Microbiologia

Microbiologia

La microbiologia è la branca della biologia che studia i microrganismi. I microrganismi sono comparsi oltre 3,5 miliardi di anni fa e costituiscono oltre la metà della biomassa contro il 33% delle piante e il 15% degli animali. I microrganismi sono definiti come organismi unicellulari invisibili a occhio nudo, a volte organizzati in aggregati pluricellulari senza differenziazione in tessuti o organi. La microbiologia è una disciplina molto vasta ed esercita un’enorme influenza sugli altri campi della biologia.

Campi della microbiologia

Esistono diversi campi della microbiologia come ad esempio:

• Microbiologia medica: studia il ruolo che i microrganismi hanno nelle malattie e in generale nella salute umana;
• Microbiologia farmaceutica: produzione di antibiotici;
• Microbiologia veterinaria: malattie animali;
• Microbiologia agraria: fertilità del suolo;
• Microbiologia industriale: lo studio dell’utilizzo e dello sfruttamento dei microrganismi nei processi industriali;
• Microbiologia alimentare: lo studio dei microrganismi che causano le alterazioni dei cibi e il deterioramento delle derrate alimentari;
• Microbiologia ambientale: lo studio della diversità microbiotica nei diversi ecosistemi e l’effetto che questi hanno sull’ambiente.

Storia della microbiologia

Fino al 17 secolo si pensava che gli organismi viventi potessero generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione. Solo alla fine del 19 secolo si è assistito al grande sviluppo della microbiologia con il crollo della teoria della generazione spontanea, la messa a punto della tecnica delle colture pure e l’introduzione del concetto di ecologia microbica. Francesco Redi (1626-1697) confutò la teoria della biogenesi, conducendo esperimenti sulla carne in putrefazione. Redi dimostrò che le larve presenti nella carne in decomposizione non si generavano spontaneamente ma derivavano da larve di mosca situate sulla carne.

Per dimostrare ciò Redi mise una fetta di carne in un recipiente aperto, dopo pochi giorni la carne era ricoperta di vermi (larve di mosca). Apparentemente l'esperimento sembrò confermare la teoria della germinazione spontanea secondo cui le mosche nascevano spontaneamente dalla carne putrefatta. Redi, però, aveva osservato alcune mosche ronzare attorno al recipiente dove era contenuta la carne, quindi suppose che le mosche avessero depositato delle uova sulla carne e che da queste uova fossero nate le larve di mosca. Decise allora di tentare un nuovo esperimento.

Mise due fette di carne in due recipienti, uno chiuso e uno aperto. Nel barattolo chiuso, in cui evidentemente le mosche non erano entrate in contatto con la carne, non comparvero i vermi, mentre in quello aperto sì. La sua ipotesi sembrava confermata, ma i sostenitori della teoria della germinazione spontanea obiettarono che nel recipiente chiuso, non essendoci aria, non potevano svilupparsi le larve. Redi fece quindi un terzo esperimento, mise la carne in un recipiente e lo coprì con una sottile rete metallica: in questo modo l'aria poteva circolare, ma le mosche non potevano entrare in contatto con la carne. Redi osservò che non solo non comparivano vermi sulla carne, ma che le mosche deponevano le uova sulla rete.

Nel 1676 Antony van Leeuwenhoek mise a punto un microscopio in grado di raggiungere ingrandimenti di 300 volte le dimensioni reali degli oggetti e riuscì a descrivere accuratamente le principali forme batteriche (sfere, bastoncelli e spirali) denominate da lui “animalcules”.

Nel 1861 Louis Pasteur confutò definitivamente la teoria della generazione spontanea con il “Trattato sui corpi organizzati che vivono nell’atmosfera”. Se la generazione spontanea dei vermi era stata smentita, la scoperta dei microrganismi ripropose la stessa domanda: i microrganismi che si formano ad esempio in un brodo lasciato all’aria, originano spontaneamente? La risposta, decisamente negativa e definitiva, venne da Pasteur. Pasteur introdusse in un pallone di vetro col collo lungo, un brodo nel quale in apparenza si generavano “spontaneamente” dei microrganismi. Piegò a “S” il collo del pallone, in modo da consentire l’ingresso dell’aria, ma impedire la contaminazione del brodo da parte della polvere e dei batteri in essa presenti.

Fece poi bollire il brodo contenuto nel pallone di vetro, in modo da uccidere tutti i microrganismi eventualmente presenti nel brodo e nel collo del recipiente. Lasciato raffreddare, Pasteur constatò che il brodo non aveva generato batteri. Se invece il pallone di vetro veniva inclinato in modo da mettere in contatto il brodo con l’ansa del pallone dove si era depositata la polvere si notava che nel giro di pochi giorni il brodo andava incontro a putrefazione. Dunque non esiste una generazione spontanea di microrganismi, i quali provengono invece dalla polvere. L’esperimento di Pasteur rappresenta la conferma che nelle condizioni ambientali attuali la vita sorge solo dalla vita e che è la materia vivente, costituita da cellule, che genera nuova materia vivente.

Nel 1876 Robert Koch, grande microbiologo clinico tedesco, introdusse il concetto di eziologia dimostrando la relazione fra malattia e batteri. Egli studiò una malattia del bestiame, il carbonchio (antrace) e scoprì che il sangue degli animali infetti conteneva cellule microbiche del batterio Bacillus anthracis. Se tale sangue era iniettato in un secondo animale questo si ammalava e moriva. Koch stabilì dei criteri, oggi noti come i postulati di Koch, per stabilire il legame fra un particolare microrganismo ed una malattia. I postulati di Koch sono quattro:

1. L’organismo sospetto patogeno deve ritrovarsi in tutti i casi di malattia ed essere assente in animali sani;
2. L’organismo sospetto deve poter crescere come coltura pura;
3. Cellule da una coltura pura dell’organismo sospetto devono indurre la malattia in animali sani;
4. L’organismo deve poter essere nuovamente isolato e se ne deve poter dimostrare l’identità con l’originale.

Koch nel 1881 iniziò a dedicarsi alla tubercolosi, una malattia responsabile all’epoca di un settimo dei casi di mortalità. Grazie a una specifica colorazione (serve una colorazione specifica a causa della presenza di lipidi cerosi sulla parete del microrganismo), basata sull’utilizzo di una soluzione alcalina di blu di metilene in associazione con un colorante (Bismark brown) che colorava solo i tessuti, Koch riuscì ad indentificare cellule di Mycobacterium tuberculosis di forma bastoncellare. La coltivazione del batterio risultò alquanto difficile visti i lunghi tempi di generazione e le numerose richieste nutritive. Il lavoro di Koch permise la scoperta o lo sviluppo di: agar, piastre Petri, nutrient broth, nutrient agar e metodi per isolare i microrganismi.

Beijerink (1851-1931) dedito ai microrganismi del suolo e al concetto di coltura da arricchimento propose il metodo di coltura selettiva per far crescere solo alcuni gruppi di microrganismi rispetto ad altri. Riuscì infatti a isolare in coltura pura alcuni batteri da campioni di suolo o di acqua grazie a caratteristiche peculiari di ognuno di essi (solfato-riduttori, solfato ossidanti, azoto-fissatori e lactobacilli). Nel 1898 dimostrò che l’agente infettivo poteva non essere un batterio ma un elemento filtrabile definito virus che richiedeva una cellula vitale per potersi riprodurre (il primo virus scoperto fu quello del mosaico del tabacco). A Beijerink si deve il concetto che il patogeno può essere una “molecola solubile” che prolifera quando viene inserita nel citoplasma di una cellula vivente.

La cellula come unità di base degli organismi

La cellula è l’unità di base di tutti gli organismi e si fa distinzione tra procarioti ed eucarioti. Le cellule procariote sono prive di un nucleo delimitato da membrana mentre le cellule eucariotiche possiedono un nucleo racchiuso da una membrana, sono morfologicamente più complesse e generalmente più grandi delle cellule procariotiche (alghe, protozoi e funghi).

Carl Woese, in base ad analisi della sequenza della subunità minore dell’RNA ribosomiale (rRNA 16S), ha indicato l’esistenza di due domini, gli Archaea e i Bacteria. Gli Archaea hanno una parete priva di peptidoglicano, sono metanogeni (utilizzano l’idrogeno molecolare come fonte di energia), presentano lipidi con legami etere, sono insensibili alla rifampicina e vivono in condizioni estreme (alofili, termofili ed acidofili estremi). I Bacteria invece possiedono una parete con peptidoglicano, sono sensibili alla rifampicina che blocca la trascrizione e possiedono lipidi con legami estere.

Criteri di classificazione

In genere i batteri vengono classificati in base a vari criteri.

Morfologia

Fra loro si distinguono per forma in:

• Cocchi: a sfera. A coppia si chiamano diplococchi, a catena si chiamano streptococchi e a grappolo si chiamano stafilococchi;
• Bacilli: a bastoncino;
• Vibrioni: a virgola;
• Spirilli: a spirale;
• Spirochete: con più curve.

Nutrimento

Dal punto di vista del modo di nutrirsi i microrganismi possono essere suddivisi in:

• Autotrofi: microrganismi che si nutrono autonomamente, non hanno bisogno di molecole biologiche per ricavare energia o come materiali di sintesi (es cianobatteri che hanno capacità di fotosintesi);
• Eterotrofi: microrganismi che non si nutrono autonomamente e che vengono distinti in:
• Saprofiti (decompositori): organismi capaci di decomporre la materia organica e trasformarla in sostanze semplici che possono essere utilizzate;
• Virus e batteri: organismi che vivono parzialmente o totalmente a spese di un altro essere vivente (ospite) con il quale sono associati più o meno intimamente e sul quale hanno effetti dannosi.

Utilità

I microrganismi in base all’utilità o meno si suddividono in:

• Saprofiti o commensali: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l’ospite senza provocare danni, anzi, a volte si può instaurare un rapporto di reciproco beneficio;
• Patogeni: microrganismi che tendono a provocare malattie;
• Opportunisti: microrganismi normalmente innocui ma in grado di provocare malattie, anche gravi, in seguito ad un indebolimento delle difese dell’organismo.

L'importanza dei microrganismi

I microrganismi possono essere:

• Causa di malattie che colpiscono il regno vegetale ed animale;
• Causa di degradazione degli alimenti;
• Essenziali per la vita;
• Necessari per i cicli geochimici e la fertilizzazione del suolo;
• Utilizzati come biomassa e produttori di farmaci e molecole per uso industriale.

Alcuni microrganismi vengono impiegati come fonti per:

• Produzione commerciale di antibiotici, farmaci e altre sostanze;
• Produzione di acido acetico e aceto;
• Fermentazione lattica del lattosio per la produzione di formaggi e yogurt;
• Lievitazione del pane e fermentazione della birra (a opera di S. cerevisiae).

Alcuni microrganismi possono essere utilizzati nel trattamento di composti inquinanti (biorisanamento). I microrganismi possono degradare petrolio, solventi, pesticidi e altri componenti tossici sia in situ che dopo aver pervaso il suolo. Altri microrganismi possono avere azione insetticida e antiparassitaria per alcune piante in alternativa ai pesticidi chimici in agricoltura.

Nomenclatura e classificazione dei microrganismi

Linneo stabilì il metodo della nomenclatura binomiale nel sistema di classificazione delle piante e degli animali. A ciascun organismo sono attribuiti due nomi: il primo si riferisce al genere di appartenenza dell’organismo stesso ed è uguale per tutte le specie che condividono alcuni caratteri principali, mentre il secondo termine designa la specie propriamente detta. Ad esempio Staphylococcus aureus prende il nome da [stafule] che significa grappolo, [coccus] che significa acino e aureus dal colore dorato delle colonie. Un altro esempio è Escherichia coli il cui nome rende omaggio allo scienziato che lo ha scoperto, Theodor Escherich, e descrive l’habitat del batterio, il colon.

Cellula batterica

Le componenti fondamentali (componenti necessari per la sopravvivenza e la riproduzione cellulare) della cellula batterica sono:

• Nucleoide
• Ribosomi
• Inclusioni
• Membrana citoplasmatica
• Parete

Le strutture accessorie, ovvero le strutture non sempre presenti in quanto svolgono funzioni accessorie (non vitali) e che possono anche determinare la virulenza del batterio sono:

• Plasmidi
• Capsula
• Appendici filiformi (pili e flagelli)

Le dimensioni dei procarioti sono molto ridotte in quanto vanno da 0,5 a 2 μm (le dimensioni medie degli eucarioti vanno dai 2 ai 200 μm). Le ridotte dimensioni dei batteri consentono una penetrazione più efficiente dei nutrienti rispetto a una cellula più grande, questo porta a una crescita maggiore in cellule piccole.

Citoplasma

Il citoplasma batterico ha un aspetto granulare, è estremamente povero di dettagli morfologici poiché privo di reticolo endoplasmatico, mitocondri, etc. ed è deputato soprattutto alla sintesi proteica. La composizione del citoplasma è:

• Acqua: 80% del peso totale della cellula, solvente per le componenti funzionali citoplasmatiche;
• Sali e proteine: 20% (Na, Ca, Mg, Fe, fosfati, solfati, etc.);
• Acidi nucleici: DNA;
• Amminoacidi;
• Carboidrati;
• Lipidi.

La frazione liquida del citoplasma prende il nome di citosol. Occasionalmente nel citoplasma sono presenti granulazioni (inclusioni) citoplasmatiche, variabili in dimensioni, numero e contenuto che la cellula può utilizzare nei casi di carenza od assenza di fonti energetiche ambientali. Le tipologie sono:

• Granuli di polisaccaridi (glicogeno e amido): costituiscono una riserva di C ed energia. Vengono prodotti dai batteri in periodi di limitata disponibilità di N con C organico in eccesso;
• Poli-β-idrossibutirrato: composto lipidico costituito da unità ripetute di acido poli-idrossibutirrico legate insieme da un legame estere e sintetizzate dall’acetil-CoA;
• Polisaccaridi o polifosfati: utilizzati come riserva di fosfato inorganico utilizzato soprattutto per la produzione di ATP e di acidi nucleici;
• Vescicole gassose: servono ai batteri ambientali, che vivono in acqua, per il galleggiamento (si trovano soprattutto nei cianobatteri);
• Granuli di zolfo e fosfato: granuli metacromatici;
• Magnetosomi: particelle di un minerale di ferro, magnetite, avvolte da un involucro membranoso. I cristalli di magnetite creano nella cellula un dipolo magnetico rendendo il batterio capace di rispondere a fenomeni magnetotattici (capacità di migrare lungo le linee del campo magnetico terrestre). Molti batteri magnetotattici crescono a basse concentrazioni di O₂ e sembra che la funzione sia quella di guidare i batteri che si muovono tramite flagello verso sedimenti in cui la concentrazione di O₂ è più bassa (attraverso l’attrazione dei magnetosomi per il campo magnetico terrestre).

Nucleoide

Il nucleoide batterico rappresenta una regione, relativamente densa, in cui è localizzato il DNA, depositario dell’informazione genetica cellulare. Il materiale genetico dei procarioti è formato da una doppia catena elicoidale di DNA di forma circolare, avvolta strettamente su se stessa e immersa direttamente nel citoplasma, senza interposizione di una membrana nucleare. In alcuni punti il cromosoma batterico è a contatto con la parte interna della membrana cellulare. La struttura circolare del cromosoma batterico implica un modello particolare di duplicazione del DNA, in cui si creano due forcelle di replicazione che procedono in direzioni opposte fino ad incontrarsi al termine del processo. Contrariamente a quanto avviene negli eucarioti, il DNA non è legato a istoni. La lunghezza del cromosoma batterico è circa 1.000 μm e contiene 3.500 geni. La funzione del cromosoma batterico è quella di trasmissione dei caratteri da una cellula alle generazioni successive. È importante ricordare che il nucleoide presiede alla sintesi dei fattori che regolano il metabolismo cellulare.

I batteri possiedono anche frammenti di DNA extracromosomiale, sempre a forma circolare ma molto più piccoli denominati plasmidi. I plasmidi sono in grado di autoduplicarsi, e recano l’informazione per caratteristiche generiche particolari quali la resistenza agli antibiotici, la sintesi di enzimi, la produzione di tossine. La cellula procariotica è aploide cioè possiede una sola copia del corredo genetico.

Ribosomi

Strumenti universali per la sintesi proteica sia nelle cellule eucariotiche che in quelle procariotiche. Presentano alcune differenze fondamentali rispetto a quelli eucariotici (numero e dimensioni), le differenze vengono sfruttate per produrre antibiotici con azione selettiva che agiscono legandosi ai ribosomi. Una cellula batterica può contenere fino a 15.000 ribosomi. La composizione dei ribosomi batterici comprende due subunità asimmetriche, una più grande (50S) e una più piccola (30S). Ogni ribosoma è costituito da RNA ribosomiale per un 60% e proteine per un 40%. La subunità 30S è formata da 21 proteine e da una molecola di rRNA 16S, mentre la subunità più grande (50S) è formata da 34 proteine e due specie di RNA (5S e 23S). La funzione dei ribosomi è quella di essere la sede della sintesi proteica e di occuparsi della traduzione di mRNA in proteine.

Membrana plasmatica

La membrana plasmatica è costituita da:

• 40% lipidi;
• 60% proteine
• Carboidrati in piccole quantità.

La struttura della membrana è un doppio strato fosfolipidico (modello detto a mosaico fluido) nel quale sono immerse le proteine (anche enzimi) e i carboidrati. Presenta uno spessore di...