Microbiologia ambientale

Microbiologia ambientale

Tema 1: introduzione al concetto di microbiologia, microbiologia ambientale e la loro storia dal XVII secolo fino ad oggi ed origine della vita sulla Terra

Mar 7, 2022 lezione 1

Dopo l’impatto che ha dato vita alla Luna (4,6 miliardi a.f), la Terra va completamente in fusione (fase di sterilizzazione) e iniziano a formarsi gli oceani.

3,9 miliardi di a.f. inizia a formarsi la vita (LUCA)

3,5 miliardi di anni fa compare la fotosintesi

3,4 miliardi a.f separazione in Bacteria e Archea

1,86 miliardi a.f comparsa degli Eucarioti

Mar 10, 2022 lezione 2

La vita si è originata molto probabilmente nei pressi di luoghi ad alta energia libera, come bocche vulcaniche sottomarine, stagni geotermali poco fondi. L’ambiente era riducente, e la vita era adattata all’assenza di ossigeno. Molto probabilmente i primi microorganismi erano eterotrofi, pian piano si sono differenziati anche in autotrofi.

Dopo l’origine della vita, si ebbe un grande evento di ossigenazione, che portò al tracollo quasi totale della vita terrestre, facendo passare l’atmosfera da riducente a ossidante GOE “Great Oxidation event” 2,4 milioni di anni fa dove i cianobatteri hanno iniziato il metabolismo ossidativo.

A causa della chimica quasi limitata della terra primordiale, non tutte le reazioni, soprattutto fotosintetiche, erano possibili, e si sono evolute in seguito. La vita si è sviluppata da reazioni chimiche tra gli elementi che erano disponibili nelle varie micro o macronicchie nella superficie terrestre. In secondo luogo è stata usata l’energia solare.

1

La fotosintesi può anche essere fatta senza la formazione di ossigeno, fotosintesi anoxigenica, è stata la prima a comparire. Poi, quando i cianobatteri hanno iniziato a dominare l’ambiente, è comparsa la fotosintesi oxigenica che ha permesso lo sviluppo di metabolismi maggiormente energetici.

Grazie alla genomica possiamo conoscere il metabolismo degli Archea e Batteri primordiali, LUCA, LACA, e LBCA erano molto probabilmente anaerobici, termofili e LACA probabilmente metanogeni, utilizzano l’idrogeno molecolare come fonte di energia, producendo metano come sostanza di scarto. Non avendo ossigeno, questi antenati usavano meno energia per produrre più biomassa, ma erano molto lenti. I microorganismi che potevano utilizzare l’ossigeno come accettore finale di elettroni riuscivano a produrre più biomassa in molto meno tempo, per questo sono stati selezionati dall’evoluzione, però il vecchio imprinting della terra rimane al giorno d’oggi negli ambienti più estremi.

Circa 1,86 miliardi di anni fa si ebbe la comparsa degli Eukarya, eucarioti, in cui un Archea entrò in contatto con un Batterio, compartimentalizzando le funzioni, mitocondrio, fissazione di azoto, nucleo.

Si ebbe una differenziazione di forme, Cocchi, bastoncelli, spirilli, forme comunque efficienti e adattate al microambiente. La massima espressione di efficienza di forma è la sfera.

3E: Entangle-Engulf-Endogenize

Teoria ↓ ↓ ↓

Nodo abbraccio tra condivisione

Archea e Batterio del metabolismo

I microorganismi vivono in un mondo molto più viscoso, “mondo pieno”, rispetto al macromondo, basso numero di Reynolds, perché sempre pieno di molecole, organismi, composti organici e inorganici. L’ambiente inframolecolare è densissimo di ioni, proteine, molecole di varia dimensione.

Il citoplasma, a seconda delle sostanze che contiene, cambia di densità e anche di comportamento: da liquido a vetroso, influenzando il metabolismo.

Tema 2: biologia di Batteri e Archea

Membrana plasmatica

Permette di mantenere la vita cellulare, serve per dividere il microorganismo dall’ambiente esterno, in base alla sua composizione l’organismo può adattarsi a una moltitudine di condizioni e ambienti, anche estremi. È una barriera selettiva, ha funzione strutturale, la membrana interna è sede della respirazione della cellula, comprende proteine membranali che servono a comunicare con l’esterno, con l’aiuto degli enzimi.

I batteri gram positivi presentano un doppio strato fosfolipidico e una parete grossa con una struttura complessa, rigida e spessa a base di peptidoglicano.

I gram negativi invece hanno una parete costituita da una struttura più semplice e fina sempre a base di peptidoglicano e presentano inoltre una membrana lipidica esterna.

La flessibilità della membrana inoltre permette di liberare vescicole nell’ambiente esterno che possono contenere varie sostanze con varie funzioni. Ex. Il ferro è al centro di tante reazioni e dopo l’avvento della fotosintesi oxigenica è precipitato e non più disponibile, causa cambio pH dell’ambiente. Alcuni microorganismi sono in grado di disperdere vescicole contenenti sostanze chelanti che legano il ferro e poi sono recuperate.

2

Parete cellulare

Costituita da peptidoglicano, composto da zuccheri insolubili (1.4) N-acetilglucosammina). In gram+ è molto estesa e interfaccia con l’esterno, in gram- è più ristretta e più esteriormente c’è un altro strato fosfolipidico.

Le pareti degli Archea hanno una grande varietà e complessità strutturale.

Le pareti dei Mycobatteri, non sono né gram+ né gram-, hanno una struttura particolare che permette di evadere dal nostro sistema immunitario, per questo sono difficili da estirpare ex. tubercolosi.

Le pareti dei funghi contengono pectina e una extrastruttura che conferisce maggior resistenza. Anche questi sono difficili da curare.

Mar 14, 2022 lezione 3

Grazie alle mutazioni subite da un ancestrale si derivano tutti gli organismi attuali. Gli Archea hanno sviluppato nei fosfolipidi di membrana un legame etere mentre i Batteri un legame estere.

Parete di zuccheri, N-acetilglucosammina e acido N-acetilmuramico, uniti da punti di lisina e pilastri di alanina-acido glutammico-lisina-alanina.

L’evoluzione ha selezionato L-aminoacidi però sono ancora utilizzati alcuni D-aminoacidi come neurotrasmissori o hormone-like sono presenti in vari biofilm e possono essere usati come fonte di carbonio nell’acqua oceanica. Eccetto la glicina tutti gli amminoacidi sono l-aminoacidi, cioè con un atomo di carbonio simmetrico.

I microorganismi producono dei polisaccaridi a layer, interfaccia esterna, in modo da:

• Aumentare il volume della cellula
• Promuovere le difese contro i protisti
• Aiutare il foraggiamento di materiali organici
• Aumentando la viscosità vicina
• Creare una carica sulla superficie

Motilità

1. Pili e Fimbrie

Strutture filamentose, 2-10 nm di diametro, costituite da proteine che si estendono dalla superficie della cellula.

Le fimbrie sono più corte mentre i pili, più lunghi, fungono da ponte e fanno parte della famiglia dei sistemi di secrezione. Questi favoriscono l’uscita di varie sostanze come antibiotici, enzimi, tossine ecc. e sono di 6 tipi, alcuni formano un ponte tra le membrane, type I, III, IV, VI, e altri invece funzionano a riconoscimento, type II e V.

3

Type IV pili di coniugazione usati per veicolare DNA e per il movimento grazie a meccanismi di estensione/accorciamento dovuti a polimerizzazione/depolimerizzazione di proteine.

Type VI meccanismo di offesa, usato contro un’altra cellula.

I pili possono inoltre essere usati come nanowires (?) per passare elettroni tra cellule: sorta di respirazione extracellulare ed è tipica di ambienti anaerobici.

Curli

Proteine extracellulari insolubili a forma di amiloidi, proteine fibrillari che negli umani creano problemi neurodegenerativi, usate dal microorganismo per rendere più solido il biofilm, quindi con funzione strutturale.

2. Flagelli

Strutture motili più veloci, composte da un’unica proteina, flagellina, che, in base all’ambiente, possono essere sovraespressi o meno.

Alcuni Batteri, ex. Borrelia, hanno flagelli periplasmatici tra la membrana interna e la membrana esterna che permettono loro di muoversi in ambienti molto viscosi.

Richiedono energia infatti alla base presentano un anello di proteine le quali fungono da pompe di protoni, o Na, in mare. Il movimento può essere anche molto veloce, 1700 rotazioni per secondo 400 nm/s.

Il sistema di motilità è associato ad un sistema di monitoraggio dell’ambiente esterno a due sensi ovvero dipende dalla presenza/assenza di molecole, quasi un sistema binario. Il P è fondamentale: quando la molecola viene percepita, si autofosforila una proteina recettrice presente sulla membrana che passerà la molecola di fosforo che andrà a esprimere una determinata funzione, solitamente legata alla motilità.

3. Gliding motility

Tipo di movimento più lento, dovuto al movimento delle proteine della membrana citoplasmatica, a modo di cingolato.

I microorganismi, per mantenere la loro forma, usano proteine.

Ex. Proteina Z: proteina strutturale che agisce da polo attrattore del DNA e organizza il citoscheletro nella divisione cellulare.

Membrane intracitoplasmatiche

Membrane che stabilizzano determinate proteine con diverse funzioni dal citoplasma interno, ex. cloroplasti, e permettono di svolgere reazioni esclusive, ex. fissazione N; nitrogenasi sensibile al O.

Vacuoli gassosi

Vacuoli riempiti da gas che permettono di controllare la galleggiabilità.

Riserve

Riserve energetiche di glicogeno, poli-idroxibuterato e poli-fosfato.

4

Magnetosomi

Precipitati di ferro-zolfo o ferro-ossigeno, ossidi di ferro, mantenuti all’interno di membrane, possibilmente usati per orientarsi nel campo magnetico terrestre, o nel gradiente di ossigeno ambientale, presenza-non presenza, ancora in fase di studio.

Macrocompartimentazioni

Ex. Carbosissoma: concentra la CO2 in uno spazio controllato in modo che la rubisco possa svolgere la sua funzione più efficacemente.

Spore

Certi organismi, solitamente gram positivi possono formare forme di resistenza, spore, azzerando il loro metabolismo e formando layer di protezione molto stabili, teoricamente stabili indefinitamente.

Spazio periplasmatico

Spazio tra le membrane molto importante: ci sono enzimi, proteine di trasporto, binding-proteins, recettori di membrana ecc. zona molto trafficata.

Nucleoide

Zona in cui il DNA è strettamente impaccato; solitamente formato da una sola molecola ma spesso i microorganismi possiedono piccole molecole circolari di DNA accessori chiamati plasmidi, importanti per la patogenesi.

Ribosomi

Mezzo per l’attivazione genetica tra DNA e proteine, sito di sintesi delle proteine.

Possono essere degradati in mancanza di nutrienti.

Adattamenti per l’assorbimento di molecole

Ovviamente i microorganismi hanno meccanismi, solitamente proteici, che riconoscono, trasportano e in certi casi bloccano molecole dall’ambiente esterno. Solitamente i batteri hanno sistemi di trasporto a bassa affinità ed alta affinità per determinate molecole. Questo determina la competizione tra microorganismi.

Trasporto

La diffusione passiva, difficile e inefficace perché solitamente l’interno dei microorganismi è più concentrato rispetto all’ambiente esterno.

La diffusione facilitata permette, grazie all’aiuto di micromacchine come permeasi o carrier, di concentrare una sostanza.

Il trasporto attivo avviene contro gradiente di concentrazione, solitamente grazie ad un carrier o porta che facilita il trasporto, e necessita energia, ATP o scambio equo di molecole.

Mar 17, 2022

Uniporti, simporti, antiporti lezione 4

Crescita cellulare

È legata alla presenza di nutrienti e lo stato di energia dello cellula. In condizioni favorevoli la cellula microbica si divide. oriC è l’unico sito di inizio replicazione: il DNA si duplica e i due vengono segregati nelle nuove cellule. Poi si forma la parete.

5

Periodi della crescita:

• B_ tempo dalla nascita di una cellula all’inizio della sua duplicazione
• C_tempo della duplicazione
• D_tempo dalla duplicazione genomica alla divisione cellulare completa

In base all’ambiente in cui vivono le cellule adattano il loro ciclo vitale e la loro riproduzione. Avendo un solo sito per l’inizio della duplicazione, oriC, i microorganismi hanno sviluppato diverse strategie. In un ambiente ricco le cellule hanno più forcelle replicative e più siti oriC, per questo saranno più veloci a replicarsi, crescita esponenziale, viceversa in un ambiente con meno nutrienti una cellula sarà più lenta.

Alcuni batteri presentano uno sviluppo: una cellula, duplicandosi, forma due cellule differenti.

Escherichia Coli, si riproduce in circa 40-20 minuti in una coltura ricca di nutrienti, contro le 21 ore nel nostro intestino. La differenza è dovuta ad un ambiente più ostile perché scarso di nutrienti e competitivo.

Quando una coltura batterica, E.coli, viene spostata in un ambiente ricco di nutrienti controllato, prima avrà un periodo di adattamento, lag phase, per poi crescere esponenzialmente e poi stabilizzarsi, a causa del consumo dei nutrienti, della competizione intraspecifica e della creazione delle waste water, sostanze di scarto.

Ogni tipo di microrganismo reagisce diversamente a vari fattori/paramentri, temperatura, umidità, salinità ecc. Ognuno ha un suo range vitale con i suoi picchi di optimum e i suoi limiti.

6

Temperatura

Le reazioni solitamente avvengono più velocemente quando la temperatura è più alta. Se la temperatura si alza troppo, però gli enzimi e le proteine si denaturano e non funzioneranno più. I microorganismi hanno diversi massimi e minimi. Questo fa sì che diversi microorganismi abbiano una geografia diversa.

pH

Un discorso molto simile si può fare per il pH dell’ambiente, pH estremi distruggono la struttura delle macromolecole. pH molto acidi distruggono i legami idrogeno, a pH molto basici i lipidi idrolizzano.

I microorganismi si adattano ad un cambiamento di pH pompando protoni attivamente all’esterno, neutralizzandoli, scambiandoli o consumandoli. Possono creare molecole all’interno del citoplasma per controbilanciare le cariche all’esterno, strategia passiva.

Pressione osmotica

Quantità di acqua libera disponibile. Influenza la crescita cellulare. Gli eucarioti devono avere un bilancio idrico leggermente positivo. Esistono anche per questa condizione diversi microrganismi adattati ad ambienti iper o ipo osmotici.

Con alta pressione osmotica le cellule devono mantenere un alto bilancio idrico interno prendendo dall’ambiente soluti o creandoseli.

Ossigeno

Nonostante la stragrande maggioranza della vita si sia adattata alla vita in presenza di ossigeno, questa molecola crea comunque problemi legati all’ossidazione, perché molto reattivo in quanto viene detossificato, da O2-, H2O2, radicali OH, tramite diversi meccanismi metabolici.

Per questo, a seconda dell’affinità con l’O, possiamo dividere i microrganismi in: aerobici-anaerobici.

La maggior parte della vita sulla terra è formata da Carbonio, idrogeno, azoto, fosforo, zolfo, potassio, selenio, mentre nel resto della terra, e galassia, c’è molto più idrogeno ed elio.

7

Tema 3: metabolismo batterico e nutrizione microbica

Di base, qualsiasi cellula, micro e macrorganismo utilizza ATP per funzionare, una molecola ad alto contenuto energetico, controllabile ed efficiente. C’è bisogno ovviamente di una fonte di carbonio, in base a come viene ottenuto, gli organismi si dividono in autotrofi, carbonio inorganico, o eterotrofi, carbonio organico.

Sul pianeta ci sono 2 fonti di energia: energia solare, luce, e energia proveniente dalla rottura dei legami chimici, en. chimica.

Autotrofi: Carbonio dalla fissazione di CO2

Eterotrofi: carbonio assimilato da composti organici fissati

Fotosintetici: prendono energia dalla luce

Chemosintetici: Prendono energia dall’ossidazione di composti ridotti

Chemolitici: Energia dall’ossidazione di prodotti ridotti inorganici

Chemorganici: Energia dall’ossidazione di composti organici ridotti?

é??

Il metabolismo batterico è una rete di reazioni chimiche dove vengono utilizzati elementi essenziali, CATABOLISMO, o dove, tramite altre reazioni, vengono prodotti, ANABOLISMO.

Mar 21, 2022 lezione 5

I microrganismi per crescere fanno reazioni di degradazione di molecole complesse, nutrienti, per produrre energia che viene stoccata in molecole di ATP. Queste vengono utilizzate in reazioni di anabolismo quando il micro ha bisogno di questa energia stoccata per formare le unità fondamentali per formare un’altra cellula, biomassa.

Nei diversi ambienti, i microrganismi hanno un diverso tasso di crescita/riproduzione → saremmo -12 31 ex. E.coli in laboratorio si duplica ogni 20 min e pesa 10 g, quindi in 48h peserebbe 2.2x10 quindi invasi da microrganismi.

Negli ambienti naturali il tasso di riproduzione è molto più basso e varia da 10-12h, intestino, a più di 200h, nel mondo liquido; nel suolo e nei sedimenti marini varia da 46h a 1 anno. Nei carotaggi profondi si stima un tasso di 1000-3000 anni.

Pertanto anche negli ambienti estremi i microrg. sussistono però hanno un tasso di riproduzione molto molto lento.

8

Bioenergetica

Nel mondo, l’energia fluisce mentre la materia ricircola.

Dal punto di vista di un microrganismo la materia è assunta, il micro si divide, muore e gli altri micro reciclano le componenti.

Energia (KJ) invece fluisce da una radiazione che rompe un legame chimico e trasformato in calore.

ΔG>0

Il metabolismo accoppia reazioni che necessitano energia, ENDOERGONICHE, spontanee, con altre ΔG<0 reazioni che la liberano, ESOERGONICHE.

Gli enzimi=catalizzatori fungono da facilitatori perché abbassano l’energia di attivazione. Se questi non ci fossero, i tassi di duplicazione sarebbero bassissimi e la vita ci metterebbe troppo tempo per vivere.

La famiglia più grande di catalizzatori sono le proteine che interagiranno con molecole per promuovere le rx