Microbiologia

Microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia i piccoli organismi viventi: i microbi (dal greco micros: piccolo e bios: vita). I microrganismi sono presenti ovunque e rappresentano la forma di vita predominante sulla terra. Piante ed animali si sono evoluti dai microrganismi e la loro esistenza dipende completamente dall'universo microbico. La microbiologia è la scienza che studia i microrganismi e la loro attività.

Ha per oggetto la forma, la struttura, la riproduzione, la fisiologia, il metabolismo e l’identificazione dei microrganismi. Comprende:

• Distribuzione in natura dei diversi microrganismi;
• Relazioni tra loro e con gli altri esseri viventi;
• Effetti benefici e dannosi che hanno sugli esseri umani;
• Modificazioni fisiche e chimiche che provocano nel loro ambiente;

Questa scienza si avvale di tecniche di sterilizzazione e terreni di coltura utili per l’isolamento e la crescita dei microrganismi; è una disciplina molto vasta ed esercita una enorme influenza sugli altri campi della biologia.

Microbiologia medica: studio dei microrganismi patogeni

La "scomparsa" delle malattie infettive 1962

Sir Frank MacFarlane Burnett (microbiologo e immunologo australiano - premio Nobel per la Medicina 1960):1969

William H. Stewart (Congressional testimony by the Surgeon General of the United States)

La convinzione che il problema delle malattie infettive fosse destinato a una rapida conclusione si fondava su dati di fatto: Dalla fine del XIX secolo nei Paesi industrializzati si era verificata una progressiva diminuzione dell’incidenza delle malattie infettive; fattori ambientali:

• Migliori condizioni igieniche, acqua pulita, cibi più sani, condizioni economiche più favorevoli;
• Progressi della medicina:
• Dopo la seconda guerra mondiale erano arrivati gli antibiotici che permettevano di curare patologie una volta associate ad alta mortalità come la polmonite batterica o la meningite batterica;
• A partire da metà anni ‘60 (XX secolo), furono introdotti vaccini contro tetano, difterite, pertosse, poliomielite.

Vaccinazioni di massa: eradicazione del vaiolo, certificata dal WHO (World Health Organization) nel 1979.

Scienza di base e scienza applicata

• Strumento per sondare la natura dei processi vitali;
• Modello sperimentale per la conoscenza delle funzioni cellulari negli organismi superiori;
• Si occupa di problemi di grande importanza in medicina, industria ed agricoltura;
• Malattie infettive uomo/animali;
• Ruolo nella fertilità del suolo e nell’allevamento del bestiame;
• Processi industriali e biotecnologici (produzione di antibiotici e proteine per uso umano);

Caratteristiche dei sistemi biologici

• Capacità di riprodursi (mitosi e meiosi);
• Capacità di ingerire o assimilare sostanze alimentari e di metabolizzarle per ricavarne energia ed accrescersi;
• Capacità di espellere prodotti di rifiuto;
• Caratteristiche dei sistemi biologici (reagire);
• Capacità, chiamata talvolta “irritabilità” o “eccitabilità”, di reagire ai cambiamenti che insorgono nel loro ambiente.

I microrganismi comprendono varie classi: batteri, funghi, protozoi ed alcuni tipi di alghe. Non si originano spontaneamente dalla materia inanimata, ma derivano da altri microrganismi.

Esistono due tipi fondamentalmente differenti di cellule microbiche: quelle procariotiche (batteri) e quelle eucariotiche (miceti, protozoi).

Virus

I virus vengono definiti come unità biologiche infettanti non dotati di parassiti obbligati.

I 5 regni

Individuati in base al tipo cellulare, complessità strutturale e tipo di modalità di nutrizione:

• Le Monere (tutti i batteri): Appartengono a questo regno tutti i procarioti, sia quelli esclusivamente aerobi, che quelli esclusivamente anaerobi (fermentazione). Questo regno ha 2 phylum principali: i batteri e le alghe azzurre (o cianobatteri). Dal punto di vista del metabolismo, si individuano, all'interno di questo regno, 4 principali gruppi:
  • Fotoautotrofi= sintetizzano dalla CO₂ ed utilizzano la luce solare come fonte energetica;
  • Fotoeterotrofi= producono ATP attraverso la luce, per fissare la CO₂ necessitano di carbonio organico per poi produrre DNA;
  • Chemioautotrofi= possono fissare la CO₂ ed ossidano i composti inorganici per ricavare energia. Non sfruttano l'energia solare;
  • Chemioeterotrofi= ricavano energia ed hanno processi di sintesi utilizzando sostanze organiche dell'ambiente circostante (possono usare solo carbonio organico);
• Eucarioti: Questi organismi sono caratterizzati da una cellula avente un nucleo delimitato da una membrana che lo separa dal citoplasma, organelli interni, complessi di membrane. Appartengono al gruppo degli Eucarioti: le alghe, i funghi, protozoi, le piante superiori e gli animali. Il regno dei protisti è composto da eucarioti primitivi, per la maggior parte unicellulari oppure coloniali ma non differenziati. 3 gruppi:
  • I Protozoi, non sono fotosintetici e si procurano il cibo predando sostanze decomposte;
  • Le Alghe, sono fotosintetiche;
  • Mixomiceti, abitudini alimentari dei funghi (riproduzione sia sessuata che asessuata);

I protisti

I protisti sono parassiti interni e esterni, possono vivere dove c'è sostanza organica in decomposizione e vivere in simbiosi con altri animali.

Protozoi

I protozoi fanno parte del regno dei protisti, organismi unicellulari, eucarioti, eterotrofi. Sono provvisti di tutti gli organuli cellulari, a volte di vacuoli e di organi fotosensibili.

• Colonizzano in ambienti umidi o in organismi;
• Attecchiscono e si diffondono rapidamente in materiali in decomposizione;
• Conducono la vita in simbiosi;

I funghi

• Sono pluricellulari, eterotrofi e a volte unicellulari;
• Colonizzano habitat legati all'umidità oppure vivono all'interno di altri organismi;
• Attecchiscono e si diffondono rapidamente, specialmente su materiali in decomposizione;
• Conducono spesso vita in simbiosi;
• Si nutrono di sostanze organiche;
• Secernono enzimi capaci di idrolizzare materiale nutrizionale esterno e assorbono attraverso la parete cellulare;
• Corpo a tallo;
• Saprofiti= vivono in simbiosi senza creare danni;
• Varietà di forme e si riproducono mediante spore;
• La maggior parte si riproduce alternando riproduzione asessuata (mediante spore) a quella sessuata;

Non tutti i batteri sono patogeni per l'uomo, l'organismo infatti scaturisce una risposta immunitaria da parte dell'organismo. Per esempio i funghi dell'ospite devono avere una predisposizione funginea che porta all'abbassamento delle difese immunitarie; in alcuni casi l'infezione viene bloccata ancor prima di manifestarsi. Alcuni funghi vengono usati essendo in grado di fermentare e diventare muffe che se lavorate possono essere usate per produrre antibiotici. Ogni batterio vive a temperature, ossigeno, protezione e flora microbica precisa.

Ruolo dei microrganismi nelle malattie

1. Dimostrò il rapporto causale tra Bacillus anthracis e il carbonchio.
2. Contagiò topi sani con materiale proveniente da topi infetti;
3. I topi sani si ammalarono;
4. Successivamente mise in incubazione una porzione di milza infetta in siero di bue;
5. Il bacillo iniziò a riprodursi e a produrre spore;
6. Quando le spore o bacilli isolati erano inoculati nei topi sani si sviluppava il carbonchio;

I postulati di Koch vengono utilizzati per determinare il legame che esiste tra una malattia ed il microrganismo che si sospetta ne sia la causa. Per sviluppare un terreno di coltura è necessario fornirlo di ciò di cui un microorganismo necessita per crescere.

Patogeni

Postulati di Koch (1884)

1. Il microrganismo deve essere sempre isolabile nella malattia in esame;
2. Il microrganismo isolabile dall'ospite ammalato deve crescere in coltura pura;
3. Inoculando microrganismi cresciuti in una coltura pura ad un animale sensibile e sano si deve riprodurre la malattia;
4. Nell'animale infettato sperimentalmente deve essere reperibile nuovamente il microrganismo e quest'ultimo deve essere coltivabile nuovamente in coltura pura.

Postulati di Kock

1. Il microrganismo sospetto deve trovarsi in tutti i casi di malattia, ed essere assente in animali sani.
2. Il microrganismo sospetto deve poter crescere in coltura pura.
3. Cellule da una coltura pura del microrganismo sospetto devono indurre la malattia in individui sani.
4. Il microrganismo deve poter essere nuovamente isolato e deve essere identico all’originale.

Procarioti

• Organismi con struttura cellulare semplice ed un nucleo primitivo (nucleoide) non separato dal citoplasma da alcuna vera membrana.
• Le cellule maggiormente rappresentative del gruppo dei Procarioti sono quelle batteriche.

La classificazione dei batteri si basa essenzialmente sull’identificazione dei generi e delle specie. Le principali tecniche utilizzate per classificare e differenziare le varie specie sono:

1. La tassonomia numerica (caratteristiche fenotipiche, caratteri morfologici, biochimici e genetici);
2. L’analisi genetica (composizione di G+C);
3. L’analisi delle sequenze (RNA ribosomale);

Tassonomia numerica

Vengono analizzati e valutati una serie di caratteri: morfologici, biochimici e genetici, comparandoli tra loro, ed organizzabili in:

• Gruppi o taxa (ordine gerarchico)

Analisi genetica

• Valutazione della percentuale in G+C: Per contenuto di G+C, si intende il quantitativo di coppie di basi azotate di guanina e citosina presenti in una molecola di DNA. Questa differenza fa sì che le proprietà fisiche delle molecole di DNA differiscano al variare della composizione percentuale delle coppie di basi azotate presenti, permettendo così l'identificazione dei corredi genomici nelle diverse specie, in quanto ogni specie ha un suo contenuto in G+C% caratteristico.
• Grado d’ibridazione del DNA: L'ibridazione DNA-DNA è una tecnica utilizzata per l'identificazione batterica: un segmento di DNA di un certo organismo viene scisso e marcato, in seguito appaiato ad un segmento di DNA di un altro organismo. In base al calcolo di quanto DNA dei due organismi si ibrida (si appaia) si può definire se essi appartengono alla stessa specie, allo stesso genere, o di generi differenti.

Analisi delle sequenze

• Sequenza nucleotidica delle molecole di RNA: il gene codificante il 16S rRNA (componente della subunità 30S del ribosoma batterico) è utilizzato nella ricostruzione filogenetica dei microrganismi, perché è altamente conservato tra le diverse specie di batteri.

Sequenza amminoacidica delle proteine: Nella struttura primaria di una proteina è presente un anello che congiunge il messaggio genetico sul DNA e la struttura tridimensionale la quale ne determina la funzione biologica.

Virus

1. I virus sono costituiti da DNA ed RNA e da proteine;
2. Sono parassiti obbligati e richiedono un corpo ospite per replicarsi;

Hanno una struttura:

• Rivestimento proteico;
• Unicellulari e procarioti;
• Capsula= fago;

L'infezione causata da un virus può diventare una replicazione cronica con eventuale unione tra genoma virale e genoma ospite.

Batteri

Sono organismi procarioti che si riproducono per divisione asessuata. La parete può essere di 2 tipi:

• Gram positivi= spesso strato peptidoglicano;
• Gram negativo= sottile strato peptidoglicanico e una membrana esterna;

Alcuni batteri non hanno questa parete, quindi sopravvivono come intracellulari obbligati o in ambienti ipertonici. Si classificano mediante dimensioni, forme e organizzazione spaziale.

La cellula batterica

Nel mondo dei microrganismi la cellula batterica è spesso rappresentata dalla cellula procariota. I batteri presentano forme, caratteristiche geniche e conformazionali diverse:

• Sferici o cocchi: coccus (singolo), diplococcus, streptococcus, tetrade, staphylococcus e sarcina; i quali presentano una forma sferica singola o aggregata ad altre sfere caratterizzando determinati batteri con determinate funzionalità.
• Bastoncellari o bacillo: sono batteri con una forma simile ai cocchi ma più allungata;
• Spiraliformi: presentano una forma molto allungata. Vibrio, spirillum e spirochete (allungato e sottile);

Lo studio della cellula microbica è possibile grazie a strumenti specializzati, come il microscopio ottico il quale utilizza lenti di vetro per deflettere e focalizzare i raggi luminosi, così da produrre immagini ingrandite di piccoli oggetti:

1. MO in campo chiaro: genera un’immagine scura su uno sfondo più luminoso;
2. MO in campo scuro: immagine chiara su sfondo scuro; permette di osservare microrganismi vivi, non colorati quindi non si possono valutare attraverso preparati colorati.
3. MO a fluorescenza: il campione è esposto a luce UV per formare l’immagine sfruttando la fluorescenza emessa dall’oggetto; esso svela anche le reazioni immunologiche e permette una rapida identificazione degli agenti infettivi.

Il microscopio elettronico:

• Elettronico a trasmissione: permette di osservare l'ultra struttura di virus e batteri, diagnosi di malattie virali, ma sono visibili solo a successiva necrosi, fissati, disidratati e colorati. Queste procedure favoriscono gli artefatti;
• Elettronico a scansione: permette osservazioni molto dettagliate delle strutture esterne dei microrganismi;

Replicazione DNA

La cellula procariota è organizzata in modo molto diverso da quella eucariotica a partire dalle richieste energetiche, modalità di riproduzione, struttura e replicazione genica. Si ricorda che la replicazione del DNA è semi conservativa e successiva alla sua replicazione si ha la trascrizione indotta dall'RNA polimerasi che inizia da un filamento di DNA copiato in una catena di mRNA in direzione 5'-3' (terminazione); avremo delle triplette che costituiranno i codoni i quali saranno soggetti a traduzione. Il filamento di RNA è riconosciuto dal ribosoma nelle due subunità 50s e 30s (si lega per primo). Grazie al tRNA il messaggio viene trasmesso, iniziando dalla prima tripletta AUG; il tRNA corrispondente entra in 50s (sito A) che uscirà nel sito E dopo aver scaricato l'aminoacido sul sito A. Nei batteri la trascrizione avviene con la traduzione RNAm e può essere legato a più ribosomi. Gli aminoacidi hanno composizione basica e acida, esistono combinazioni infinite, ma sono solo 20 i fondamentali e cambieranno per il gruppo R. La struttura base è la struttura protonata altamente reattiva e fondamentale per formare il legame peptidico. Comunque, i batteri presentano una autoreplicazione cromosomica nella quale i due filamenti iniziano a separarsi, non appena la doppia elica del DNA si svolge il filamento complementare viene sintetizzato lungo il filamento parentale; la replicazione avviene in entrambe le direzioni in due siti distinti chiamati ''forche replicative. La sintesi bidirezionale produce due doppie eliche composte da un filamento parentale e uno di nuova sintesi.

Il materiale genico extra-cromosomale è presente nei plasmidi e le informazioni codificate sono:

• Geni codificanti per enzimi coinvolti nell'uso di mono e poli saccaridi;
• Geni codificanti per enzimi coinvolti nell'uso di proteine;
• Informazioni correlate alla produzione di sostanze antibatteriche;
• Informazioni correlate alla produzione di sostanze tossiche per difesa;

NESSUNA è ESSENZIALE PER LA VITA DELLA CELLULA.

• Alcuni plasmidi possono integrarsi nel cromosoma che prendono il nome di episomi e, in queste condizioni, non si replicano più in modo autonomo, ma in sincronia con il cromosoma;
• Un episoma può separarsi dal cromosoma e tornare a replicarsi autonomamente sotto forma di plasmide;
• Le informazioni contenute negli acidi nucleici sono costituite dalla sequenza con cui sono disposte le basi azotate. Tale sequenza costituisce un gene, in cui è possibile individuare un sito di inizio e un sito di fine (stop);
• Il gene viene codificato dalla cellula come sequenza di amminoacidi attraverso la sintesi delle proteine. Un gene può quindi essere definito come una entità che specifica la struttura di una singola catena polipeptidica;
• OPERONE= l’unità del genoma costituita da più geni adiacenti scritti sul medesimo mRNA, che se espressa porta alla regolazione di un particolare processo metabolico;

I geni batterici possono codificare proteine

• Regolatorie che specificano proteine di controllo della trascrizione e della traduzione;
• Strutturali che hanno un ruolo strutturale nella cellula batterica (es. porine);
• Enzimatiche che svolgono reazione metaboliche nella cellula batterica;

Proteine

Gli amminoacidi presentano nella stessa molecola i gruppi funzionali —COOH e —NH₂ a cui è legata una catena di atomi di carbonio caratteristica. Gli amminoacidi possono comportarsi come basi, poiché il gruppo —NH₂ è in grado di accettare un protone, ma anche come acidi, in quanto il gruppo —COOH può cedere un protone. Le proteine sono formate da catene di amminoacidi legati fra loro da un legame peptidico —CONH— che si forma quando il gruppo amminico di un amminoacido lega il gruppo carbossilico di un altro amminoacido. La struttura di una proteina dipende dal numero, ...