Microbiologia agraria - Appunti

Indice

• Introduzione
• Microrganismi
  • Cenni descrittivi
  • Caratteri dei m.o.
  • Tipologie di cellule
  • Origine
  • Classificazione e nomenclatura
  • Ecologia microbica
  • Interazione m.o. - m.o. positiva
  • Interazione m.o. - m.o. negativa
  • Interazioni m.o. - pianta positive
  • Interazioni m.o. - pianta negative
  • Interazioni m.o. - uomo
  • Dove trovare m.o.
    • Suolo
    • Acqua
    • Vegetali
    • Animali
    • Uomo
• Importanza dei m.o. nelle attività umane
• M.o. negli alimenti
  • Macromolecole
• Composti organici e funzioni
  • Composizione cellula procariote
  • Polisaccaridi
  • Lipidi
  • Acidi nucleici
  • Amminoacidi e proteine
• Cellula procariote
  • Citoplasma
    • Materiale genetico
    • Genoma
    • Flusso dell’informazione genetica
    • mRNA policistronici
    • Ribosomi
    • Materiale extracromosomiale: plasmidi
    • Coniugazione
    • Integrazione con cromosoma
    • Perdita di plasmidi
• Struttura della cellula microbica
  • Membrana citoplasmatica
    • Barriera di permeabilità
    • Sito di ancoraggio
    • Conservazione dell’energia
    • Parete cellulare
      • Funzioni della parete
      • Componenti chimici della parete
      • Periplasma (gram-)
  • Prodotto nel citoplasma
  • Colorazione di Gram (differenziale)
  • Batteri acido resistenti
  • Involucri cellulari degli Archaea
  • Strati extracellulari
  • Fimbrie e pili
  • Locomozione microbica
• Morfologia e microscopia
  • Morfologia
    • Dimensione cellula microbica
    • Presenza di spore
  • Microscopia
    • Microscopio ottico composto - tre sistemi di lenti
    • Microscopio in campo chiaro
    • Microscopio a contrasto di fase
    • Microscopio in campo scuro
    • Rifrazione
    • Proprietà di un microscopio
    • Esame microscopico
    • Colorazioni batteriche
    • Altri tipi di microscopia
• Nutrizione microbica
  • Macronutrienti in forma cationica
  • Micronutrienti
  • Fattori di crescita
  • Meccanismi di trasporto
    • Diffusione semplice (passiva)
    • Trasporto attivo (energia)
• Metabolismo cellulare
  • Attività cellulari che richiedono energia
  • Classificazione microbica
    • Fototrofia
    • Chemiotrofia
• Enzimi e catalisi
  • Ossidoriduzione
  • Trasportatori di elettroni redox
  • Potenziale di riduzione
  • Composti ad alta energia e conservazione
  • Organismi chemiorganotrofi
  • Glicolisi
    • Glicolisi o via di Embden-Meyerhof
    • Via pentoso fosfato
    • Via di Entner-Doudoroff
    • Fermentazione
    • Fermentazione lattica
    • Fermentazione alcolica
    • Fermentazione butirrica - acetone butilica
    • Fermentazione propionica
  • Respirazione aerobica
    • Catena di trasporto degli elettroni
    • Forza proton motrice
  • Respirazione anaerobia (sia per facoltativi che obbligati)
• Organismi chemiolitotrofi
  • Chemiolitotrofia
  • Ossidazione dell’idrogeno - idrogeno batteri - crea
  • Ossidazione dei composti ridotti dello zolfo - solfobatteri chemiolitrofi
• Organismi fototrofi
  • Fotoautotrofi
  • Fotosintesi anossigenica
  • Fotosintesi ossigenica
  • Pigmenti
  • Fotosintesi
  • Ciclo di Calvin
• Anabolismo
  • Biosintesi
  • Regolazione del metabolismo
    • Controllo allosterico
    • Controllo trascrizionale
• Crescita microbica
  • Divisione cellulare
  • Scissione binaria
  • Crescita popolazione batterica
  • Ciclo di crescita di una popolazione
  • Coltura continua
• Studio crescita microbica
  • Valutazione della crescita dei m.o.
  • Metodi di conta
  • Fasi conta in piastra
• Parametri che influenzano lo sviluppo microbico
  • Temperatura
  • Disponibilità dell’acqua
  • Disponibilità di ossigeno
• Risposta allo stress ambientale
  • Risposta allo stress
  • Sistema di risposta globale
  • Risposta finale allo stress: fase stazionaria
  • Quorum sensing
• Biofilm batterico
  • Formazione
  • Proprietà del biofilm
  • Ridurre la formazione di biofilm
• Terreni di coltura
  • Terreno
  • Allestimento di un terreno
  • Tecniche di semina
  • Isolamento di una coltura pura
• Tassonomia
  • Classificazione
  • Sistemi di identificazione/classificazione
  • Filogenesi microbica
• Regno Bacteria
  • Batteri fotosintetici
  • Gram +: low GC/high GC
  • Classe Bacilli
  • Classe Clostridia
  • Classe Mollicutes
  • Phylum Actinobacteria high G/C
  • Phylum Proteobacterium gram-
• Regno Miceti
  • Caratteristiche morfologiche
  • Fisiologia
  • Parametri di crescita
  • Morfologia lieviti
  • Morfologia muffe
  • Riproduzione
  • Lieviti
• Batteriofagi e virus
  • Batteriofagi - virus che infettano i batteri
  • Riproduzione virale
  • Batteriofago virulento T4
  • Batteriofago temperato lambda
  • Meccanismi di difesa
  • I batteriofagi e l’industria lattiero-casearia

Introduzione

Il fatto che i m.o. siano utili per studiare organismi superiori permette di considerare la microbiologia una scienza di base, infatti molte volte questi condividono proprietà biochimiche. È una scienza che si applica a più branche:

• Medicina: patogeni.
• Agraria: trasformazione sostanze organiche in inorganiche.
• Biotecnologie: si usano m.o come produttori di sostanze.
• Alimentare: metabolismo dei m.o. si usa in ambito alimentare.

Branca della biologia che studia i m.o. cioè gli esseri viventi grandi in ordine di micron (10⁶) e nanometri (10^-9). Di questi si studia: forma, struttura, fisiologia, identificazione, rapporti con altri organismi.

Nomi di rilievo

• Antonie von Leewenhoek: metà ‘600, usa il proprio microscopio e scopre i batteri (animalucoli).
• Louis Pasteur: metà ‘800, scopre che i m.o. sono incapaci di generarsi spontaneamente in un ambiente sterile. Padre della microbiologia (no alla generazione spontanea).
• Lazzano Spallanzani: primo a confutare la teoria della generazione spontanea (metà ‘600).

Esperimento Spallanzani-Pasteur

Spallanzani: beuta con brodo di carne sterilizzato (m.o. non si originano) tappata. Forse serve ossigeno per la vita dei m.o. Pasteur: stesso esperimento, ma con beuta aperta e con piegatura in modo da poter esporre una parte del brodo all’aria. Si sviluppano m.o. solo in questa zona. Conclusione: i viventi si originano da altri viventi.

• Robert Koch: padre tecniche microbiologiche: postulati di Koch. A fine ‘800 mette a punto un sistema scientifico per studiare i batteri, basato sui termini di coltura batterici. Con fette di patate all’aria incubate ad una certa T si formano colonie fatte da ammassi di cellule. Inizialmente usa una gelatina per le colonie (solo che a volte dei batteri se ne nutrono), ma questa a 37°C si liquefa. Sceglie l’agar come costituente dei terreni perché ha un punto di fusione più alto (42°C) e permette di avere colture in brodo (P.N. per i batteri) perché non viene degradato. Coltura pura o axenica: popolazione di m.o. che derivano da un unico m.o. vivente iniziale. Permette di isolare un singolo ceppo microbico da una miscela.
• Carlo Linneo: nomenclatura binomiale.
• Hans Gram: metodo colorazione Gram.
• Alexander Fleming: primo antibiotico (penicillina).

Ottenere una coltura pura - postulati di Koch

1. Disporre la miscela microbica (terreno con acqua e m.o.) in terreno di coltura (con cellule distanziate). Come si prepara un terreno: in una beuta si inserisce del brodo (nutrienti) e l’agar (20g/l), si sterilizza e lo si porta a 45-48°C per solidificarlo e lo si ripone in frigo. Quando serve si scioglie al microonde.
2. Si incuba e si ottengono colonie distinte.
3. Si prende quella d’interesse e si porta su terreno sterile.
4. Si reincuba e si ripetono le operazioni fino a isolamento completo (c’è sempre un margine di errore).

Koch scopre il batterio della tubercolosi Mycobacterium tuberculosis. Stila i postulati di Koch usati per stabilire se un m.o. è o no responsabile di una malattia.

1. Il m.o. deve essere sempre presente nei malati.
2. Si deve poter isolare e coltivare in colture artificiali.
3. Reinoculato in individui sani deve dare la malattia.
4. Si deve poter reisolare il m.o. e deve essere uguale a quello prima.

Prima di vedere come si comporta un m.o. bisogna dargli un nome: attraverso il DNA ribosomiale si capiscono le analogie con altri m.o. per vedere a che ramo appartiene. Attraverso dei terreni arricchiti si possono fare delle colture selettive in modo da isolare un m.o. rispetto ad un altro.

La microbiologia studia organismi che appartengono a diversi regni. Le branche principali sono:

• Virologia: studio dei virus.
• Batteriologia: studia i batteri e gli Archea.

Inoltre esistono branche della microbiologia che studiano diversi aspetti della citomicrobiologia:

• Fisiologia microbica: funzionamento delle cellule, crescita, metabolismo, struttura cellulare.
• Genetica microbica: genetica dei m.o. ed esplora come i geni sono organizzati e regolati nei m.o.
• Microbiologia evoluzionistica: evoluzione dei m.o., inclusa tassonomia e sistematica.

Microrganismi

Organismi viventi di dimensioni nell’ordine dei micrometri. Comprendono:

• Protozoi
• Alghe
• Funghi
• Batteri
• Virus: non appartengono a nessun regno.

Protozoi, alghe, funghi, batteri appartengono a diversi regni.

Collocazione

• Haeckel 1894 Whiltaker 1969 Woese 1977 Woese 1990 Smith 2004

3 Regni 5 Regni 6 Regni 3 Domini 2 Domini - 6 Regni

• Animalia Animalia Animalia AnimaliaFungiFungi Funghi Eukarya Eukarya PlantaePlantae Plantae Plantae ChromistaProtista Protista ProtozoiArcheobacteria ArcheaProtozoi Monera ProkaryotaEubatteria Bacteria Batteri

Monera: procarioti unicellulari (batteri, archeobatteri, cianobatteri). Protista: eucarioti unicellulari (alghe, protozoi).

• Plantae: eucarioti pluricellulari.
• Funghi: miceti, eucarioti unicellulari (lievito), eucarioti pluricellulari (muffe, funghi).
• Animalia: eucarioti pluricellulari.

Criteri principali della classificazione

• Tipo di cellula (eucariota, procariota)
• Tipo di organizzazione (unicellulare, pluricellulare)
• Tipo di nutrizione (ingestione, assimilazione, fotosintesi)

Cenni descrittivi

Protozoi

Eucarioti, pluricellulari, primi a comparire sulla Terra, vivono anche come colonie di individui singoli. Sono eterotrofi (devono prelevare materiali da altre cellule). Riproduzione agamica, produttori secondari, scissione binaria.

Lieviti

Eucarioti unicellulari, Regno dei fungi, eterotrofi, produttori secondari, responsabile di noti processi fermentativi. Si riproducono per via agamica tramite germinazione. Sono chemiotrofi cioè si nutrono grazie alla degradazione di composti organici. Gemmazione: escrezione (gemma) da cui si crea la figlia che diventa indipendente (cicatrice da gemmazione).

Alghe

Eucarioti unicellulari e pluricellulari, fotosintetizzanti ed autotrofe (produttori primari), fissano la CO₂, le forme acquatiche costituiscono il fitoplancton, riproduzione agamica.

Muffe

Eucarioti pseudopluricellulari, regno dei funghi, eterotrofi e saprofiti (crescono su materiale in via di decomposizione): sono ricche di enzimi proteolitici, lipolitici, riproduzione per via agamica e via gamica attraverso spore.

• Spore sessuali: si formano da gameti.
• Spore asessuali: non si formano da gameti.
• Esospore: prodotte da distacchi della muffa e servono per riprodursi (asessuale).
• Endospore: non è una forma riproduttiva, ma di sopravvivenza (ph elevato, poco cibo, poca acqua). I batteri diventano spore fino ad un ambiente più favorevole.

Batteri

Procarioti unicellulari, traggono energia da materia organica e inorganica (chemiotrofi) e alcuni sono fotosintetici, riproduzione agamica per scissione binaria.

Virus

Acellulari, ultramicroscopici, non-cellule perché hanno solo acido nucleico racchiuso da una capsula proteica. Vivono solo all’interno di altre cellule (procariota o eucariota) e sono parassiti: per replicarsi la danneggiano.

Fototrofi Chemiotrofi

• Traggono energia dalla fotosintesi
• Degradano composti chimici
  • Chemiorganotrofi: usano composti organici per produrre energia (muffe e lieviti) con respirazione anaerobia e aerobiao per fermentazione.
  • Chemiolitotrofi: usano composti inorganici per produrre energie.

I m.o. sono perlopiù unicellulari ad eccezione delle muffe (pluricellulari) e dei virus (acellulari). Una singola cellula microbica è in grado di riprodursi ed effettuare il metabolismo indipendentemente da altre cellule, sia diverse che dello stesso tipo. I m.o. possono essere costituiti da due tipi di cellule:

• Procariote
• Eucariote

Caratteri dei m.o.

Metabolismo

Prendono/creano nutrienti dall’ambiente, le trasformano e eliminano gli scarti. La cellula è un sistema aperto.

Riproduzione e crescita

Sostanze chimiche dall’ambiente vengono convertite in nuove cellule sotto il controllo della cellula pre-esistente.

Differenziazione

Formazione di nuove strutture cellulari come le spore, che di solito fanno parte del ciclo vitale. Solo due generi fanno le spore: Clostridium (anaerobi) e i Bacillus (aerobi). Il fatto di produrre spore è un vantaggio per il m.o.

Comunicazione

Le cellule comunicano e interagiscono attraverso messaggi chimici che vengono rilasciati.

Movimento

Molti m.o. sono capaci di movimenti propri (flagelli) - chemiotassi.

Evoluzione

Le cellule evolvono creando nuove proprietà biologiche. Alberi filogenetici mostrano le relazioni evoluzionarie tra le cellule.

Tipologie di cellule

• Cellule procariote: batteri (Archea, Batteri o Eubatteri) primi ad apparire sul pianeta.
• Cellula eucariote: protozoi, Alghe, Miceti (muffe, lieviti). Sono più grandi e complesse.

Entrambi sono formate da 4 macromolecole: protidi, lipidi, glucidi, acidi nucleici. Le cellule sono formate da citoplasma e membrana cellulare: si differenziano perché le procarioti hanno la parete in più e un nucleo non ben definito (NUCLEOIDE).

Le piccole dimensioni consentono un elevato rapporto superficie/volume quindi gli scambi sono più efficienti e il tasso di sviluppo è più rapido.

• Flessibilità metabolica fisiologica: cellule piccole producono enzimi a seconda del momento (meccanismi di regolazione molto sviluppati) l’enzima per l’assimilazione di un p.n. viene prodotto solo in presenza di esso (max. adattamento).
• Diffusione: sono leggeri e sono diffusi con l’aria (ubiquitari).

Composizione

• Citoplasma: matrice acquosa, Sali disciolti e sostanze organiche, strutture per le funzioni cellulari, ricco di organuli specializzati (eucarioti) o solo ribosomi (procarioti). Sede del metabolismo/sintesi proteiche.
• Nucleo o nucleoide: sede delle info genetiche del DNA o RNA, differenza principale tra eucarioti e procarioti.
• Membrana cellulare: confine tra citoplasma ed esterno: regola il passaggio delle molecole e nei procarioti è sede del metabolismo respiratorio, per far passare le molecole più grandi si usano meccanismi a consumo energetico (ATP), struttura con base fosfolipidica (apolari) e accetta solo piccole molecole polari.
• Parete cellulare: dà forma e protegge (pressione osmotica), ha composizioni diverse tra procarioti (N-Acetilglicosammina peptidoglicano) e eucarioti (polisaccaridi), ma funzioni identiche.

Cellula eucariote vs cellula procariote

Origine

• 3,5 mrd di anni fa: procarioti fotosintetici non ossigenici: usano e liberano S.
• 2,5 mrd di anni fa: cianobatteri fotosintetici ossigenici: nasce il mondo aeroba.
• 2,3 mrd di anni da: batteri aerobi.
• 2 mrd di anni fa: eucarioti unicellulari.
• 1 mrd di anni fa: eucarioti pluricellulari.

Scoperte legate ai m.o.

1. I batteri hanno inventato la fotosintesi: energia dalla luce solare. 6CO₂ + 12H₂S = C₆H₁₂O₆ + 12S + 6H₂O
2. Scindendo la molecola dell’acqua con la fotosintesi e liberando così ossigeno hanno contribuito a creare l’aria che respiriamo (ciano batteri). 6CO₂ + 6H₂O + 686Kcal/mole = C₆H₁₂O₆ + 6O₂
3. Con i gusci calcarei hanno formato molte terre emerse.
4. Hanno inventato la riproduzione sessuale.
5. Organismi unicellulari hanno imparato a vivere in simbiosi, contribuendo alla nascita di organismi pluricellulari.

Classificazione e nomenclatura

Per identificare un m.o. si usa la nomenclatura binomiale di Linneo (XVII sec). Si basa sul concetto di specie come insieme di individui con molti caratteri simili e somiglianze anatomiche e morfologiche; questi caratteri li differenziano da altre specie. Per prima cosa si identificano le specie (tassonomia).

• Dominio
• Regno
• Phylum
• Classe
• Ordine
• Famiglia
• Genere
• Specie

Si usano due termini latinizzati: Homo sapiens, in cui Homo indica il genere (maiuscolo corsivo) e sapiens è la specie.