Microbiologia

Microbiologia

Prof. Pietro Giorgio Tiscar
A.A. 2021/22

La microbiologia è la scienza che studia gli organismi non visibili ad occhio nudo.

Limiti che ne seguono:

• Organismi visibili ad occhio nudo.
• Organismi non visibili ad occhio nudo.

Cenni storici

Cenni storici per inquadrare l’evoluzione degli studi che si sono venuti a sviluppare:

Fino al 1700 circa, non essendoci mezzi per andare a verificare forme di vita sotto la visibilità dell’occhio umano, tutta una serie di processi erano intesi come eventi inspiegabili (generazione spontanea).

Esempio – se prendo un pezzo di carne e lo metto all’aria aperta, cosa succede? La carne comincia a degradarsi.

Senza mezzi di acquisizione della conoscenza (teorici e tecnici) non si potevano verificare le ipotesi, solo nel momento in cui è nato il microscopio si è scoperto ufficialmente il mondo del non visibile ad occhio nudo.

Esempio – se vedo nascere insetti e muffe, ipotizzo che essi nascano dalla carne.

Potere di risoluzione: la più piccola distanza alla quale si possono avvicinare due punti affinché diano ancora immagini distinte.

• Occhio umano = 0,1 mm.
• Microscopio ottico = 0,2 μm.

Misure di microscopia

• mm = 10^-3 m.
• μm = 10^-6 m = 10^-3 mm → batteri.
• Nm = 10^-9 m = 10^-6 mm → virus (15-200 nm).
• A = 10^-10 m.

Esempio – è possibile osservare un virus al microscopio ottico? Solo se il virus è uno dei più grandi (200 nm).

Esempio – un virus di 200 nm quanto lo vedo grande al microscopio ottico? 0,2 mm.

L’unico microscopio su cui il professore si è soffermato è il microscopio a fluorescenza, provvisto di una lampadina normale e di una lampadina che emette raggi UV.

Determinate molecole, dette fluorocromi, se utilizzate in dati contesti e illuminate da raggi UV emettono poi nello spettro del visibile.

Organismi inscrivibili al mondo dei microrganismi

Quali organismi sono inscrivibili al mondo dei microrganismi? Dal punto di vista tassonomico diverse categorie.

Il mondo fu diviso (storicamente, non attualmente) in organismi:

• Visibili ad occhio nudo (animali, piante) → pluricellulari con forte differenziazione delle cellule e dei tessuti.
• Non visibili ad occhio nudo (protisti) → pluricellulari.

Il regno dei protisti, proposto nel 1866, è costituito da protozoi, funghi, alghe, batteri, cianobatteri, virus.

Studi al microscopio elettronico evidenziarono differenze tra:

• Protozoi, funghi, alghe → struttura complessa (eucarioti).
• Batteri → struttura semplice (procarioti).

Poiché i microrganismi non sono tutti uguali, seguì una suddivisione più rigorosa.

Le cellule sono divise in due grandi categorie:

• Procarioti → cellule più semplici di quelle eucariote, con l’eccezione delle strutture di rivestimento cellulare (parete batterica); si identificano fondamentalmente con i batteri.
• Eucarioti → si identificano con tutte le altre cellule.

I protisti si suddividono in:

• Eubatteri → tra questi ci sono le Chlamidiae e le Rickettsiae, parassiti intracellulari obbligati più piccoli degli altri batteri (0,2-0,5 μm).
• Archeobatteri.
• Cianobatteri.

• Chlamidiae – agenti eziologici di infezioni respiratorie con ruolo zoonosico.
• Rickettsiae – mediano molte malattie.

Definizioni e considerazioni

*Corredo aploide: corredo cromosomale con un numero di cromosomi pari ad 1, cioè formato da un solo cromosoma per ogni coppia.

Parassita obbligato: organismo che ha bisogno di un ospite per completare la propria biologia (aspetti energetici, sessuali, etc), privi di alcune funzionalità capaci di produrre energia che dovrà parassitare (incapace di provvedere energeticamente a sé stessi).

In questo senso, i parassiti obbligati devono andare nel citoplasma della cellula, che offre tutta una serie di considerazioni … l’organismo ospite è felice di tutto ciò? No.

• Prima di tutto l’ospite dovrà accorgersi del problema, altrimenti il problema non esiste (1° elemento di confronto tra l’aggressore e il soggetto che si difende). Per questo motivo l’aggressore fa in tutti i modi per non essere percepito (senza la percezione di esso non parte l’azione difensiva).

“Un processo difensivo comincia sempre col riconoscimento del problema”.

• L’azione difensiva da parte dell’ospite dovrebbe essere finalizzata all’eliminazione della causa e non a sopperire il danno. Un’azione difensiva offensiva però si può ritorcere contro chi la attua. Ci sono determinati ambiti, come quello citoplasmatico, dove un’azione difensiva di questo tipo non può essere condotta perché sarebbe autolesiva. Ecco perché i microrganismi vanno ad insediarsi in sede citoplasmatica, dove la cellula non può difendersi.

NB – logicamente un organismo conduce un’azione difensiva mediante le proprie cellule attraverso mezzi chimici (non possiede mezzi fisici, come una pistola ad esempio).

NB – il mitocondrio ha origine da un batterio secondo la teoria endosimbiotica.

NB – il globulo rosso, essendo privo di nucleo, non può provvedere ad un normale metabolismo (infatti non può essere oggetto di una moltiplicazione virale).

NB – fissare il rapporto dimensionale tra cellula eucariote e batterio.

NB – i principali vaccini effettuati nel cane sono contro cimurro, epatite, leptospirosi, parvovirosi.

Sigle da sapere

• FDA – Food and Drug Administration.
• CoViD – Corona Virus Disease.
• SARS-CoV-2 – Sindrome Acuta Respiratoria Grave Corona Virus 2.
• EMA – European Medicine Agency.
• AIFA – Agenzia Italiana del Farmaco.
• OIE – International Office of Epizootics.

Batteriologia

Nel momento in cui si descrive un batterio, se ne deve trarre una serie di elementi a carattere descrittivo e funzionalità tassonomica.

Forma

• Rotonda → cocchi.
• Allungata, cioè un asse è lungo più di un altro → bacilli.
• Intermedia → coccobacilli.
• Bacillare ma curva → vibrioni.
• Elicoidale → spirilli o spirochete.

Livello di aggregazione

• Catenella, se l’asse di moltiplicazione si sviluppa in un'unica direzione, derivante del fatto che i batteri si moltiplicano per scissione binaria → streptococchi.
• Grappolo, se gli assi di moltiplicazione sono tridimensionali → stafilococchi.

• Tra i bacilli possiamo ritrovare diversi germi noti nella cultura veterinaria (es. Bacillus Antracis).
• Il coccobacillo Brucella Brucellosis causa una malattia che colpisce uomo e animali, infettiva e contagiosa, nei confronti della quale viene applicata una profilassi di stato.
• Il vibrione Vibrio Colerae causa una malattia nota come “morte secca”, che provoca morte per blocco renale (il corpo rilascia tanta di quell’acqua che il sangue blocca i reni).
• La leptospirosi è una malattia ad eziologia batterica, nell’ambito della quale l’agente patogeno sono le Leptospire (spirochete).

Nucleo

• La membrana nucleare è assente (nucleoide).
• Il cromosoma microbico è circolare e superspiralizzato (avvolto ancora su sé stesso fino a raggiungere l’aspetto di una masserella).
• Il nucleoide è addossato ad una invaginazione della membrana detta mesosoma.
• La cellula batterica è aploide.

Citoplasma

• Assenza di mitocondri.
• Contiene plasmidi.
• Ribosomi 70S, diversi dai ribosomi delle specie animali superiori. Questo, per esempio, va a condizionare il target d’azione di alcuni antibiotici (es. streptomicina produce un danno nei confronti della cellula microbica ma non nell’ambito della cellula eucariote).
• Materiale di riserva sotto forma di granuli (glicogeno, amido, polifosfati, lipidi).

I micobatteri sono batteri il cui citoplasma è pieno di lipidi, nello specifico cere, che li rendono dei sistemi isolati, dunque più resistenti (resistenza ambientale). Infatti essi sono per la maggior parte patogeni per l’uomo e gli animali (il più noto tra essi è il Micobacterium Tubercolosis).

Per poter vedere i batteri al microscopio è necessario prima sottoporli a colorazioni differenziali (es. colorazione di Gram). La colorazione di Ziehl-Neelsen verifica la presenza di germi acido-alcool resistenti evidenziando questa componente lipidica, per tale ragione questa colorazione rappresenta una modalità di classificazione tassonomica.

NB – le emergenze sanitarie mondiali sono tubercolosi, malaria, AIDS, codificate dall’istituzione OMS (Organizzazione Mondiale per la Salute), anche nota come WHO (World Health Organization).

Esempio – perché esistono due tipi di latte (refrigerato e non refrigerato)? Perché vengono conservati separatamente? La pastorizzazione, inventata da Pasteur, è un trattamento termico non a capacità sterilizzante (il contesto sanitario in cui è stata inventata era quello della tubercolosi).

Membrana citoplasmatica

• Fosfolipidi + proteine.
• Mancano gli steroli (tranne nei Mycoplasmi).
• I mesosomi, che sono invaginazioni della membrana, possono essere settali (partecipano alla divisione cellulare) o laterali.
• Le cellule comunicano con l’esterno attraverso le proprie membrane citoplasmatiche. Infatti la membrana citoplasmatica è un elemento di percezione delle variabili ambientali della cellula, nonché elemento di risposta.

I batteri non devono essere visti come elementi cellulari singoli, ma come comunità. Allo stesso modo le cellule immunitarie non devono essere viste nell’ambito di un loro specifico range d’azione ma nell’ambito di un’azione collettiva fornita da un organismo. Per sottintendere queste azioni collettive, tali per cui aumenta la massa critica d’azione e si possono avere specializzazioni dei compiti, è necessaria una comunicazione, che avviene attraverso la membrana (“selva di antenne” in cui c’è un “chatting cellulare”). È la numerosità microbica a costituire la loro forza, infatti non esiste il singolo batterio bensì la colonia batterica.

Funzioni della membrana citoplasmatica

1. Permeabilità selettiva (trasporto di soluti)

• Funzione di barriera per alcune sostanze.
• Facilita la diffusione di altre sostanze mediante permeasi.
• La diffusione può avvenire con o senza consumo di energia.

Ci sono molecole che transitano passivamente, ma qualora dovessero essere oggetto di contrasto da parte della cellula, il loro trasporto diventerebbe un processo attivo (se la cellula non ha energia da dispendere, non può contrastare un eventuale trasporto passivo).

Se la cellula deve dispendere energia verso una determinata direzionalità, non avrà energia per soddisfare altre esigenze (es. funzione trofica).

La numerosità e la capacità di replicazione in tempi molto rapidi sono aspetti di forza nel mondo microbico. L’effetto batteriostatico (es. per mezzo di sulfamidici) è capace di inibire le prerogative replicative di una comunità microbica, andando ad impattare notevolmente sul benessere cellulare, fino al punto in cui la cellula va in crisi e muore (effetto battericida).

Una grossa influenza, che si può artificialmente condurre nei confronti dei batteri, atta a limitare la loro capacità replicativa e il loro benessere cellulare, è quello di porli in condizioni tali da doverli costringere ad un lavoro metabolico ed energeticamente dispendioso (es. condizioni osmotiche non ottimali).

Esempio – ponendo un batterio in una soluzione ipertonica, esso si raggrinzisce per perdita d’acqua, a meno che non mette in atto dei sistemi contrari sprecando energia al fine di non esplodere.

Per la conservazione degli alimenti, atta a contrastare la decomposizione degli stessi, un presupposto fondamentale è dato dall’utilizzo del sale, che pone un livello di concentrazione di soluti all’esterno della cellula microbica a carattere ipertonico rispetto al suo interno, che a questo punto soffre gli effetti indotti dalla pressione osmotica.

“È la dose che fa il veleno”.

NB - piccole differenze favoriscono il fatto che alcune molecole prodotte da un organismo in funzione difensiva, capaci di ledere la membrana di un batterio e di conseguenza ucciderlo, non abbiano azione nei confronti delle cellule dell’organismo medesimo (es. meccanismi tipo pori perforine).

2. Trasporto di elettroliti (fosforilazione ossidativa)

La membrana cellulare ha funzione analoga a quella dei mitocondri, assenti all’interno del citoplasma microbico.

3. Escrezione enzimi idrolitici

La degradazione di sostanze polimeriche avviene fuori la struttura batterica (Gram-) o nello spazio periplasmatico (Gram+).

4. Funzioni biosintetiche

• Assemblaggio subunità della parete.
• Enzimi per sintesi di fosfolipidi.
• Ruolo nella replicazione.

5. Sistemi chemiotattici

Una cellula non ha percezione del “qui ed ora”, però riesce lo stesso a percepire e a promuovere una direzionalità rispetto ad eventi esterni. Come?

Ad esempio l’odore non è altro che l’eccitazione in termini nervosi di specifici recettori, che dimostrano all’organismo anche un certo grado di intensità del segnale.

L’organismo, muovendosi a caso, riesce a comparare la quantità di segnale e in funzione del risultato della comparazione stabilisce la direzionalità.

Chemiotassi: processo che stabilisce la direzionalità attraverso comparazioni nel tempo e in funzione del gradiente di concentrazione della molecola target, che dà una maggiore o minore attivazione dei propri recettori.

Affinché tutto ciò avvenga, devono essere presenti sulla superficie della membrana dei sistemi chemiorecettivi, con funzionalità chemio-attrattiva o chemio-repulsiva, tale per cui la cellula microbica si avvicini verso alcune tipologie di molecole e si allontani da altre.

Sostanze che agiscono sulla membrana

• Detergenti (gruppi lipofili e idrofili).

I detergenti sono composti tensioattivi che destabilizzano l’ordine molecolare che garantisce la perfetta funzionalità della membrana.

Anche una serie di disinfettanti svolge il proprio ruolo attraverso l’azione di molecole a carattere tensioattivo, cioè in grado di produrre una destabilizzazione delle interazioni tra le molecole lipidiche.

L’azione di questi (detergenti e disinfettanti) può consistere nella:

• Destabilizzazione delle componenti lipidiche membranali.
• Produzione di specifici canali che provocano un’emorragia cellulare (es. protoporfirine like).
• Antibiotici (polimixina, novobiocina, acido nalixidico).

Alcuni antibiotici hanno un’azione simile a quella dei detergenti, cioè destabilizzare la membrana producendo un danno in essa. Altri antibiotici interferiscono con le vie biosintetiche della membrana.

• Composti ionofori (valinomicina).

Permettono la rapida diffusione di cationi attraverso la membrana (potenziale di membrana alterato).

Parete cellulare

A differenza della membrana, la parete, essendo rigida, non permette cambiamenti di forma, quindi definisce la morfologia batterica.

La parete cellulare è una struttura compresa tra la membrana cellulare e la capsula, qualora presente, la cui molecola costituente fondamentale è il peptidoglicano.

Il peptidoglicano è una macromolecola costituita da amino-zuccheri (N-acetilmuramico e N-acetilglucosammina) che si ripetono in modo polimerico formando un tetrapeptide.

A sua volta questa struttura si ripete andando a costituire uno strato detto muramilpeptide, la cui sovrapposizione di più strati costituisce la parete batterica.

Il peptidoglicano è un elemento tanto unico da essere, nel contesto microbico, elemento di differenziazione tassonomica (Gram+ o Gram-).

Polimero: macromolecola costituita da singole componenti molecolari dette monomeri.

Nei Gram- l’unico strato di peptidoglicano presenta dei sistemi di ancoraggio alla membrana citoplasmatica, costituiti da proteine e lipopolisaccaridi (LPS). Al di sopra della parete c’è la pseudocapsula (prodotta dalla membrana esterna), costituita da:

• Lipoproteine → proteina più abbondante nei Gram-, che ancorano la membrana esterna alla struttura sottostante, cioè la parete cellulare costituita da peptidoglicano.
• Membrana esterna → costituita da fosfolipidi e proteine, in essa sono poste strutture molecolari a varia funzionalità, ad esempio le porine. Le porine sono trimeri proteici che formano canali caratterizzati dalla capacità di potersi allargare o restringere in modo da consentire il passaggio solo di determinate molecole (“catorj molecolare”). La permeabilità di questo canale è differente da specie a specie, e la sua modulazione è un elemento di selezione: una modificazione delle porine può fornire un meccanismo di resistenza agli antibiotici, che non potranno più entrare dentro la cellula. Altre proteine ancorano ulteriormente la membrana esterna al peptidoglicano, agevolano il trasporto di Vit12 (siderofori) oppure hanno attività enzimatica. Inoltre la membrana esterna protegge la cellula dai sali biliari e dagli enzimi.