono detti estremofili.

Un virus non è un organismo vivente perché è composto solo da pezzi di DNA o RNA, quindi è un

agente infettante.

Dimensioni dei microrganismi a confronto:

Per distinguere i microrganismi non possiamo affidarci ai fenotipo perché sono troppo semplici, ma

ci affidiamo agli aspetti biogeochimici (il cosa sanno fare) o agli aspetti genetici. Molti batteri

abbiamo detto sono sferici e li troviamo in questa forma in determinati ambienti. Il volume della

sfera si trova calcolando . La forma sferica consente di aumentare la superficie esposta

all’ambiente circostante per aumentare gli scambi gassosi e nutrizionali. Quando le cellule si

trovano in ambienti con caratteristiche chimiche, fisiche e nutrizionali stressanti, tendono a

rimpicciolirsi, a ridurre il loro volume. I procarioti, come abbiamo detto sono cellule semplici,

infatti non hanno la membrana nucleare, ma nel citoplasma troviamo degli organelli importanti, i

ribosomi, sui quali avviene la sintesi delle proteine, formati da una sub-unità superiore e inferiore.

Le due unità hanno dei numeri ed una “s”, tipo 16s, 18s. La “s” sta per Svedemberg, è uno studioso

ed è la misura della separazione per gravità dei contenuti della cellula. La parete cellulare può avere

dei flagelli, organi locomotori, hanno il compito di far effettuare dei piccoli spostamenti alla cellula,

la quale si sposta per cercare ambienti migliori; si parla di chemiotassi se il motivo dello

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spostamento è la ricerca dell’ossigeno. Alcuni procarioti hanno dei magnetosomi. Possiamo ancora

trovare dei pili che non sono organi locomotori, ma sono delle estensioni della parete cellulare che

servono ad aderire ad un substrato. Per aderire al substrato la cellula deve dapprima superare una

barriera elettrostatica, successivamente produrrà una “colla” (polisaccaride) per tenersi ben salda,

che prende il nome di biofilm. La parete cellulare è essenziale per la cellula. Grazie allo studio della

struttura e composizione della parete cellulare, tutti i procarioti sono stati distinti in base a una

colorazione inventata da Gram, in Gram positivi e Gram negativi. La parete cellulare è una struttura

“a sandwich” formata da strutture con una testa e una coda: la testa è un glicerolo più il fosfato, la

coda è costituita da un acido grasso. La testa ha una carica negativa ed è rivolta verso l’esterno

mentre la coda idrofobica è rivolta verso l’interno e non ha carica. Nella parete abbiamo proteine

strutturali e funzionali. Le proteine strutturali sono permeasi.

Le membrane degli Archea sono di due tipi: A) doppio strato lipidico costituito da due strati di

dieteri di glicerolo; B) monostrato lipidico di tetraeteri di diglicerolo (nei batteri abbiamo legami

estere invece che etere). La membrana quindi è importante perché è una barriera permeabile, in

quanto rappresenta una superficie attiva e selettiva per il trasporto di nutrienti e metaboliti nella

cellula e fuori dalla cellula. Rappresenta un sito di ancoraggio di proteine coinvolte nel trasporto,

nel metabolismo energetico e nella chemiotassi. Grazie alla membrana abbiamo la conservazione

dell’energia in quanto è sito di generazione e mantenimento della forza proton motrice.

Alcune cellule portano al di fuori della membrana alcuni polisaccaridi; alcuni di questi servono per

l’ancoraggio, come abbiamo visto, mentre altri sono la causa dell’antigenicità dei batteri.

Al di sopra della membrana cellulare c’è una struttura che si chiama parete cellulare che non ha

nulla a che fare con la parete cellulare delle piante. La costituzione di questa parete cellulare dà la

giustificazione del perché i batteri si colorano in un determinato modo piuttosto che in un altro e

che vengano divisi perciò in Gram positivi e Gram negativi. Gram mise appunto una colorazione

che si chiama differenziale perché consente, con l’utilizzo di due coloranti, il cristalvioletto che è

blu e la safranina che è rossa, di poter distinguere tutti i batteri che si colorano con il cristalvioletto

e li chiamò Gram positivi da quelli che si colorano con la safranina e che chiamò Gram negativi.

Tranne rare eccezioni, tutti i procarioti, batteri e archea, possono essere incasellati in batteri Gram

positivi e Gram negativi. Quelle eccezioni che stanno in mezzo si chiamano Gram variabili, perché

non sono né l’uno né l’altro. La risposta a questo colorante si trova nella struttura della parete

cellulare. Escherichia Coli è Gram negativo. Un colorante è una sostanza che contiene un gruppo

cromoforo; questo gruppo cromoforo può essere o acido o basico. Ho dei batteri con un tipo di

parete e altri che ce l’hanno diversa. Faccio dei trattamenti alla cellula, metto il cristalvioletto e lo

lavo, dopodiché aggiungo l’alcol e tira via il primo colorante, il cristalvioletto (l’alcol tira via,

scioglie i grassi). Se la parete contiene tanti lipidi, l’alcol li scioglie, nello sciogliere questi grassi fa

in modo che il colorante venga via e quindi esce. Nell’uscire possiamo mettere il secondo colorante

e il secondo colorante permane; questo è il caso di un Gram negativo. Se invece l’azione combinata

tra l’alcol e un mordensante (è una sostanza che mantiene il colorante) e la quantità di lipidi è scarsa

l’alcol non discioglie niente per cui rimane intrappolato questo composto. Se il primo colorante

rimane intrappolato sulla parete, il secondo non può entrare, quindi sarà blu. Quindi a seconda della

quantità di lipidi presente nella parete determina la colorazione di Gram o differenziale.

I batteri Gram positivi possiedono una parete cellulare monostrato, di densità uniforme formata

soprattutto da peptidoglicano. I batteri gram negativi possiedono una parete cellulare a doppio strato

formato da uno strato molto sottile di peptidoglicano e da una membrana esterna. 5

Esterno della cellula Esterno

Membrana esterna

Parete cellulare {

Periplasma Parete cellulare

Membrana cellulare } Periplasma

Peptidoglicano

Membrana cellulare

Citoplasma Citoplasma Gram negativi

Gram positivi

Tra i gram positivi vengono annoverate due forme fondamentali: quella asporigena, senza spore, e

le forme sporigene. La spora batterica è una forma di resistenza agli stress ambientali di tipo fisico,

chimico e nutrizionale, non è come nelle piante una forma di duplicazione. le forme sporigene

hanno forma di bastoncino. Queste forme sporigene formano dapprima un’endospora, che può avere

delle posizioni particolari, apicale, centrale, ecc., e prendono il nome di bacillo. Il termine bacillo è

esclusivo per forme sporigene, da non confondere con i bastoncini, in quanto hanno sì una forma a

bastoncino, ma il fatto stesso di contenere una spora lo distinguono in bacillo. Ci sono dei bacilli

famosi come il Bacillus anthracis (causa infezione nel sangue). Quando parliamo delle forme

sporigene dobbiamo considerare due generi: Bacillus e Clostridium (Clostridium tetani è l’agente

del tetano). Il genere Bacillus è un genere solitamente aerobio, mentre il genereClostridium è

generalmente anaerobio.

Metabolismo microbico

Il metabolismo è l’insieme dei processi anabolici e catabolici. L’anabolismo, è tutto l’insieme delle

reazioni che portano alla biosintesi di materiale che serve alla cellula per la sua struttura; il

catabolismo è l’insieme delle reazioni che portano alla scissione delle sostanze per ottenere energia.

Alla fine di tutti questi processi abbiamo dei prodotti che vengono espulsi dalla cellula e possono

essere per esempio i prodotti della fermentazione, come acidi, alcol, gas come l’anidride carbonica

e così via.

Parecchi aspetti del metabolismo microbico sono comuni a quelli degli organismi superiori, ad

-

esempio il trasporto di e associato alle reazioni di ossido-riduzione, o l’uso della molecola di ATP

come principale fonte di energia chimica e forma di utilizzazione dell’energia. Tuttavia nei

microrganismi, e nei procarioti in particolare, sono presenti parecchi tipo di processi (ad esempio

per generare energia) che sono sconosciuti negli organismi superiori. I microrganismi sono

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caratterizzati da una grande versatilità metabolica, sia tra le varie specie sia all&rsquo