Genetica dei microorganismi

I BATTERII

procarioti sono organismi unicellulari, privi di una membrana nucleare, di piccole dimensioni variabili nell'ordine di micron (anche se vi sono alcune specie quali le Spirochaetes che hanno dimensioni maggiori). Sono le specie viventi più antiche che si sono sviluppate sulla terra e si dividono in: batteri/eubatteri e archeobatteri. Gli archeobatteri sono evolutivamente distinti dai batteri e sono più simili alle cellule degli eucarioti. Sono procarioti che vivono in ambienti poco ospitali quali quelli con condizioni saline molto elevate, in ambienti privi di ossigeno o in presenza di temperature elevate.

I batteri sono gli esseri viventi più diffusi al mondo. Si trovano in tutti gli ambienti (dal terreno, all'aria, all'acqua), anche all'interno di altri organismi viventi inclusa la nostra specie. Non tutti i batteri sono patogeni, ad esempio nel nostro intestino ci sono batteri che sintetizzano delle sostanze utili quali le vitamine e ci.

I batteri sono organismi unicellulari microscopici che possono essere trovati in vari ambienti, come acqua, suolo e corpo umano. Svolgono un ruolo importante nell'ecosistema, ad esempio nel ciclo del carbonio e dell'azoto, e sono anche utilizzati in diversi settori industriali.

I batteri possono essere utili o dannosi per gli esseri umani. Alcuni batteri sono benefici e vengono utilizzati per produrre alimenti come i latticini o per sintetizzare antibiotici nell'industria farmaceutica. Altri batteri possono causare malattie e infezioni.

I batteri possono essere classificati in base alla loro forma, al loro metabolismo e alle caratteristiche della loro parete cellulare. Per quanto riguarda la forma, ci sono tre principali tipi di batteri:

1. Cocchi: batteri con forma sferica.
2. Bacilli: batteri con forma a bastoncello.
3. Vibrioni o spirilli: batteri con forma cilindrica e curvature.

Quando i batteri si dividono, tendono a rimanere vicini tra di loro e a formare raggruppamenti che vengono identificati in base alla loro forma. Ad esempio, i cocchi che si aggregano a gruppi di due sono chiamati diplococchi, quelli che si aggregano a grappolo sono chiamati stafilococchi e quelli che formano catenelle sono chiamati streptococchi. Lo stesso vale per i bacilli, che possono essere classificati come diplobacilli o streptobacilli.

Queste sono solo alcune delle caratteristiche che possono essere utilizzate per classificare i batteri. La loro diversità e complessità li rendono oggetto di studio e ricerca continua.

si possono anche classificare in base al loro metabolismo quindi:

1. batteri fotosintetici ricavano energia necessaria alla produzione di ATP dalla luce attraverso il processo della fotosintesi.
2. batteri chemiosintetici ricavano energia dalla demolizione di sostanze organiche attraverso la fermentazione e la respirazione.

Riguardo la modalità di sintesi dei propri materiali cellulari, i batteri si distinguono ancora in:

1. autotrofi sono in grado di sintetizzare da soli tutte le molecole organiche di cui necessitano a partire da acqua, sali minerali e anidride carbonica come unica fonte di carbonio.
2. eterotrofi necessitano di composti organici preesistenti che vengono poi trasformati nei propri materiali cellulari.

LA STRUTTURA La cellula batterica non ha il nucleo e il materiale genetico (doppia elica di DNA circolare) si trova nel citoplasma in una regione, dalla forma irregolare, detta nucleoide. Nel citoplasma ci sono i ribosomi necessari alla sintesi proteica che hanno però

Le cellule batteriche sono organismi unicellulari che presentano alcune caratteristiche strutturali diverse rispetto alle cellule eucariote.

Il citoplasma delle cellule batteriche contiene organuli di dimensioni diverse rispetto a quelli presenti nelle cellule eucariote. Spesso, nel citoplasma, sono presenti dei granuli, cioè delle vescicole, che accumulano materiali nutritivi di riserva come polisaccaridi.

A differenza delle cellule eucariote, il citoplasma dei batteri non contiene reticolo endoplasmatico né mitocondri.

La membrana citoplasmatica dei batteri ha una struttura simile a quella delle cellule eucariote e ha la funzione di controllare lo scambio metabolico tra l'esterno e l'interno della cellula, sia mediante trasporto attivo che per diffusione passiva. Sulla membrana sono presenti gli enzimi della catena respiratoria, che svolgono le stesse funzioni di quelli presenti sulla membrana dei mitocondri.

La cellula batterica, quindi, con il suo DNA circolare, ribosomi e enzimi della catena respiratoria, è simile ad un mitocondrio. Secondo la teoria endosimbiotica, si ritiene che i mitocondri derivino da batteri ancestrali che si sono fusi con le cellule eucariote.

sarebbero inseriti all'interno di cellule precursori degli attuali eucarioti. Sarebbero rimasti in una forma di simbiosi, fornendo alla cellula ospite il vantaggio dellarespirazione aerobica in cambio di protezione. Esternamente alla membrana cellulare è presente una parete, cioè una struttura rigida che serve a dare forma e protezione alla cellula. Questa parete è formata da monomeri di peptidoglicano, che è un polimero formato da carboidrati azotati e da catene di amminoacidi legati tra di loro. I batteri della serie gram-negativi hanno anche una membrana esterna che avvolge la parete, formata da lipopolisaccaridi e proteine. Alcuni batteri possiedono esternamente un ulteriore involucro formato da polisaccaridi, detto capsula. Questa conferisce al batterio proprietà adesive e anti-fagocitarie (esperimento di Griffith). Vi sono poi i flagelli, cioè appendici cellulari lunghe e sottili costituite da proteine note come flagelline. I flagelli

Sono tipici dei batteri a forma cilindrica e consentono alla cellula di spostarsi. Infine vi sono i pili cioè appendici proteiche più piccole dei flagelli, originano dalla membrana citoplasmatica e che hanno la funzione di far aderire il batterio alle altre cellule. Una classe particolare dei pili detta pili F o pili sessuali è importante nel processo della coniugazione batterica.

Anche i batteri sono ampiamente utilizzati nella ricerca batterica, si dividono velocemente e possono essere coltivati su terreni liquidi o su superfici solide come un gel di Agar purché nel mezzo di coltura siano aggiunti i nutrienti necessari alla loro crescita. In figura sono mostrati i diversi passaggi con i quali si possono ottenere colonie batteriche derivate da una singola cellula.

a) sospensione di cellule batteriche in crescita in un terreno liquido.

b) da questa sospensione si preleva una piccola quantità di terreno contenenti i batteri che viene seminata su una capsula.

Petri contenente un gel di Agar e varie sostanze nutritive. In questo modo si seminano le singole cellule batteriche ben distanziate le une dalle altre.
Si mette la piastra in un incubatore alla temperatura controllata di 37°C così da permettere alle cellule batteriche di replicarsi. Quando i batteri si dividono, restano immobilizzati sulla superficie di Agar e formano degli aggregati cellulari via via più grandi fino a diventare visibili ad occhio nudo.
Si formano quindi delle colonie (pallini bianchi in figura) che derivano ciascuna da una singola cellula iniziale. Quindi, tutti i batteri di una stessa colonia hanno un unico progenitore cioè sono dei cloni cellulari.
La crescita di una popolazione batterica ha un andamento nel tempo che è ben definito e che è legato alla velocità di riproduzione dei batteri in funzione delle sostanze nutritive presenti nel terreno di crescita. Distinguiamo:
- Fase iniziale/di latenza: il numero di cellulebatteriche non varia ed è il periodo di tempo che serve ai batteri a sintetizzare le sostanze necessarie alla divisione cellulare. Questo periodo di tempo è variabile da specie a specie e dipende dalle condizioni ambientali (se favorevoli sarà più breve, se sfavorevoli sarà più lungo). fase di crescita esponenziale: da un batterio se ne formano due, da due se ne formano quattro, da quattro otto e così via. Il numero di cellule batteriche cresce rapidamente e la velocità di duplicazione dei batteri è comunque variabile da specie a specie. fase stazionaria: il numero di cellule presenti nel terreno di crescita resta invariato per un certo periodo di tempo. In questa fase le sostanze nutritive iniziano ad essere limitate e il numero di batteri che si riproducono è controbilanciato dal numero di batteri che iniziano a morire. fase di morte: si assiste ad una drastica riduzione delle cellule batteriche in quanto le sostanze nutritive sono esaurite.genetico viene distribuito equamente tra le due cellule. Infine, si completa la separazione delle due cellule figlie e si formano due batteri identici alla cellula madre. La divisione dei batteri è un processo molto rapido e efficiente, che consente loro di proliferare rapidamente in condizioni favorevoli. Tuttavia, a causa della mancanza di meccanismi di riparazione del DNA, i batteri sono soggetti a mutazioni genetiche che possono portare a variazioni nella loro capacità di sopravvivenza e di adattamento all'ambiente. Inoltre, la divisione batterica può essere influenzata da diversi fattori esterni, come la disponibilità di nutrienti, la temperatura e la presenza di sostanze tossiche. Ad esempio, in condizioni di scarsità di nutrienti, i batteri possono entrare in uno stato di quiescenza chiamato sporulazione, in cui formano uno strato protettivo chiamato spora per resistere alle condizioni avverse. In conclusione, la divisione dei batteri è un processo fondamentale per la loro sopravvivenza e proliferazione. La sua comprensione è importante per lo studio delle malattie batteriche e per lo sviluppo di nuovi antibiotici e strategie di controllo delle infezioni.

citoplasmatico viene ripartito tra le due cellule neo formate in maniera più o meno uguale.

La figura riassume i diversi aspetti della replicazione del DNA nei procarioti. Sappiamo che nella molecola di DNA circolare, la replicazione inizia in un punto specifico della molecola detto origine di replicazione (nel DNA di E.Coli è nota come OriC) che è caratterizzato da specifiche sequenze consenso alle quali si legano le proteine iniziatrici che separano i due filamenti e formano la forchina di replicazione. Segue poi l'attacco della primasi e della DNA polimerasi che sintetizzano i nuovi filamenti di DNA in direzioni opposte sulle due eliche stampo. La replicazione, a partire dall'origine, è bidirezionale con le due forche replicative che si muovono nelle due direzioni man mano che le elicasi srotolano la doppia elica di DNA. Esistono poi delle sequenze di terminazione alle quali si legano specifiche proteine (in E.Coli è la proteina TUS) che

bloccano l'avanzamento della DNA elicasi e causano la terminazione della replicazione. I batteri sono monoploidi, cioè hanno una singola copia del genoma che, nella maggior parte dei casi, è rappresentato da una doppia elica di DNA circolare (anche se non mancano esempi di batteri con cromosomi lineari o con genomi suddivisi in due o più molecole di DNA). Per quanto riguarda le dimensioni del cromosoma batterico, queste possono variare da 10 a 10 coppie di basi. In figura è schematizzato il cromosoma di E.Coli che è stato il primo genoma batterico ad essere sequenziato ed ha dimensioni di 4.6 x 10 coppie di basi e codifica per più di 4000 geni. La figura riassume le caratteristiche del genoma batterico: a) la densità genica dei procarioti è molto elevata con più del 90% del genoma rappresentato da sequenze codificanti. Inoltre, i geni, nei batteri, non contengono introni. b) i geni batterici che codificano per proteine chee importanti per il funzionamento del processo metabolico. Gli operoni sono gruppi di geni che sono controllati da un unico promotore e vengono trascritti insieme come un'unica unità. Le sequenze ripetute, come gli elementi trasponibili, sono sequenze di DNA che possono spostarsi da una posizione all'altra nel genoma. Queste sequenze possono avere un impatto significativo sulla regolazione genica e svolgere un ruolo importante nell'evoluzione dei genomi.