Microbiologia

Microbiologia

What does microbiology study?

1. Microbiology is the study of microorganisms, a large and diverse group of microscopic organisms that exist as single cells or cell clusters.

2. Microorganisms are generally able to carry out their life processes of growth, energy generation, and reproduction independently of other cells.

3. Microorganisms are thus distinct from the cells of animals and plants, which are unable to live alone in nature and can exist only as a part of multicellular organisms.

A differenza di piante e animali, le cellule microbiche possono crescere a densità molto elevata nelle colture da laboratorio, diventando utili negli studi biochimici e genetici. La microbiologia applica la comprensione dei processi della vita microbica a beneficio delle necessità dell’uomo e del nostro pianeta; infatti, è al centro di importanti aspetti della medicina umana, veterinaria, dell’agricoltura e dell’industria. In assenza dei microrganismi, gli organismi superiori non si sarebbero evoluti, e l’ambiente che oggi noi conosciamo è stato “creato” soprattutto da questi.

Classificazione dei microrganismi

La diversità genetica e fisiologica della vita microbica supera di gran lunga quella di piante e animali, anche perché i microrganismi possono adattarsi a vivere in ambienti che ucciderebbero altri organismi. Ci sono diversi tipi di microorganismi (hanno dimensioni misurabili in micron, i virus in nanometri, sono in entrambi i casi, ovviamente, organismi che non si vedono ad occhio nudo):

• Batteri (bacteria + archea) 1 micrometro (10 ^-6)
• Funghi ad esempio i lieviti
• Protozoa
• Virus

Le cellule animali e vegetali hanno dimensioni di circa 10 micrometri, i batteri di circa 1 micrometro, i virus di circa 10/100 nanometri è dunque necessario usare diversi strumenti per poter osservare gli organismi: nei primi due casi è possibile sia utilizzare il microscopio elettronico che quello ottico, nell’ultimo è necessario ricorrere alla microscopia elettronica.

Caratteristiche di una cellula microbica

• Metabolismo: capacità di prendere dall’ambiente i propri nutrimenti, trasformarli nelle molecole che la cellula necessita per la propria vita ed eliminare i rifiuti nell’ambiente, tutto ciò è possibile poiché le cellule sono un esempio di sistema aperto.
• Riproduzione/Crescita: in microbiologia si preferisce il secondo termine per indicare l’aumento del numero di microrganismi: prodotti chimici presenti nell’ambiente sono trasformati in nuove cellule guidate da cellule preesistenti.
• Differenziazione: formazione di una nuova struttura cellulare, meccanismo solitamente facente parte del ciclo vitale di una cellula.
• Comunicazione: le cellule comunicano e interagiscono principalmente attraverso prodotti chimici rilasciati o ritirati dall’ambiente cellulare oppure extracellulare.
• Movimento: gli organismi viventi son spesso capaci di muoversi in maniera autonoma.
• Evoluzione: le cellule contengono geni e evolvono presentando nuove proprietà biologiche. Gli alberi filogenetici mostrano le relazioni instauratesi tra le cellule durante l’evoluzione. Questo processo è tipicamente lento, ma le cellule microbiche possono evolvere molto rapidamente in caso di forte pressione selettiva ad esempio in seguito all’uso indiscriminato di antibiotici, oggi osserviamo nei batteri patogeni una rapida selezione di varianti resistenti.

Le cellule possono essere viste come catalizzatori biochimici in grado di far avvenire reazioni che costituiscono il metabolismo, al contempo sono ritenute strumenti genetici codificanti, capaci di replicare il DNA e processarlo per formare RNA e proteine necessarie al mantenimento e alla crescita della cellula nell’ambiente. Nella figura si denota che sono necessarie determinate condizioni affinché la cellula possa riprodursi: vi deve essere un adeguato supporto energetico e devono essere presenti i precursori per la sintesi di macromolecole. Il genoma dovrà poi essere trasmesso attraverso la replicazione, e i geni verranno espressi per sintetizzare le proteine attraverso trascrizione e traduzione.

Ambiente microbico

L’ambiente in cui vive una popolazione microbica è detto habitat, diverse popolazioni interagiscono tra di loro formando una comunità microbica, l’interazione può essere neutrale, vantaggiosa o dannosa: ad esempio, una sostanza di scarto di un microrganismo rilasciata nell’ambiente può essere tossica per altri microrganismi. Definiamo gli organismi viventi e i componenti chimico-fisici del loro ambiente, un ecosistema, il quale è gradualmente modificato nel tempo attraverso processi metabolici dei microbi che prelevano nutrimenti dall’ambiente oppure dalle sostanze di scarto liberate dai microrganismi.

Diffusione ed evoluzione della vita microbica

La Terra ha 4,6 miliardi di anni, la comparsa delle prime cellule è databile circa a 3,8 miliardi di anni fa e si è certi che fossero forme di vita esclusivamente microbiche. Il nostro pianeta ha avuto un’atmosfera priva di ossigeno per i primi due miliardi di anni, erano presenti solo N₂ e CO₂, in queste condizioni si sono sviluppati solamente microrganismi con metabolismo anaerobico, tra cui un gruppo che produce metano come scarto metabolico, i metanogeni. Circa un miliardo di anni dopo sono comparsi i primi organismi fototrofici anaerobici e in seguito i cianobatteri (fototrofia aerobi) che hanno cominciato il lento processo di immissione di ossigeno nell’atmosfera, ciò ha permesso lo sviluppo di organismi pluricellulari. Gli scienziati possono ricostruire tutto ciò dalla presenza nei fossili (come gli stromatoliti), molecole biologiche uniche per determinati organismi. Le cellule microbiche costituiscono la maggior parte della biomassa, ma di queste ne conosciamo molte poche, poiché l’habitat di moltissimi microbi è sottoterra o nelle profondità oceaniche.

Impatto dei microrganismi sull’uomo

• I microrganismi, che siano patogeni o meno, condizionano pesantemente la natura e l’attività agricola.
• Se confrontiamo la mortalità di oggi con quella degli inizi del 1900, ci accorgiamo che le morti per i microrganismi patogeni sono diminuite grazie alla comprensione del processo infettivo, nonché di migliori pratiche sanitarie e all’uso di agenti antimicrobici quali gli antibiotici.
• Il riciclo di nutrienti dovuto all’attività microbica è un grande vantaggio per la natura: ad esempio le leguminose formano alle loro radici delle strutture chiamate noduli in cui l’azoto atmosferico (N₂) è convertito in NH₃ che viene utilizzata dalle piante come fonte di azoto per la crescita (ciclo dell’azoto); grazie all’azione di questi batteri azoto-fissatori, le leguminose non hanno bisogno fertilizzanti azotati. Altri batteri metabolizzano lo zolfo (ciclo dello zolfo), ossidando prodotti tossici come il solfuro d’idrogeno (H₂S) in solfato, un nutriente essenziale.
• Vi sono alcuni microrganismi che intervengono nei processi digestivi dei ruminanti (ovini e bovini), questi animali hanno un organo chiamato rumine in cui i microbi trasformano la cellulosa dell’erba ingerita in acidi grassi che possono essere metabolizzati dall’animale e scartano CO₂ e CH₄.
• Ruolo importante nell’industria alimentare: possono infettare gli alimenti e danneggiarli al contempo sono utilizzati in molti prodotti caseari, oppure nei prodotti da forno e nelle bevande alcoliche, che sono il risultato dell’attività fermentativa dei lieviti, e producono rispettivamente CO₂ e alcol etilico.
• Alcuni organismi possono essere utilizzati per la produzione di metano, che deriva da microrganismi metanogeni, oppure per produrre carburante, come alcol etilico derivante da materie prime come canna da zucchero o l’amido di mais.
• Le biotecnologie utilizzano organismi geneticamente modificati per la sintesi di prodotti di alto valore commerciale come proteine umane a uso medico attraverso diverse tecniche della genomica.

Storia della microbiologia

Le scoperte in campo microbiologico sono strettamente legate all’invenzione del microscopio: Robert Hooke (1600) raccoglie in un volume del suo libro “Micrographia” le osservazioni dei corpi fruttiferi delle muffe. Van Leeuwenhoek (1600) riuscì a vedere microbi attraverso un microscopio di sua invenzione in virtù di un’attenta manipolazione agendo di continuo sul fuoco e li disegnò in semplici schizzi. Ferdinand Cohn (1800) era particolarmente interessato allo studio delle forme batteriche resistenti al vapore, ciò lo portò alla scoperta delle endospore. Lo scienziato descrisse l’intero ciclo vitale del batterio sporigeno Bacillus e dimostrò che, se bollite in acqua, erano uccise solo le cellule vegetative ma non le endospore (oggi sappiamo che le endospore si formano per differenziamento dalle cellule vegetative, e sono molto resistenti al calore). Cohn continuò a studiare i batteri ponendone una base per la classificazione, creando un primo tentativo di definire il concetto di specie batterica.

Louis Pasteur (epoca d’oro per la microbiologia, 1850-1900), sfatò il concetto di generazione spontanea (si riteneva che gli esseri viventi, come l'uomo e i grandi animali, i vermi e gli insetti, potessero nascere spontaneamente dal fango o da carcasse in putrefazione) già confutato da Francesco Redi. Pasteur in seguito alle sue scoperte sulla fermentazione dimostrò che nell’aria erano presenti microrganismi simili a quelli trovati nei materiali da putrefazione. Concluse che tali organismi derivavano da quelli dell’aria ed erano presenti su tutti gli oggetti. Di conseguenza, si dedusse che, trattando un alimento in modo da distruggere ogni organismo vivente responsabile della contaminazione, rendendolo dunque sterile, e proteggendolo da un’eventuale ulteriore, si sarebbe potuto ovviare alla putrefazione. Lo scienziato utilizzò il calore per eliminare i contaminanti. Alcuni criticarono gli esperimenti dichiarando che fosse necessaria aria fresca e per diversi motivi riguardanti la bollitura. Queste obiezioni furono superate con una fiasca a collo di cigno all’interno di cui una soluzione poteva essere portata a ebollizione, dopo il raffreddamento l’aria sarebbe potuta entrare ma la particolare curvatura del collo avrebbe impedito l’entrata dei microrganismi in grado di causare putrefazione. La crescita microbica era osservabile se si inclinava la fiasca in modo da far venire in contatto la soluzione e la parte del collo contaminata. Pasteur sviluppò anche dei vaccini tra cui quello per l’antrace, il colera e la rabbia.

Scoperte più importanti dello scienziato:

• 1857 – Microbiology of the lactic fermentation
• 1860 – Role of yeast in alcoholic fermentation
• 1864 - Disproved spontaneous generation
• 1864 - Pasteurization of wine
• 1877 – Sterilization with steam under pressure
• 1881 - Anthrax vaccine
• 1883 - Fowl cholera vaccine
• 1885 – Rabies vaccine

Robert Koch: i primi lavori di Koch riguardavano l’antrace, una malattia del bestiame che può occasionalmente trasmettersi all’uomo. Egli stabilì che il batterio era sempre presente nel sangue degli animali morti per questa patologia. Dimostrò che prelevando un campione di sangue da un topo infetto e iniettandolo in una sano, questo contraeva il malanno e moriva, prelevando da questo ultimo e iniettandolo in un altro ancora, si riottenevano i sintomi dell’antrace. Capì dunque che i batteri potevano essere coltivati in brodi nutrienti al di fuori dell’ospite e che anche dopo diversi trasferimenti si presentava sempre la malattia.

Sulla base di questi esperimenti elaborò dei postulati:

• Il microrganismo deve essere costantemente presente negli animali che soffrono della malattia e non deve essere presente negli animali sani.
• Il microrganismo deve essere coltivato in una coltura pura al di fuori dell’organismo ospite.
• La coltura pura, se inoculata in un animale suscettibile, deve dare i sintomi caratteristici della malattia.
• I microrganismi devono venire re-isolati da un animale da esperimento infettato e coltivati di nuovo in laboratorio, dimostrando di essere identici all’organismo originale.

Il secondo postulato sottolinea l’importanza di una coltura pura, per ottenerla lo scienziato mise a punto una serie di metodi. Koch aveva iniziato utilizzando le fette di patata esposte all’aria ma dato che molti microbi non erano in grado di crescervi sopra passò a utilizzare soluzioni come la gelatina e più tardi l’agar. La più grande scoperta di Koch è però la scoperta dell’agente eziologico della tubercolosi, utilizzando tutte le metodologie utilizzate per l’antrace tra cui la colorazione. Oggi sappiamo che il batterio della tubercolosi è molto difficile da colorare, lo scienziato mise a punto una colorazione speciale, tuttavia comprese che avrebbe dovuto far crescere il batterio in coltura per provarne l’implicazione nella malattia. Dopo esser riuscito a isolare il batterio da campioni di sangue coagulato, infettò delle cavie e dimostrò che queste contenevano il batterio M. tuberculosis. Alexander Fleming è ricordato per aver scoperto la penicillina, un antibiotico.

Perché studiare la microbiologia?

• Microbes were the first life on Earth
• Microbes created the biosphere that allowed multicellular organisms to evolve
• Multicellular organisms evolved from microbes
• >50% of the biomass on earth is comprised of microbes
• Microbes are everywhere
• Microbes will be on Earth forever
• Our understanding of life has arisen largely from studies of microorganisms (biochemistry and genetics)
• Studies of microorganisms continue to contribute to fundamental knowledge of life processes
• We still know very little about the microorganisms that are present on Earth

Cellule procariote vs eucariote vs virus

Procarioti non presentano né nucleo né organelli, le dimensioni tra una cellula procariote ed eucariote (10 micron) variano: la prima è dieci volte più piccola, il virus è ancora più piccolo, si parla di nanometri. Le dimensioni ridotte sono un vantaggio basta immaginare di calcolare superficie e volume di una sfera e calcolare il rapporto s/v, capiamo che se aumentiamo le dimensioni della sfera questo rapporto diminuisce; avere un rapporto alto è vantaggioso per poter far scambi con l’esterno, acquisire nutrienti, eliminare sostanze: cellule più piccole hanno attività metaboliche con tasso maggiore rispetto a quelle più grandi.

Le cellule procariote hanno una struttura semplice, a differenza degli eucarioti possono accoppiare trascrizione e traduzione poiché non essendo il DNA racchiuso in una membrana nucleare entrambi i processi avvengono nel citoplasma, inoltre la maggior parte dei procarioti utilizza la propria membrana in reazioni per la produzione di energia. Un tipico procariote bastoncellare è lungo da 1 a 5 micrometri, largo 1. La maggior parte dei procarioti presenta un singolo cromosoma (hanno dunque un genoma aploide), molti di questi contengono anche una o più molecole circolari di DNA chiamate plasmidi, che contengono geni non essenziali alla vita, a differenza del cromosoma principale.

I virus non sono cellule, son molto più piccoli, invece di essere un sistema dinamico aperto, una particella virale è statica, per acquisire infatti la capacità di riprodursi necessita di infettare un organismo. Questi organismi non hanno capacità metaboliche e sebbene possiedano dei propri geni, mancano i ribosomi per la sintesi proteica autonoma, possiedono infine un solo tipo di acido nucleico DNA oppure RNA.

Classificazione degli esseri viventi

Attraverso l’amplificazione e il sequenziamento del genoma ribosomiale (tutte le cellule contengono ribosomi) è possibile classificare gli esseri viventi, le relazioni evolutive tra gli organismi sono oggetto di studio della filogenesi. Il processo con cui si forma un albero filogenetico mediante sequenziamento e filogenesi di rRNA è il seguente:

• Il DNA viene estratto dalle cellule
• Mediante la reazione a catena della polimerasi (PCR) sono prodotte moltissime copie identiche di un gene codificante rRNA
• Il gene viene sequenziato e la sequenza ottenuta viene allineata al computer con sequenze di rRNA di altri organismi. Un algoritmo produce il confronto delle coppie di basi e genera un albero filogenetico che descrive le differenze evolutive.

Dall’albero notiamo che vi è un antenato comune (LUCA) e quasi subito la vita si biforca in due direzioni: una verso i bacteria, l’altra prende un’altra via e si biforca nuovamente verso gli archea e verso gli eukarya (eucarioti). Bacteria e Archaea sono domini esclusivamente procarioti. Il sequenziamento molecolare ha dimostrato che mitocondri e cloroplasti sono forme ancestrali derivate da specifiche linee di Bacteria, probabilmente facenti parte di cellule batteriche che diversi eoni di anni fa hanno stabilito un’intima associazione intracellulare con cellule del dominio Eukarya, diventandone organelli (Teoria endosimbiosi).

Diversità metabolica

L’energia per svolgere i processi vitali può essere ottenuta da tre fonti in natura: sostanze organiche, sostanze inorganiche e la luce.

Chemiotrofia

• Chemiorganotrofi: organismi che ricavano energia da sostanze organiche, l’energia è ottenuta mediante ossidazione dei composti ed è conservata sotto forma di ATP. Alcuni organismi possono ottenere energia da una sostanza organica solo in presenza di ossigeno questi son detti aerobi.