Microbiologia - Appunti

Microbiologia: introduzione

La microbiologia è lo studio di organismi troppo piccoli per essere visti a occhio nudo. I microrganismi sono per certi aspetti i più antichi del pianeta ed hanno contribuito allo sviluppo della complessità biologica nel corso dell'evoluzione della vita.

I punti fondamentali del corso

• Struttura procarioti
• Biochimica dei processi fondamentali dei procarioti
• Genetica dei microrganismi
• Fisiologia cellulare dei procarioti e dei protozoi
• Tassonomia (concetti di base)
• Filogenesi

Sia dal punto di vista antropocentrico sia dal punto di vista ecologico i microrganismi sono estremamente importanti. Influenzano radicalmente la vita sulla Terra perché sono posti alla base dei processi basilari che consentono la vita complessa (ciclo del C, N, O ecc.).

L'aspetto che ci riguarda più da vicino è quello medico, in cui i microrganismi svolgono un ruolo essenziale per la sintesi di molte molecole di interesse farmacologico. Dal punto di vista alimentare troviamo molti alimenti che sono prodotti grazie all'azione di microrganismi, usati da molti anni. Vengono attualmente sfruttati a livello industriale nelle biotecnologiche microbiche. Accanto a questi esempi utili e benefici, ve ne sono molti altri caratterizzati da organismi patogeni per l'uomo o dannosi per l'economia (patogeni per animali o vegetali). Lo testimoniano le storiche epidemie. La microbiologia è una scienza che è nata con la scoperta del microscopio, strumento che ha permesso di osservare organismi troppo piccoli per esser visti a occhio nudo.

Oggetti di studio

Rientrano tra gli organismi studiati dalla microbiologia i batteri, divisi in eubatteri e archeobatteri. Rientrano anche le cellule eucariotiche più semplici come i lieviti e altre come i protozoi. Infine, altre entità biologiche che vengono studiate dalla microbiologia sono i virus, parassiti intracellulari obbligati e non possono essere intesi come veri organismi. Studieremo i batteriofagi.

Storia della microbiologia

La nascita del microscopio non è storicamente accertata, ma si pensa che già Galileo Galilei avesse costruito uno strumento capace di ingrandire l'immagine, senza però riuscire a vedere i protozoi. Il vero e proprio microscopio fu inventato da due olandesi (Hans e Zacharias Janssen), seguito dal microscopio di Robert Hook. La nascita della microbiologia si fa tuttavia risalire all'invenzione del primo microscopio che ha permesso di vedere i protozoi, costruito da van Leeuwenohek. Questo microscopio permetteva un ingrandimento da 50 a 300x con cui è riuscito a intravedere dei batteri, che chiamò "animacules".

Un intero mondo invisibile fu portato quindi alla luce e da quel momento in poi molti scienziati si dedicarono allo studio di questi organismi. La scoperta del mondo microbiologico riaccese il dibattito sull'origine della vita. Sin dal mondo classico era diffusa nel mondo accademico la teoria della generazione spontanea della vita, a partire da sostanza organica disorganizzata. L'idea della generazione spontanea fu ipotizzata da Aristotele, con un trattato che descriveva il ciclo vitale di animali superiori. Una cosa sempre osservata era che dalla carne in putrefazione si originavano le larve delle mosche, non potendo vedere le microscopiche uova deposte dagli insetti.

Nel mondo accademico del Rinascimento, lo scienziato italiano Francesco Redi contestò per primo la teoria della generazione spontanea, supportato anche con l'esperimento della mosca e il barattolo. I sostenitori della generazione spontanea tuttavia tornarono alla carica con la scoperta del mondo microbiologico, per il quale era molto più complicato studiare i cicli biologici. Un altro italiano, Angelo Spallanzani, eseguì l'esperimento per contestare anche stavolta la teoria della generazione spontanea. Preparò due serie di vasi contenenti brodo, lasciandone una aperta all'aria, sigillando l'altra e facendo poi bollire il brodo all'interno per uccidere tutte le forme di vita. Dimostrò così che non c'è generazione spontanea anche in un terreno di coltura generalmente ritenuto ottimale per lo sviluppo di vita microbica.

Sempre in quegli anni si capì l'apporto fondamentale dell'ossigeno per lo sviluppo delle forme di vita; pertanto, i sostenitori della generazione spontanea criticarono l'esperimento di Spallanzani asserendo che l'ebollizione aveva rovinato l'aria del barattolo rimasto sterile. Finalmente, nell'800 Pasteur mise fine alla diatriba, dimostrando che i microrganismi che crescono provengono dall'esterno, trasportati dall'aria. Fece degli esperimenti utilizzando particolari bottiglie con un becco ricurvo a collo di cigno. In questo modo si poteva ripetere l'esperimento di Spallanzani evitando che l'aria venisse "rovinata".

Tramite il becco a collo di cigno si permetteva all'aria di circolare, senza portare con sé le particelle di polvere veicolanti le spore dei microbi. Dimostrò così che la generazione spontanea non è possibile. Non appena il liquido fu messo a contatto con la polvere presente all'entrata del becco si dava il via alla contaminazione di vita microbica nel brodo. Con questi esperimenti ebbe inizio l'era della microbiologia moderna, di cui i padri sono Koch e Pasteur, insieme a Bejerinck e Vinogradskj. Per quel che riguarda Koch, fu lo scienziato che per primo mise in relazione i microrganismi con le patologie umane.

La prima dimostrazione diretta del ruolo dei batteri nella malattia fu dato dallo studio del Bacillus anthracis (carbonchio), sulla base del quale pose dei postulati fondamentali:

• Il microrganismo deve essere sempre presente in ogni caso di una data malattia, ma deve essere assente negli individui sani.
• Il microrganismo sospetto deve essere isolato e fatto crescere in coltura pura.
• Il microrganismo isolato, quando inoculato in un ospite sano, deve riprodurre la malattia.
• Dall'ospite infetto deve venire nuovamente isolato il medesimo microrganismo.

Questi postulati non possono essere applicati a tutte le malattie ma in generale sono validi.

Caratteristiche dei microrganismi

I microrganismi sono gli organismi più antichi e sono i più numerosi in natura, sia in termini di numero che di massa. Hanno un ruolo ecologico fondamentale, conseguenza del fatto che sono le prime forme di vita complessa, i pionieri della biodiversità che per primi hanno cominciato a plasmare il mondo come ad esempio mediante la fotosintesi (cianobatteri). Si è calcolato infatti che il 50% dell'ossigeno prodotto oggi sia fatto da organismi fotosintetici unicellulari. I microrganismi sono decompositori della materia organica, rimettendo in circolo il materiale biologico.

Origine della vita

La Terra è nata 4,6 miliardi di anni fa. Fino a circa 4 miliardi di anni fa le condizioni erano troppo proibitive per stabilizzare i prodotti dell'abiogenesi, fatto che è avvenuto circa 3,7-3,8 miliardi di anni fa, con la nascita dei primi procarioti. I cianobatteri nascono 2,7 miliardi di anni fa. Prima di allora l'ossigeno nell'atmosfera terrestre non c'era, e la vita avveniva in condizioni anaerobiche. Con l'ossigenazione dell'atmosfera ebbero modo di svilupparsi i primi batteri aerobi e eucarioti, seguita dalla formazione delle prime piante e animali circa 700 milioni di anni fa. Depositi microbici antichi sono osservabili nelle stromatoliti fossili risalenti a 3 miliardi di anni fa. Stromatoliti ancora visibili sono presenti in alcune zone relitte costiere in vari continenti.

I batteri e le loro forme

I batteri generalmente hanno due forme, a sfera o più comunemente a bastoncello. A queste due forme principali sono aggiunte altre varie tipologie derivate (spirale, eclittica, elicoidale ecc.).

Sferici

I batteri sferici prendono il nome di cocchi. Possono vivere in forma di singole cellule o possono rimanere associati a coppia o in strutture filamentose (nel caso in cui la divisione avvenga sempre sullo stesso piano). I diplococchi sono i cocchi che rimangono associati a coppie, mentre gli streptococchi sono quelli che rimangono associati in filamenti. Quando la divisione non avviene sempre sullo stesso piano, ma in piani alternati man mano che si moltiplicano le cellule, si possono avere associazioni laminari (tetradi e foglietti), cubiche (sarcine, pacchetti a 8 cellule, con 3 piani di divisione alternati), o ancora possono rimanere associati in maniera disordinata qualora non ci sia una regolarità nell'alternanza dei piani di divisione, e in tal caso si avranno dei grappoli irregolari come nel caso degli stafilococchi. Le cellule dei batteri sferici non sono sempre regolari ma possono essere appiattite su un lato, irregolari oppure avere una forma conica. A volte possono avere dei lobi o delle concavità.

A bastoncello

La forma più comune a bastoncello è quella del bacillo, ma vi sono molte variazioni anche qui, con estremità ramificate, rigonfie, appiattite, coniche ecc. Una forma meno comune tra i batteri è quella a spirale. Per quanto riguarda queste forme possiamo avere batteri molto corti e in questo caso sono chiamati vibrioni (forma a virgola). Altrimenti possono essere lunghi, e vengono in tal caso chiamati spirilli. Quando i batteri elicoidali sono lunghi, flessibili e capaci di movimento elicoidale sono chiamati spirochete. Una variante a questi si ha negli Helicobacter sp., che sono elicoidali e avvolti a ciambella. Alcune forme molto particolari non sono classificabili come cocchi o bacilli e possono avere forme particolari generalmente dovute ad appendici chiamate prosteche (prolungamenti della cellula).

Batteri pluricellulari

Molte tipologie di procarioti vanno a sviluppare strutture pluricellulari molto simili al micelio fungino, con ife costituite da filamenti ramificati di batteri bastoncellari. In seguito a crescita e ramificazione si forma una complessa rete di filamenti chiamata micelio. Sebbene il micelio abbia dimensioni batteriche è in qualche modo analogo al micelio dei funghi filamentosi. In genere le ife sono suddivise da setti, ma non mancano le ife cenocitiche.

Cianobatteri

Anche alcuni cianobatteri possono sviluppare dei filamenti organizzati con comportamento pluricellulare, chiamati tricomi al cui interno si possono trovare cellule differenziate come le eterocisti e gli acineti.

Dimensioni

Le dimensioni ridotte dei batteri sono convenienti per lo scambio con l'ambiente esterno. Strutturalmente i batteri sono più semplici delle cellule eucariotiche ma hanno un metabolismo molto intenso, che richiede uno scambio continuo ed efficiente con l'ambiente esterno. Questa condizione si può verificare al meglio se il rapporto superficie/volume è elevato, e ciò avviene con volumi molto ridotti. Un batterio di medie dimensioni (E.Coli) ha un diametro di 1-1,5 micron. Oscillatoria ha un diametro di 7 micron, paragonabile a quello di un eritrocita. Ci sono batteri che come dimensioni sono paragonabili a cellule eucariotiche, con dimensioni massime di alcuni millimetri in specie planctoniche di profondità (vedi dopo). Ve ne sono di molto piccoli, come gli streptococchi (800nm), e altri talmente piccoli (200nm) da essere più piccoli dei virus più grandi (800nm).

Batteri giganti

L'Epulopiscium fishelsoni, scoperto nell'intestino di un pesce del Mar Rosso può raggiungere lunghezze di 0,6mm e diametri di 80 micron, con volumi 1 milione di volte superiori a E. Coli. Più grandi di lui sono i batteri della specie Thiomargarita namibiensis, scoperto a largo della Namibia. È un batterio sferico che raggiunge dimensioni di 0,75mm di diametro essendo ben visibile a occhio nudo. Nel suo caso la maggior parte del volume è data da un vacuolo pieno di nitrati. La parte metabolicamente attiva della cellula è disposta su un sottile strato sotto la membrana, alternata a granuli di solfati, garantendo quindi un buon rapporto superficie/volume. Nel caso dell'epulopiscium il rapporto superficie/volume è invece garantito da una membrana altamente involuta.

La struttura della cellula

I batteri sono molto più semplici delle cellule eucariotiche, ma hanno comunque una buona organizzazione e integrazione dei vari componenti. La caratteristica fondamentale che differenzia procarioti da eucarioti è l'assenza del nucleo. Nei procarioti il genoma è diffuso in una regione del citoplasma non delimitata da membrane (nucleoide). Le cellule eucariotiche presentano organuli rivestiti da membrane, che mancano nelle cellule procariotiche (eccetto rari casi, come vacuoli).

Membrana

Nei procarioti la membrana citoplasmatica è la sede di importanti processi metabolici: respirazione, fotosintesi (in questi batteri si osserva spesso un notevole sviluppo di sistemi di membrane interni). In alcune cellule procariotiche infatti la membrana è molto sviluppata. La membrana è inoltre sede dei recettori della chemiotassi, che consente un'interazione della cellula procariotica con l'ambiente esterno per muoversi attivamente in direzione di uno specifico nutriente o per allontanarsi da una fonte nociva. Nelle membrane degli archeobatteri i fosfolipidi di membrana non presentano legami esterei tra il glicerolo e l'acido grasso. Gli steroli non si ritrovano nelle membrane plasmatiche dei batteri, eccetto pochi esempi. I composti che li sostituiscono sono quelli che prendono il nome di opanoidi. Questi sono presenti in quantità enormi, se rapportati alla biomassa procariotica, quasi pari alla massa di carbonio organico di tutti gli organismi viventi. Nella membrana degli archea la molecola di base è sempre il glicerolo, che in questo caso è attaccato a degli idrocarburi (terpeni), mediante un legame di tipo etere (e non estere come per le altre membrane). Questi di-eteri del glicerolo sostituiscono i fosfolipidi, a cui a volte si aggiungono dei tetra-eteri del glicerolo formati dall'unione di due molecole antiparallele, a costituire un monostrato di molecole con due teste polari e un corpo apolare. È una grande differenza con le membrane biologiche classiche. Le lunghe catene di circa 40C date dall'unione dei due terpeni possono presentare strutture cicliche. Gli archeobatteri hanno queste differenze rispetto ai procarioti più comuni perché sono adattati a vivere in ambienti estremi. Molti di loro sono infatti definiti "estremofili", e assieme a queste modificazioni della membrana si possono trovare delle radicali differenze a livello metabolico, proteico, osmotico ecc.

Parete batterica o peptoglicano

La principale funzione è quella di proteggere la cellula dalla lisi osmotica in quanto la cellula procariota vive, molto spesso, in ambiente ipoosmotico. Inoltre è responsabile della forma dei batteri, conferisce una certa protezione verso sostanze tossiche e rappresenta il sito di azione di numerosi antibiotici. La parete è fondamentalmente un peptoglicano cioè un polimero formato da polisaccaridi e amminoacidi. Lo scheletro principale è dato da fasci paralleli formati da una ripetizione di due polisaccaridi: l'N-acetilglucosammina (NAG) e l'N-acetilmuramico (NAM). Al NAM si legano di solito quattro amminoacidi (L-alanina, acido glutammico, acido diamminopimelico e D-alanina). Nei gram negativi il gruppo carbossilico della D-alanina terminale si legherà direttamente al gruppo amminico dell'acido diamminopimelico di una catena vicina rendendo l'intero peptoglicano più stabile. Nei gram positivi questa unione tra i due amminoacidi è accompagnata da un ponte pentaglicinico. L'enzima responsabile della formazione di questi legami crociati è la transpeptidasi.

Nei gram positivi troviamo una membrana plasmatica, uno spazio periplasmatico e infine la parete è ricca di acidi teicoici (polimeri di glicerol-fosfato) che possono essere legati sia al peptoglicano sia ai lipidi della membrana e conferiscono stabilità alla parete stessa. I batteri gram-negativi ne sono privi. Inoltre sul peptoglicano possono essere esposte proteine coinvolte nella comunicazione della cellula con l'ambiente esterno.

I micobatteri sono caratterizzati dalla presenza di una parete cellulare insolitamente spessa e dalla struttura insolita. Contrariamente a quelle degli altri batteri che sono formate di solo peptidoglicano (seppure disposto in più o meno strati nelle diverse specie), la parete dei micobatteri presenta uno strato relativamente sottile di peptidoglicano legato a una serie di molecole composta rispettivamente da arabinogalattani, acidi micolici e glicolipidi fenolici. Questa parete cellulare così complessa conferisce ai micobatteri il vantaggio di essere completamente impermeabili ad alcune delle sostanze più utilizzate nella terapia medica, compresi alcuni degli antibiotici più comuni. Alcuni batteri, come i micoplasmi, non possiedono una parete cellulare.

Membrana esterna

La membrana esterna è composta da fosfolipidi del tutto simili a quelli della membrana plasmatica, ma presenti soltanto sulla faccia interna. Sulla faccia esterna al posto dei fosfolipidi vi è uno strato di lipo-polisaccaride. Vi sono particolari proteine trans-membrana (porine) che sono specializzate per il trasporto di soluti. Nella faccia interna sono situate delle proteine di Brown, che mantengono adeso lo strato inferiore della membrana al peptidoglicano. La membrana esterna è una barriera di permeabilità più permissiva della membrana citoplasmatica, che rappresenta però un'efficiente barriera protettiva ad alcune sostanze antibatteriche come i sali biliari e alcuni enzimi che aggrediscono il peptidoglicano (lisozima), e a molti antibiotici che agiscono su di esso.

Lo strato di lipopolisaccaride è lo strato più esterno della membrana esterna dei batteri didermi, quello che in molti casi si affaccia direttamente al solvente. Viene studiato soprattutto in alcuni batteri patogeni, come la Salmonella.