Microbiologia Appunti Parte 1

Introduzione alla microbiologia

Ogni cellula ha una membrana citoplasmatica grazie alla quale si garantisce l'omeostasi e l'interazione con le altre cellule. La cellula trasporta nella propria cellula sostanze che servono per formare le macromolecole fondamentali. Se le risorse necessarie per una cellula batterica fossero infinite, nel giro di 4 mesi avremmo una massa cellulare superiore alla massa della terra. Questo non accade perché non ci sono risorse infinite. La cellula batterica raggiunge una certa dimensione dando luogo alla scissione binaria come vedremo. La duplicazione avviene con una certa fedeltà, ma possono avvenire eventi di mutazione che possono favorire la crescita di una cellula a discapito di un'altra in un determinato ambiente. Una cellula interagisce con l'ambiente e altre cellule, si muove nello spazio. Nel mondo dei batteri esiste un processo di differenziamento nel senso che in certe occasioni assume aspetto completamente diverso: la sporificazione.

Partendo da una suddivisione tradizionale, avevamo il regno animale e vegetale. Nel 1886 ci fu una prima suddivisione per cui dalle piante vengono separati i protisti come protozoi, funghi, alghe e batteri. Ma con l'avvento del microscopio (inizio 1900) ci fu una nuova suddivisione in procarioti e eucarioti che identificano due tipologie diverse di cellule. Nei procarioti ci sono batteri, negli eucarioti ci sono piante, funghi e protisti. Nel 1969 abbiamo l'unione dei batteri nel regno dei Monera, a fianco dei protisti, funghi, piante e animali. Nel 1990, confrontando rRNA 16s e 23s, Woese suddivise gli esseri viventi in Batteri (veri e propri), gli Archea e gli Eucarioti.

Composizione chimica delle cellule

Tutte le cellule sono formate da vari elementi chimici: il 50% del peso secco (senza acqua) è formato dal C, poi abbiamo N, O, H, P ed S che formano polisaccaridi, lipidi e lipopolisaccaridi, acidi nucleici e proteine. Possiamo suddividere gli organismi a seconda della fonte di carbonio: eterotrofi (utilizzano come fonte di C la sostanza organica come glucosio, cellulosa o derivati del petrolio. Se lo utilizza vuol dire che la ossida ad H₂O e CO₂ e quindi quel batterio può essere usato per inoculare un sito in cui è avvenuta contaminazione da petrolio affinché il batterio mangi tutto il petrolio. Così è vero, si moltiplica ma lo degrada, pulendo le zone inquinate da petrolio: il biorisanamento. Stessa cosa vale ovviamente per le acque fognarie. Questa è la spiegazione pratica) e come fonte di energia: fototrofi (usano la luce e quindi fanno la fotosintesi), i chemio-organotrofi (che usano composti organici) e chemio-inorganotrofi (che usano composti inorganici). Tutti questi producono le molecole base per costituire la molecola batterica (esempio gli aminoacidi producono proteina, mureina per la parete batterica, strutture batteriche come flagelli, pili ecc). La cellula quindi ha bisogno ovviamente di tutti i precursori utili per la formazione delle strutture che ho detto.

Importanza dei microrganismi

• Essi costituiscono il gruppo più numeroso di organismi, si trovano in ogni parte del globo.
• Hanno un ruolo fondamentale nel riciclo degli elementi essenziali (esempio batteri permettono di produrre grandi quantità di aminoacidi oppure antibiotici prodotti per l'80% da batteri come Streptomyces e per il 20% da funghi. Il cloranfenicolo è l'unico prodotto chimicamente).
• Fonte di nutrienti. Alcuni capaci di fotosintesi.
• Benefici per l'umanità per la loro capacità di produrre cibi, bevande, antibiotici e vitamine.

La microbiologia si occupa di microrganismi troppo piccoli per essere visibili ad occhio nudo. Questi sono semplici nella loro architettura (anche perché sono unicellulari, infatti rientrano anche il lievito oltre che i batteri e gli archea. Gli ultimi due sono solo i procarioti).

Classificazione dei procarioti

Nel Regno Bacteria abbiamo tutti i procarioti. Le sue cellule sono singole e contengono nella loro parete cellulare la mureina o peptidoglicano e hanno la capacità di colonizzare ambienti estremi. Essi colonizzano qualsiasi ambiente andando dai nevai ad ambienti in cui le T° arrivano a 115°C. Alcuni di questi batteri fanno la fotosintesi come i cianobatteri che sono fotosintetici ossigenici, ossia producono ossigeno come le piante. Essi vivono in Centro-Africa e Messico. Abbiamo anche batteri fotosintetici anossigenici, ossia senza ossigeno.

Nel Regno Archea abbiamo sempre tutti i procarioti, ma si differenziano dai batteri per le sequenze ribosomali e non solo, hanno la parete cellulare senza peptidoglicano. Si trovano in ambienti estremi, ma non si conoscono specie patogene. Tra gli archea ci sono batteri che vivono nelle profondità delle paludi dove manca O₂, ma essi producono metano biologico.

I virus e la microbiologia

I virus sono molto più piccoli delle cellule microbiche (ordine di grandezza del nm invece che μm e quindi visibili a micro a trasmissione). Provocano moltissime malattie incluse alcune forme di cancro come il Papilloma Virus che provoca il tumore per la cervice uterina. Quando furono costruiti i primi microscopi, grazie a un olandese commerciante di tessuti, che creò il microscopio per diletto, descrivendone le diverse forme dei batteri.

Molti scienziati pensavano che lasciare la carne all'aria provocasse spontaneamente da essa le varie larve. Ma il primo che la pensò diversamente fu Francesco Redi che spiegò che le varie larve originavano dalle uova delle mosche. Mise in un contenitore aperto della carne e poi arrivarono le larve. In un altro, il contenitore è chiuso dallo strato di carta e la carne non è putrefatta. Solo che gli oppositori davano la colpa all'aria. Il terzo contenitore allora ci mise un velo di carta bucherellata dove l'aria passa ma le mosche no e allora si ebbe la certezza che la causa furono le mosche.

Se usassi del brodo di montone in beute vedo che dopo un po' essa diventa torbida quindi presenza di microrganismi. Se la chiudo ermeticamente il brodo è limpido. Ma se la riscaldo e la lascio aperta, il brodo rimane limpido. Se tolgo la fiamma torna torbido. Riscaldare è il processo di sterilizzazione che uccide tutti i microrganismi. Pasteur mise in una beuta del brodo di coltura e la sottopose al calore. La incuba per 3-4 giorni e vede che il brodino rimane limpido. Teniamo presente che l'aria entra ma non riescono a raggiungere il brodo. Ma se la riempiamo ad un dato livello, ridiventa torbido.

Ruolo della microbiologia nella patologia

Un altro ruolo importante della microbiologia fu lo sviluppo della patologia. Pasteur e Koch dimostrarono che la presenza di certi microrganismi era responsabile di certe patologie: esempio il bacillus antracis causa il carbonchio oppure il batterio della tubercolosi. Prima di Koch, Agostino Bassi dimostrò che una malattia dei bachi da seta era causata da un fungo e da qui la Bassiana. Oppure Lister, il quale operava individui con patologie i quali morivano in seguito di infezioni batteriche perché non c'erano ancora la sterilizzazione dei ferri chirurgici ecc. Allora egli trattò le superfici operatorie ecc per decontaminarli utilizzando il fenolo e si accorse che ridusse la % di morti dopo operazioni.

Non sempre questi postulati sono applicabili: ad esempio, nel secondo punto ci sono batteri per i quali non si è ancora riuscito a trovare un terreno di coltura che ne permetta la crescita. Se vogliamo farlo crescere dobbiamo farlo sull'Armadillo o topo. Chi soffre di Epatite B fa la malattia anche senza accorgersene diventando immuni oppure far rimanere nel sangue il virus che circola (portatore sano). I postulati di Koch del 1881 possono essere chiamati postulati molecolari perché sono basati sui geni responsabili dell'insorgenza della patologia.

Sviluppi della microbiologia

Altri sviluppi della microbiologia li abbiamo avuti con Chamberland che dimostrò che estratti di piante malate avessero agenti infettivi più piccoli dei batteri in grado di passare attraverso i filtri: la patologia vegetale. Ricordiamo la patologia del mosaico del tabacco e li definì agenti filtrabili perché passavano attraverso filtri di porcellana.

Jenner ha usato la vaccinazione per proteggere persone dallo smallpox (vaiolo). Per la microbiologia ambientale due scienziati hanno studiato batteri dal suolo che fissavano l'azoto molecolare e hanno aperto la strada all'uso di colture arricchite e ai terreni selettivi. Ovviamente si sono aperti nuovi problemi come nuovi agenti patogeni, biofilms formati dai batteri i quali sui cateteri, valvole cardiache, sono ancora più resistenti al trattamento con antibiotici. Oppure sono utilizzati come sistemi modello oppure si può fare una valutazione delle implicazioni di nuove scoperte e nuove tecnologie. Esempio alcuni batteri sono biorestauratori oppure usati nei vaccini dell'Epatite B. La cellula di lievito fu usata come fabbrica per produrre qualcosa che normalmente non produce.

Quindi la microbiologia è lo studio dei microrganismi che si presentano in forma unicellulare e pluricellulare. Comprende anche lo studio dei virus (microscopici) ma non cellulari. Si comportano come esseri viventi quando entrano in una cellula. Spirulina. È un cianobatterio. È così colorato perché contiene tutti gli elementi per la fotosintesi.

Lievito in corso di gemmazione. Nella gemmazione la cellula madre da cui possono originarsi più gemme mantiene la sua integrità perché il processo porta il distacco della cellula figlia mantenendo la sua integrità. Nella scissione binaria dei batteri la cellula madre perde la sua identità perché si divide in 2 cellule figlie.

Produzione di insulina tramite lievito

I passaggi fondamentali del lievito che produce insulina per esempio: taglia, cuci, trasforma e produci. Taglia perché enzimi tagliano sequenze specifiche del DNA tagliandolo in frammenti di diversi dimensioni. Isolo dall'intero genoma umano il gene che codifica per l'insulina. Questo gene devo veicolarlo attraverso il plasmide che è una molecola di DNA a doppia elica circolare che si replica autonomamente. Il plasmide si trova nei batteri. Esso viene tagliato con lo stesso enzima di prima. Così ho un frammento lineare ossia il gene dell'insulina e dall'altra parte il frammento lineare del plasmide. I due hanno estremità compatibili. Cuci perché inserisco il gene che codifica l'insulina nel plasmide ricostruendo una molecola circolare. Questo lo fa la Ligasi che sono ottenuti da certi batteri o virus batterici. Otteniamo alla fine il plasmide ricombinante perché ho inserito in questo plasmide il gene che codifica per l'insulina. Trasforma perché questa molecola di plasmide ottenuta in vitro deve essere introdotta nella cellula del microrganismo interessato. Esempio abbiamo una cellula batterica. La sottoponiamo ad un processo simile a una scarica elettrica che provoca la formazione di pori nella membrana e attraverso questi entra il plasmide. Sono pori transienti ovviamente così poi si chiudono. Produci perché una volta entrati i plasmidi devono esprimere quel gene ossia trascritto in mRNA e poi tradotto in insulina nello specifico. La cellula batterica crescendo aumenta il numero di cellule producendo insulina.

Guerra biologica

I microrganismi possono essere organizzati nella guerra biologica. Esempio il Bacillus anthracis che causa l'antrace o carbonchio. Le spore inalate trovano condizioni ottimali nell'organismo facendole germinare iniziando a replicarsi scatenando la patologia. Oppure il vaiolo. Comunque ogni patogeno ha un numero minimo di cellule necessarie per far partire il processo patogenetico. Quindi la microbiologia è considerata come una disciplina che può contribuire a conoscenze in immunologia, farmacologia ecc. Ma anche all'industria alimentare, ambiente ed energia ecc.

Caratteristiche delle cellule batteriche

Nella cellula batterica il DNA è localizzato nel citoplasma in una struttura chiamata nucleoide. In quella eucariotica abbiamo un nucleo e nucleolo, apparato Golgi, mitocondri, ribosomi, RE. Il citoplasma del battere ha materiale organizzato che è il cromosoma e gli unici organelli citoplasmatici sono i ribosomi. Se i batteri respirano e fanno fotosintesi allora questi processi sono fatti nella membrana citoplasmatica che quindi ha più funzioni che una cellula eucariotica. Di solito l'eucariote è più grande dei batteri ma ci sono eccezioni che definiscono il contrario.

Nei batteri il DNA non è organizzato come nell'eucariote. Ci sono batteri che hanno più cromosomi anche se di solito è unico. Gli operoni sono strutture che fanno in modo che il battere possa controllare geni che codificano enzimi coinvolti in un certo processo metabolico. Accende o spegne più geni contemporaneamente. Sono tipici nei batteri e archea. Nella parete cellulare abbiamo la mureina o peptidoglicano che è la componente principale. Negli eukarya c'è ma non c'è la mureina ma altra cosa. Anche gli archea ma come per gli eukarya la composizione chimica è differente. Gli antibiotici β-lattamici uccidono quei fattori che hanno la componente cellulare contente mureina. Se il battere non ha la mureina non viene ucciso. Gli archea hanno ribosomi procarioti. Dentro mitocondri e cloroplasti ci sono ribosomi di tipo batterico. I batteri sono sensibili al cloramfenicolo ecc mentre archea e eukarya no. Questo perché gli antibiotici bloccano la sintesi di proteine in punti diversi quindi interagiscono al ribosoma 70s dei batteri. Negli eukarya è 80s quindi nada. Ma negli archea è 70s ma si legano con affinità più bassa rispetto a quello che accade nei batteri perciò questo non gli rompe le balle. Gli archea sono detti metanogeni perché producono metano. Gli eukarya non fanno chemiolitotrofia. Batteri e archea fanno respirazione con altri accettori di elettroni. Eukarya no. Gli archea non fanno fotosintesi ossigenica. Queste sono le principali differenze tra i 3 gruppi. Può essere una risposta alla domanda d'esame.

Forme principali delle cellule batteriche

• Bacillo o bastoncino
• A forma di cocco
• A virgola tipica dei Vibrioni come il Vibrio cholerae
• A spirillo
• A spirocheta
• Durante la divisione del battere la cellula madre si divide in 2 cellule figlie separate ma può accadere che possano rimanere collegate: diplococchi.
• Se le cellule si dividono e rimangono unite formando una catenella abbiamo gli streptococchi.
• Se i piani di divisione sono 2 e ortogonali l'uno all'altro si formano le tetradi e sono batteri chiamati micrococcus: mani e terra.
• Se sono 3 piani di divisione: sarcine.
• Se sono più di uno abbiamo la formazione di un grappolo d'uva: stafilococchi. Sono considerati patogeni opportunisti ossia sfrutta la debolezza dell'organismo umano. Abbiamo lo Staphylococcus epidermidis; l'aureus perché la colonia assume un colore giallo-oro e forma biofilm sulle protesi causando infezioni non facilmente debellabili.

Divisione cellulare

A metà si forma il setto di divisione della cellula madre in cui abbiamo nuova sintesi di membrana e parete cellulare. Esso si invagina sempre di più finché le cellule figlie si separano diventando sempre più indipendenti. Intervengono proteine in questa divisione che prima non si pensava fossero incluse: esempio la proteina FtsZ, la quale è simile alla tubulina, è inclusa e anche nei batteri quindi c'è qualcosa simile al citoscheletro. Quella proteina si localizza dove si forma il setto di divisione. Questo nel S. aureus. Nel B. subtilis è presente la proteina MreB è simile all'actina e la funzione è quella di garantire la forma a bastoncello della cellula intervenendo anche con la FtsZ (similtubulina). Nel C. crescentus ha la crescentina simili ai filamenti intermedi. Oltre ad avere la MreB e la FtsZ ha anche la crescentina utile sempre per mantenere la forma della cellula batterica. Grazie ai mutanti, non producono più la proteina, è stato possibile capire le funzioni di proteine, processi fisiologici, genetici e biochimici.

Gram positivi e negativi

I batteri possono essere divisi in gram positivi e negativi. Gram ha messo a punto una colorazione per separarli in 2 gruppi. Entrambe le tipologie hanno membrana citoplasmatica. All'esterno, nei gram negativi c'è un sottile strato di mureina e al di là un'altra struttura chiamata membrana esterna. I positivi hanno membrana, spesso strato di mureina ma non hanno membrana esterna al di là del peptidoglicano. La diversa colorazione dipende dallo spessore della mureina. Se è elevato il colorante di gram (blu-violetto) entra nella cellula e ci rimane (gram positivi). Se entra e poi viene estratto grazie ad alcool ci troviamo nei gram negativi poiché assumono colorazioni rosa-rossi.

Membrana citoplasmatica

È un doppio strato fosfolipidico con proteine integrali di membrana, proteine periferiche (verso il citoplasma), lipoproteine. Una caratteristica del battere è che non ha nella membrana gli steroli. Essi stabilizzano la natura della MC. Ma recentemente sono stati trovati gli opanoidi che ricordano il colesterolo ma sono un qualcosa di diverso. Essi stabilizzano la struttura della MC. Anche ioni Mg e Ca stabilizzano la struttura. La membrana è permeabile selettivamente ma nei cianobatteri avviene fotosintesi o respirazione. Insomma sede produzione energia. Alcune proteine sono responsabili della comunicazione del battere con l'ambiente esterno. È sede anche della sintesi della parete cellulare: primo stadio avviene nel citoplasma, il secondo nella MC, il terzo nella parete vera e propria. I batteri hanno come catene acidi grassi per i fosfolipidi, il glicerolo è D-glicerolo, il tipo di legame è estere.