Microbiologia

Microbiologia

Introduzione alla microbiologia

Storia della terra

Quattro miliardi e mezzo di anni fa comparvero sulla terra le prime forme di vita, ovvero i procarioti anaerobi. Nel corso del tempo, grazie alla comparsa dell’ossigeno, da questi procarioti anaerobi si originarono i procarioti aerobi e, successivamente, a partire da procarioti anaerobi ed aerobi si svilupparono i primi organismi eucariotici (prima unicellulari e poi pluricellulari). Nello specifico lo sviluppo degli eucarioti a partire da organismi procarioti aerobi e anaerobi può essere spiegato con la teoria endosimbiontica: secondo questa teoria un procariote aerobico venne ingerito da un procariote anaerobico, dando origine ad una cellula precursore della cellula eucariotica.

Questa cellula nel corso del tempo, grazie al reciproco vantaggio che si arrecavano le due cellule fuse che la costituivano (rapporto endosimbiotico), divenne essa stessa aerobica e dal procariote che aveva inglobato si svilupparono i mitocondri, tipici della cellula eucariotica matura. Questa cellula nel corso del tempo si è ulteriormente differenziata, sviluppando una doppia membrana con il compito di avvolgere il proprio nucleo (assente nei procarioti che possiedono, invece, il nucleo nel citoplasma e non delimitato da una membrana). Infine dalla fusione di questa cellula eucariotica con procarioti fotosintetici si sono sviluppate le cellule vegetali, che oltre ai mitocondri possiedono i cloroplasti.

Nascita della microbiologia

• Nel 1684 Leeuwenhoek costruì il primo microscopio rudimentale, costituito da una lente interposta tra il campione da osservare e l’occhio umano e da una vite per effettuare la messa a fuoco. Nonostante i limiti del microscopio Leeuwenhoek riuscì ad osservare le principali forme dei batteri, poi confermate dalle osservazioni con microscopi più avanzati. Nello specifico egli osservò bacilli, cocchi, spirochete, batteri filamentosi ecc., e capì che sulla patina dei denti di un uomo, a livello della placca, sono presenti più batteri che esseri umani in un intero regno.
• Esperimenti che confutarono la teoria della generazione spontanea: Questa teoria sosteneva che le forme viventi si originavano a partire da energie sovrannaturali. Ad esempio si pensava che le mosche che si sviluppavano ponendo un pezzo di carne in un recipiente aperto, derivassero dalla putrefazione della carne. Tuttavia questa teoria venne confutata da vari esperimenti:

Esperimento di Redi

Redi prese un recipiente chiuso ermeticamente con una pellicola contenente un pezzo di carne e notò che in questo recipiente le mosche non si sviluppavano. Inizialmente si pensò fosse dovuto all’assenza di aria e che fosse, quindi, l’aria la responsabile dello sviluppo delle mosche. Così Redi chiuse il recipiente contenente la carne con un coperchio traforato a maglie strette (come una garza) in modo da consentire il passaggio dell’aria nel recipiente ma non il passaggio di altre sostanze. Anche in questo caso le mosche non si sviluppavano, per cui non poteva essere l’aria la causa della presenza delle mosche. A questo punto Redi tagliò un pezzo di garza precedentemente utilizzata come coperchio, lo mise nel recipiente a contatto con la carne e chiuse il recipiente ermeticamente con la pellicola. In questo caso le mosche si sviluppavano, per cui Redi dedusse che le mosche avevano depositato le uova sulla garza usata come coperchio, e tali uova si erano sviluppate nel recipiente proprio perché la garza era stata posta al suo interno a contatto con la carne. Negli altri due casi, invece, le mosche non venendo a contatto con la carne non avevano depositato su di essa le uova e per questo erano assenti nel recipiente. Così Redi capì che i microrganismi non si originavano dal nulla.

Esperimento di Spallanzani

Spallanzani inserì all’interno di una beuta del brodo (ovvero un terreno per batteri o un brodo di carne o vegetale) notando che se la beuta rimaneva aperta il brodo si intorpidiva, poiché i batteri entrando nella beuta ed utilizzando le sostante nutritive del brodo avevano avuto modo di crescere e replicarsi. Inoltre Spallanzani notò che anche chiudendo la beuta con un tappo, il brodo si intorpidiva poiché le sostanze nutritive del brodo erano già precedentemente venute a contatto con dei batteri, i quali quindi potevano accrescersi e replicarsi. Così Spallanzani riscaldò la beuta, in modo da uccidere i batteri presenti nel brodo e chiuse la beuta sterilizzata con un tappo. In questo caso il brodo rimaneva limpido per un tempo indefinito. Ma se la beuta sterilizzata non veniva tappata il brodo veniva contaminato dai batteri e quindi si intorpidiva.

Esperimento di Pasteur con i palloncini a collo di cigno

Pasteur prese un palloncino, lo riempì con brodo sterile e poi curvò il collo del palloncino a forma di S (sigmoide) utilizzando una fiamma. Successivamente riscaldò il brodo nel palloncino in modo da renderlo sterile, uccidendo i batteri in esso contenuti e lasciò il palloncino sterilizzato aperto per un lungo tempo. In questo modo il brodo rimaneva sterile poiché i batteri entravano nel collo del palloncino colonizzando, però, solo la sua estremità distale e non entrando nel brodo. Tuttavia inclinando il palloncino in modo che il brodo in esso contenuto toccasse l’estremità distale del collo e riportando, poi, il palloncino in posizione verticale, il brodo si intorpidiva nuovamente, poiché esso aveva precedentemente trascinato con sé i batteri depositati a livello dell’estremità distale del collo e quindi era stato contaminato.

Mondo dei viventi

Il mondo dei viventi è suddiviso in 3 domini: archeobatteri, eubatteri ed eucarioti. Archeobatteri ed eubatteri sono entrambi organismi procarioti. Eubatteri ed archeobatteri nello specifico derivano da un progenitore comune, dal quale si sono sviluppate due linee evolutive: la linea degli eubatteri ed una seconda linea evolutiva che solo successivamente si è sviluppata in eubatteri ed archeobatteri. Per questo gli eucarioti sono evolutivamente più vicini agli archeobatteri e meno agli eubatteri. Infine possiamo affermare che i procarioti sono raggruppati nel regno delle monere, mentre gli eucarioti in 4 regni: protisti, piante, animali e funghi.

Caratteristiche dei procarioti

• Metabolismo: i procarioti sono in grado di ossidare sostanze nutritizie presenti nell’ambiente attraverso meccanismi catabolici e di utilizzare tali sostanze per processi anabolici di sintesi. Quindi partendo da fonti inorganiche (come Sali di sodio o di potassio) sono in grado di sintetizzare molecole organiche complesse come proteine e acidi nucleici.
• Replicazione: i procarioti si replicano attraverso un meccanismo asessuato detto scissione binaria. Tale meccanismo consiste nella scissione di una cellula madre che duplica il proprio patrimonio genetico e lo distribuisce alle 2 cellule figlie da esse generate. Queste 2 cellule avranno patrimonio genetico identico tra loro ed identico a quello che aveva la cellula madre di partenza. Da queste 2 cellule si origineranno poi 4 cellule figlie, dalle 4 cellule se ne origineranno 8 e così via. Il rimescolamento di materiale genetico, invece, nei procarioti è un meccanismo separato dalla scissione binaria ad avviene attraverso meccanismi di trasformazione, coniugazione, ecc…
• Differenziazione: i procarioti possono differenziarsi, assumendo caratteristiche differenti dalla cellula vegetativa di partenza. Un esempio tipico di differenziamento sono i cianobatteri e le spore. Le spore, infatti, sono la forma differenziata di una cellula vegetativa di partenza e pur possedendo lo stesso genoma di questa cellula precursore, lo esprimono in maniera differente, modificando le proprie caratteristiche metaboliche e riproduttive, in modo da poter svolgere funzioni differenti.
• Comunicazione: i procarioti possono comunicare tra loro attraverso la produzione di sostanze extracellulari, che dopo essere state secrete da un determinato batterio vengono percepite da altri batteri, inducendo in essi una specifica risposta attraverso meccanismi di trasduzione del segnale. Un meccanismo di comunicazione utilizzato da molte cellule per regolare la trascrizione è il quorum sensing. Questo meccanismo consiste nel rilascio di una sostanza da parte di una cellula batterica, la quale dopo essere stata rilasciata entra nel citoplasma di altre cellule batteriche. Se la concentrazione della sostanza all'interno di cellule della popolazione batterica è alta, allora il processo di trascrizione sarà avviato.
• Movimento: i procarioti possiedono diverse appendici che gli consentono di muoversi, come fimbrie o flagelli. Il movimento è fondamentale per consentire ai batteri di esplorare l’ambiente e di colonizzare nuovi ambienti per trovare nutrimento.
• Evoluzione: i procarioti si evolvono attraverso meccanismi di scambio genetico, che consentono ad essi di modificare il proprio patrimonio genetico prelevando DNA dall’ambiente esterno (attraverso il meccanismo di trasformazione), in modo da ottenere dei vantaggi. Ad esempio attraverso il processo di trasformazione i batteri possono potenziare il proprio metabolismo diventando resistenti ad alcuni antibiotici.

Gruppi tassonomici per i procarioti

I procarioti, così come gli eucarioti, sono classificati in base a dei taxon: dominio, regno, phylum, classe, ordine, famiglia, genere e specie. Ogni batterio viene indicato mediante 2 termini latini in corsivo relativi al gene e alla specie (ad esempio Escherichia coli). Individui che pur appartenendo alla stessa specie presentano caratteristiche metaboliche o strutturali differenti appartengono a diversi ceppi. Per cui all’interno di una stessa specie possono esserci diversi ceppi batterici distinguibili grazie a lettere e numeri riportati accanto al genere e alla specie del batterio considerato (ad esempio Escherichia coli XL1).

Numero e distribuzione dei procarioti sulla terra

I procarioti si trovano sulla terra in elevate concentrazioni (circa 4-6 x 10³⁰). Tuttavia la loro distribuzione varia a seconda dell’habitat considerato e le maggiori concentrazioni di procarioti si rilevano nel sottosuolo e nei sedimenti oceanici. Ma poiché questi sono proprio gli ambienti più inesplorati dall’uomo, è difficile studiare i procarioti che occupano questi ambienti in laboratorio, poiché è difficile riprodurre le condizioni estreme in cui questi batteri sono abituati a vivere. Ed è per questo che i batteri da noi conosciuti e studiati sono solo il 10% della totalità di batteri che popolano la terra. Tuttavia anche se alcuni batteri non possono essere studiati in laboratorio è possibile prelevare e studiare il loro DNA.

Ruoli dei procarioti

• Microrganismi come agenti di malattia: alcuni batteri possono attaccare un ospite, vincere le sue difese e far insorgere in esso una malattia, per questo prima che la malattia insorga si instaura una lotta tra batterio e difese dell’ospite. Nel corso del tempo i batteri si sono evoluti in modo da incrementare le possibilità di vittoria nei confronti dell’ospite.
• Microrganismi e agricoltura: alcuni batteri sono fondamentali per l’agricoltura. Ad esempio i batteri azotofissatori, spesso associati alle leguminose, sono in grado di rendere più fertile il suolo in cui si trovano, trasformando l’azoto in ammoniaca e poi incorporando quest’ultima negli amminoacidi, facilmente utilizzabili per le piante. Oltre al ciclo dell’azoto di fondamentale importanza è il ciclo della CO2, la quale viene prelevata dall’atmosfera dalle piante o dai batteri autotrofi e organicata, in modo da poter essere utilizzata e poi degradata dagli organismi viventi. I prodotti di rifiuto ottenuti saranno poi reimmessi nell’atmosfera sotto forma di CO2 grazie ad altri microrganismi.
• Microrganismi e alimenti: il rapporto tra batteri e alimenti può essere positivo o negativo. È positivo se consideriamo il processo di fermentazione, grazie al quale possono essere prodotte sostanze con caratteristiche organolettiche differenti dalla sostanza di partenza, ma è negativo se consideriamo il fatto che i batteri crescendo sugli alimenti ne provocano il deterioramento ed è per questo che è necessario adottare dei sistemi per impedirlo: ad esempio l’utilizzo di basse temperature per rallentare la crescita microbica o il sistema di crescita dei prodotti in atmosfera controllata.
• Microrganismi, energia e ambiente: la diversità metabolica dei batteri può essere sfruttata per programmi di biorisanamento. Infatti a seconda delle esigenze è possibile utilizzare batteri aerobi o anaerobi, batteri che vivono ad elevate temperature (100°C) o batteri che crescono su sostanze tossiche (come gli idrocarburi) in grado di rendere tali sostanze, tramite processi di trasformazione, non tossiche.
• Microrganismi e biotecnologie: grazie a nuove biotecnologie è possibile utilizzare i batteri come strumento per replicare proteine (fondamentale è ad esempio l’utilizzo dei batteri per produrre insulina umana).

Dimensioni e morfologia dei procarioti

I batteri hanno dimensioni di circa 1 μm=micron (1.000 volte inferiore al mm) e sono quindi circa 10 volte più piccoli rispetto alle cellule eucariotiche (le quali hanno dimensioni di circa 10 micron). Quindi ovviamente poiché l’occhio umano è in grado di osservare microrganismi di dimensioni superiori ad 1 mm, per osservare i batteri è necessario l’utilizzo del microscopio. Inoltre i batteri possono avere differenti morfologie e per questo sono suddivisi in: bacilli cocchi, spirilli, spirochete, batteri peduncolati e batteri filamentosi.

I bacilli hanno forma bastoncellare e possono essere anche molto grandi; i più comuni hanno dimensioni di circa 1x3 μm (come Escherichia coli). I cocchi hanno forma sferica, possiedono dimensioni di circa 0,8 μm e possono trovarsi singolarmente o organizzati in delle strutture: due cocchi appaiati vengono definiti diplococchi, più cocchi appaiati a formare delle catenelle prendono il nome di streptococchi e infine più cocchi appaiati a formare dei grappoli prendono il nome di stafilococchi. In queste strutture i cocchi sono uniti gli uni agli altri poiché derivano da una scissione incompleta della cellula madre nelle due cellule figlie. Gli spirilli hanno forma a spirale, mentre le spirochete sono batteri sottili come una setola e avvolti a spirale, che si muovono agevolmente in mezzi viscosi grazie ad un meccanismo di avvitamento. I batteri peduncolati, invece, alternano forme di vita mobile a forme di vita sessile nel proprio ciclo vitale: le forme mobili si muovono per cercare un substrato ricco di risorse e una volta trovato aderiscono ad esso tramite la formazione di un peduncolo per sfruttarne le risorse, trasformandosi, quindi, in forme sessili. Quando le risorse si esauriscono le forme sessili si staccano dal substrato e si riconvertono in forme mobili, in modo da trovare un altro substrato carico di risorse. Infine i batteri filamentosi hanno forma simile a quella delle ifee funginee.

Microscopia

Il potere risolutivo è la capacità di un sistema visivo di percepire come separati 2 punti posti ad una certa distanza tra loro. Scendendo al di sotto di questa distanza i punti non possono più essere visualizzati come distinti. Il microscopio permette proprio di aumentare il potere di risoluzione dell’occhio umano. Infatti l’occhio umano può visualizzare due punti come distinti se essi sono posti ad una distanza massima di 0,1 mm e per questo non riesce a visualizzare i batteri (nell’ordine di grandezza del micron). Ed è per questo che per visualizzare i batteri si utilizza il microscopio.

Tipologie di lenti

• I microscopi ottici sono costituiti da lenti biconvesse (anche dette convergenti), ovvero lenti che presentano le 2 facce pronunciate verso l’esterno (convesse) e che fanno convergere i raggi di luce che le attraversano in un unico punto detto fuoco. Tuttavia solo il raggio del fascio luminoso che attraversa il centro della lente non viene deviato e perciò con converge insieme agli altri raggi sul fuoco. Inoltre l’asse che congiunge i centri di curvatura delle 2 facce della lente prende il nome di asse ottico, mentre la distanza tra il centro della lente e il fuoco prende il nome di distanza focale. La distanza focale dipende dal grado di convessità della lente: quanto più convesse sono le 2 facce della lente, tanto minore sarà la distanza focale; quanto più piatte sono le 2 facce della lente, tanto maggiore sarà la distanza focale. La distanza focale, inoltre, influenza il potere di risoluzione (o ingrandimento) della lente: tanto minore è la distanza focale, tanto maggiore sarà il potere di risoluzione e viceversa (cioè distanza focale e potere di risoluzione sono inversamente proporzionali). Un tipo di lente biconvessa è il cristallino, ovvero una struttura facente parte dell’occhio in grado di cambiare il proprio grado di curvatura in funzione della distanza dell’oggetto da mettere a fuoco dall’occhio. In questo modo il cristallino permette la messa a fuoco sulla retina di oggetti lontani e vicini. Tuttavia esiste una distanza limite (detta punto prossimo) oltre la quale il cristallino non è più in grado di effettuare la messa a fuoco e questa distanza corrisponde circa a 250 mm.
• Altri tipi di lenti sono le biconcave (anche dette lenti divergenti). Queste lenti fanno divergere i raggi luminosi che le attraversano.