Microbiologia

Microbiologia

Lunedì 27 aprile 2020

Microbiologia è quella parte di microbiologia che si occupa dei microrganismi di interesse medico. Sono comprese diverse discipline come batteriologia, che studia i batteri, micologia che studia i miceti, parassiti che sono oggetto di studio della parassitologia, e virologia che si occupa dei virus. Sorge un problema perché i batteri e i miceti sono microrganismi procarioti, ma alcuni parassiti sono eucarioti e non microscopici. Microbiologia → sto parlando quindi o di batteri o di virus o di funghi o di parassiti etc., quindi devo specificare, se sto parlando di virus devo specificare: Virologia.

Regni degli esseri viventi

Gli esseri viventi sono suddivisi nei 5 regni: Regno dei procarioti, ai quali appartengono i batteri, sono organismi semplici senza nucleo non in grado di compiere riproduzione sessuata. Si nutrono di diversi tipi di nutrimento, sono organismi chemiosintetici che utilizzano fonti di energia provenienti dall’esterno e sono organismi unicellulari capaci di moltiplicarsi attraverso la riproduzione mediante fissione o scissione binaria. Alla fine del processo, la cellula madre scompare perché si divide nelle cellule figlie → caratteristica esclusiva del mondo batterico. Esistono da qualche miliardo di anni, sono i più primitivi, facendoci capire che si adattano nel corso del tempo.

Organismi eucarioti

Organismi eucarioti hanno un nucleo, a differenza dei procarioti. Alcune cellule eucariotiche sono capaci di riproduzione sessuata oltre che asessuata, es: Toxoplasma gondii → riproduzione sia sessuata che asessuata per scissione multipla (da una cellula se ne formano tante). Sono organismi complessi e diventano ancora più complessi quando entrano in contatto con il corpo umano. Esempi di organismi eucarioti → funghi, che possono essere uni o pluricellulari, dotati di una parete cellulare di chitina. Altri organismi pluricellulari sono le piante e gli animali, importanti perché alcuni parassiti appartengono al regno animale → elminti (vermi) e artropodi (zecche, pidocchi).

Batteri

Batteri esistono da circa 2 miliardi e mezzo di anni, sono le prime forme di vita conosciute. Ciò dimostra che sono stati in grado di adattarsi e subire numerose evoluzioni. Hanno una diffusione ubiquitaria, cioè si trovano dappertutto: sulla crosta terrestre, sul suolo, negli esseri viventi, nelle piante e negli animali presenti sulla Terra, nelle acque dolci e salate → sono in grado di adattarsi a qualsiasi situazione. Hanno infinite capacità di adattamento → il loro acido nucleico, anche se fuori dal nucleo, è un DNA "dei miracoli" perché riesce ad adattarsi a praticamente qualsiasi situazione ed è la ragione per cui esistono da miliardi di anni, senza che si siano estinti. Si capisce che non sono sempre gli stessi ma si sono evoluti, mantenendo le caratteristiche primordiali, ma poi via via si sono adattati alle diverse condizioni di temperatura, di umidità, di disponibilità di nutrienti, etc., che sono cambiate man mano che cambiava la vita sulla Terra. Quindi quelli che oggi chiamiamo Eucarya sono l'evoluzione più estrema/recente/conosciuta degli archaea (cioè i batteri primitivi) → all'interno degli Eucarya troviamo le caratteristiche dei batteri primordiali → al di là degli Eucarya (una serie di organismi in cui ci sono dentro anche protozoi e procarioti) c’è un’origine più antica che ha dato origine ai bacteria, i batteri moderni. Abbiamo quindi un’origine comune fra i vari batteri moderni e antichi.

Batteriologia

Batteriologia è la branca della microbiologia che studia i batteri, si occupa di microrganismi molto piccoli, sono cellule singole grandi qualche micron o meno, (1 micron=10^-3 mm) e sono invisibili ad occhio nudo. Sono molto piccoli, parliamo di dimensioni submicroscopiche. Per poterli vedere dobbiamo avere strumenti adatti: ovvero il microscopio, che non è altro che una lente di ingrandimento molto speciale che ingrandisce dalle 100 alle 1000 volte, vediamo le figure come se fossero di qualche mm ma questo perché sono ingrandite. Ad occhio nudo possiamo invece vedere i raggruppamenti (colonie batteriche). Una singola cellula batterica ad occhio nudo non la posso quindi vedere. Con il microscopio ottico vedo la forma, la misura e le dimensioni ma mi fermo lì perché il microscopio ottico ingrandisce di mille volte, non di più, e quando ho a che fare con cellule così piccole serve qualcosa di più. Se voglio vedere e studiare le caratteristiche della cellula batterica, utilizzo diversi ingrandimenti che possono arrivare a milioni di volte con il microscopio elettronico → ci consente di vedere oggetti submicroscopici, più piccoli del micron o dell’ordine di grandezza del nanometro (millesimo di micron). In batteriologia è sufficiente il microscopio ottico, ma è necessario quello elettronico se voglio studiare solo alcuni particolari e mirati.

Dal microscopio ottico non vediamo tutto ma ricaviamo forma, morfologia, dimensioni e modalità di raggruppamento, ovvero come tutte le cellule batteriche si raggruppano insieme per effetto della divisione delle stesse. Questo è molto importante, perché a seconda della modalità di divisione identifichiamo i batteri. Possiamo identificare dimensioni e morfologia, ma se aggiungiamo le colorazioni, possiamo avere affinità tintoriale per certi coloranti tintoriali e ottenere informazioni in più riguardanti la morfologia → capirei cose che vedrei solo con il microscopio elettronico. Le strutture dei batteri legano in maniera diversa i coloranti a seconda della loro struttura e composizione. Se vedo un colore so che c’è una certa struttura. Se guardo il batterio al microscopio ottico posso vedere la sua forma principale (sferica, tondeggiante o allungata). Se conosciamo la struttura e conosciamo l’affinità tintoriale possiamo capire in base al colore che assume la struttura della cellula.

Struttura della cellula batterica

Una struttura di una cellula batterica → cellula molto semplice procariotica priva di nucleo, possiede solo strutture essenziali, il minimo indispensabile per sopravvivere. Per essere una cellula deve necessariamente possedere una membrana citoplasmatica fosfolipidica, la quale ha lo scopo di separarla dall’ambiente esterno, funge da limite biologico ed è una membrana molto semplice.

Abbiamo poi una parete cellulare, ovvero uno strumento di contenimento e protezione, posizionata sotto la membrana citoplasmatica attorno (molto sottile, sacculo). La parete cellulare è fatta di peptidoglicani, unica nel mondo biologico, in quanto solo i batteri la producono. Cosa sono i peptidoglicani? Mattoncini molto semplici, ma che costituiscono un vero e proprio muro di protezione, di contenimento, che è la parete cellulare → la cellula è in grado di definire i suoi limiti con l'ambiente esterno attraverso la membrana citoplasmatica, ma la parte cellulare regola i rapporti con il mondo esterno, la protegge da sostanze dannose, la fuoriuscita di sostanze e dà la forma alla cellula.

Trattandosi di cellule semplici si può fare un paragone: quello che per le cellule eucariote è la membrana, nei batteri la membrana è associata ad un'altra struttura che è la parete cellulare, compensano la semplicità con due strutture, parete e membrana.

Altre strutture essenziali sono nel contenuto della cellula:

• Citoplasma → non organizzato in compartimenti come nelle cellule eucariote ma è semplice, è un ambiente liquido gelatinoso, dove sono accolte strutture molto semplici deputate alla sintesi proteica, le quali hanno autonomia vitale e devono fare la sintesi proteica, producono tutte le macromolecole di cui hanno bisogno. Hanno quindi ribosomi piccoli che sono collegati fra di loro da ancoraggi semplici, non esiste il Reticolo Endoplasmatico Rugoso → ma abbiamo i ribosomi raggruppati in una zona del citoplasma chiamata polisoma ma non è il RER, però dal punto di vista funzionale è molto simile perché fa la sintesi proteica come nelle cellule eucariote, sono comunque proteine molto semplici che sono tuttavia sufficienti alla sopravvivenza della cellula che le produce.
• DNA della cellula batterica → è contenuto nel citoplasma senza nessuna barriera protettiva, il DNA è libero nel citoplasma (non completamente libero) ma è stabile, in quanto ancorato alla membrana citoplasmatica dal mesosoma → struttura invisibile durante la vita batterica, la si vede solo con il microscopio elettronico, è l’ancora del DNA. Il mesosoma è ancorato a sua volta attraverso la parte batterica alla membrana. Il mesosoma non lo si vede mai, si intravede solo quando il DNA comincia a duplicarsi, se non è in duplicazione è difficile da mettere in evidenza.

Non ci sono altre strutture, sono queste quelle essenziali, ovvero qualunque cellula batterica osservo ha queste strutture.

Il DNA è chiamato impropriamente cromosoma, non è complessato con proteine funzionali, ma è più semplice → anello di DNA spiralizzato. Dovrebbe chiamarsi cromonema, ma lo si chiama cromosoma batterico in maniera impropria pur sapendo che non ha la struttura del cromosoma vero e proprio, ma dal punto di vista funzionale è simile, perché è il depositario dell’informazione genetica. Da questo DNA la cellula deriva le informazioni che servono per sintetizzare le proteine, ci sono anche le informazioni della duplicazione, la quale porta alla formazione di una vera e propria fotocopia del DNA della cellula madre, di cui una copia andrà a una cellula figlia e l’altra copia all’altra, per scissione o fissione binaria. I batteri sono gli unici a compiere clonazione in natura. La funzione del DNA batterico è simile a quelle delle eucariote, anche se il termine scientifico è cromonema.

Strutture facoltative

Ci sono alcune cellule che hanno strutture facoltative, strutture che ci possono essere e mancare. A seconda delle strutture essenziali potrò avere strutture facoltative differenti: capsula, fimbrie o pili, flagelli. Non tutte sono presenti in tutte le cellule. Cosa ne determina la comparsa? Le strutture facoltative sono possibili se ci sono le informazioni genetiche per produrle, se nel DNA non c’è l’informazione per produrla non si produce. La cellula le può avere tutte e tre ma non è obbligatorio. Deve comunque avere l’informazione genetica che la codifica, posso avere variazioni nell’informazione genetica.

Dove si pongono queste strutture non essenziali? Sono presenti all’esterno della parete di peptidoglicano: posso trovare la capsula → ha il compito di difendere da alcune specifiche condizioni. Quando un batterio ci infetta, questo ne determina una risposta immunitaria in quanto la capsula blocca i fagociti, ha un’azione antifagocitaria, è una protezione per il batterio, un esempio è il pneumococco che ha una poderosa capsula e una forte azione antifagocitaria.

Pili o fimbrie vanno fino alla superficie batterica, hanno la funzione di mediare l’adesione della cellula batterica, sono utili per aderire nel mondo esterno. Quando un batterio entra in contatto con il corpo umano, le fimbrie o pili permettono l’adesione alle superfici mucose. L’utilizzo delle fimbrie è quindi di adesione alle superfici, ogni batterio ha fimbrie specifiche in base a dove deve aderire.

Il pilo F o sessuale si trova in corrispondenza del mesosoma, è un canale specializzato attraverso il quale i batteri si scambiano del materiale genetico da una cellula all’altra. Il nome pilo sessuale è perché dà l’idea di uno scambio di informazioni genetiche da una cellula all’altra (che nel mondo batterico non sarebbe possibile perché si riproducono per scissione binaria), ma ci deve essere compatibilità genetica tra di loro, cioè dobbiamo avere una cellula recettrice e una cellula donatrice → questo è uno dei meccanismi principali attraverso il quale i batteri si scambiano geni che resistono ai farmaci antimicrobici (importante per capire come un batterio può diventare resistente a una determinata terapia).

Gram negativi e positivi

Possiamo avere due possibili strutture diverse, gram negativo e gram positivo, con la colorazione di gram mettiamo in evidenza le composizioni strutturali. La variabile è la parete di peptidoglicani, una parete spessa indica dei gram positivi → una parete di peptidoglicani molto spessa si colora (se è molto spessa riesce a trattenere il colorante). In quelli che hanno la parete poco spessa, il colorante non attecchisce e compensano l’avere una parete sottile con una membrana citoplasmatica esterna (si ha quindi lo stesso spessore della cellula gram positiva). La cellula definita gram positiva ha una struttura diversa, i peptidoglicani sono più spessi e quindi si trattiene il colorante. Quando utilizziamo il colorante di gram, una cellula si colora e una no, quindi capisco che ha rivestimenti differenti. Comincio ad andare verso una identificazione di quel batterio.

Morfologia della cellula batterica

Morfologia della cellula batterica → rappresentazione schematica: Se guardo al microscopio ottico i batteri posso vedere le loro due morfologie, rotondeggiante e sferica, più frequente (perché la sfera è la forma che ha più stabilità in natura), oppure una cellula allungata con le estremità rotondeggianti → due morfologie:

• Sferica → cocchi;
• Cilindrica → bacilli o bastoncini o bastoncelli oppure batteri propriamente detti (se dico “batterio gram positivo” indico un bastoncino gram positivo);

Le forme sono due, ma ci sono delle varianti:

• Cilindrica corta → cocco-bacilli (è una via di mezzo, non è rotondo come un cocco, nemmeno allungato come un bacillo, ma è un cilindretto corto con le estremità arrotondate);
• Cilindrica con estremità assotigliate → bacilli fusiformi o fusobatteri;
• Cilindrica con una o più curvature lungo l'asse maggiore → vibrioni (una – batteri a virgola perché vibrio in latino è virgola) o spirilli e batteri spiraliformi;

Tutte queste varianti della variazione rotondeggiante o allungata, hanno misure molto piccole, qualche frazione di micron (quelle più lunghe qualche micron). Dati questi batteri semplici, si possono formare degli agglomerati di cellule batteriche. Quando i batteri si moltiplicano, aumentano di numero (scissione cellulare) e a seconda della loro forma si dividono in un modo preciso:

• I batteri di forma rotondeggiante si dividono e restano attaccati a due a due → diplococchi;
• I batteri che si dividono per multipli di due → streptococchi;
• Altri fanno ammassi a grappolo → stafilococchi.

Quelli di forma a bastoncino, allungati → prevedono un raggruppamento casuale, solo alcuni (ad esempio quelli affusolati sottili) possono fare intrecci strani (ad esempio gli agenti eziologici della tubercolosi, che tendono a rimanere appaiati a palizzata) → non abbiamo comunque cose caratteristiche specifiche come quelli rotondi. Quindi anche la morfologia dei raggruppamenti è data dalla morfologia della singola cellula, che ha dei piani di divisione obbligati.

La divisione cellulare avviene con il sistema delle forcelle replicative, la duplicazione del DNA avviene in modo che il DNA originale venga fotocopiato e dato alla cellula figlia.

Colorazione di Gram

Posso avere la possibilità di differenziare i batteri gram positivi e negativi con la colorazione di gram → messo appunto da Gram nel '600/700 (anche grazie all'uso dei microscopi), utilizzo due coloranti:

• Uno violetto, fatto di cristalli per cui si chiama cristal-violetto;
• Lo iodio (che non è un colorante, ma una sostanza che lega il colore);
• Abbiamo poi l’etanolo che serve a lavare il colorante in eccesso, usiamo poi la safranina come colore di contrasto.

Guardando immagini istologiche, vediamo cellule che hanno colore viola carico, questo perché hanno una parete spessa, e sono quindi gram positive e se le sottopongo a lavaggio con etanolo non va via il colorante perché ha fatto legami chimici con i peptidoglicani e neanche la safranina (colorante secondario) riesce a legare, le altre cellule fucsia sono più chiare perché il cristal-violetto non lega tanto e viene lavato via dall’etanolo e trattengono invece la safranina, questo perché hanno una parete sottile. → Vedendo forma e colore ho già la struttura di quella cellula. Aiuta a capire risposte a certi farmaci. (Solo menzionato) Altra colorazione di ziehl-neelsen, micobatteri tubercolosi, non si colorano con gram perché non hanno peptidoglicani ma lipidi → molecole di acidi grassi, non legano gram, ma si trattano con la colorazione di neelsen.

Diplococchi gram positivi nel liquor cefalorachidiano → IMMAGINE.

Batteri anaerobi

Ci sono alcuni batteri definiti anaerobi, ovvero batteri per i quali l’O₂ è tossico, questo perché sono privi di meccanismi enzimatici (che ci difendono dai radicali liberi dell'ossigeno), e sono privi di superossido dismutasi (enzima antiossidante) e di catalasi, quindi sono ben poco tolleranti all'ossigeno, muoiono se esposti all’aria. I batteri, anche se anaerobi, esistono e sono sotto forma di spora batterica → importanti sono Clostridium, agente eziologico del tetano.