Microbiologia generale

Microbiologia generale

Cosa studia la microbiologia?

La microbiologia è la scienza che studia quegli organismi che sono talmente piccoli da non poter essere osservati ad occhio nudo. Le dimensioni sono la prima caratteristica importante che definisce i microrganismi. La microscopia è importante: sapere con quale strumento è stata catturata un’immagine.

La microbiologia ha diversi campi di interesse: può indagare e studiare la struttura del microrganismo (studio fisiologico, biochimico, genetico, tassonomico). Oltre a indagare come funzionano alcune strutture dei microrganismi è importante valutare il ruolo di questi nell’ambiente in cui si trovano, cioè in tantissime nicchie ecologiche. Si trovano in ambienti difficili per gli animali e piante, ad esempio nelle profondità o in ambienti estremi (alte e basse temperature), nel nostro organismo (possono essere utili esempio microbiota intestinale, sulla nostra cute, ma possono creare anche problemi come patologie, cioè microorganismi patogenetici).

Storia della microbiologia

La storia della microbiologia si estende da metà del 1600 fino al 2006. I microbiologi si sono interessati a questa scienza già dai primordi, quando non si sapeva ancora bene cosa fossero e che esistessero i microrganismi. Ad esempio, nel 1687, Van Leeuwenhoek ha per la prima volta descritto dei microrganismi senza sapere che fossero batteri. Pasteur e Koch sono da considerarsi i padri fondatori della microbiologia. Con la scoperta del DNA e dell’associazione della funzione genetica, si è aperta un'applicazione molecolare all’ambito microbiologico. Più recentemente ci sono state delle applicazioni tecnologiche che hanno permesso di ampliare le nostre conoscenze.

Anche ai tempi degli uomini primitivi si usavano dei microrganismi (senza sapere che fossero tali) per dei fini pratici, ad esempio produrre cibi e bevande fermentate, come la birra, senza sapere che si stessero utilizzando dei lieviti che sono in grado di modificare grazie al loro metabolismo le caratteristiche di substrati (come malto o orzo) per ottenere questa bevanda. Un’altra pratica era quella della salatura, per conservare dei cibi; si stava praticando una tecnica di controllo della crescita microbica senza saperlo (il sale disidrata cibi e l’acqua è fondamentale per i microrganismi). Il sale divenne anche una moneta di scambio (la salaria, strada per il trasporto del sale). Già nel XVI secolo si ipotizzava che certe malattie fossero causate da forme viventi invisibili e si cercavano pratiche per ridurre il contagio e contenere grandi epidemie.

Pionieri della microbiologia

Robert Hooke: matematico inglese, anche naturalista. Utilizzò un microscopio molto semplice e vide una muffa presa dal cuoio e la disegnò. Riuscì a identificare quello che oggi sappiamo sono le spore.

Antoni van Leeuwenhoek: mercante di tessuti olandese. Utilizzò sempre un microscopio molto semplice, con una lente sola, fatta in maniera così ottimale che riuscì a disegnare le morfologie di batteri che conosciamo oggi come dei bacilli. Grazie a lui abbiamo la prima traccia della scoperta dei batteri, che venivano però denominati "animalcules" (piccoli animali).

Louis Pasteur: chimico francese, confutò la generazione spontanea (o abiogenesi) e quindi dimostrò che gli organismi viventi originano da altri esseri viventi; studiò le fermentazioni (si pensava che la fermentazione fosse basata su processi chimici, ma grazie a lui si scoprì che avvenivano grazie alla presenza di microrganismi); sviluppò il vaccino per l’antrace, per il colera e per la rabbia. L’antrace è una malattia determinata da un batterio che si chiama bacillus antracis. Si dice che è l’agente eziologico dell’antrace (elemento che causa una determinata malattia). L’agente eziologico del colera è il vibrione del colera. L’agente eziologico della rabbia è un virus.

Esperimento di Pasteur

L'esperimento volto a confutare la teoria della generazione spontanea: abbiamo un matraccio nel quale viene versato un brodo di coltura. Viene applicato calore per modificare il matraccio ottenendo un “collo di cigno”. Dopo di che si fa bollire il nostro contenuto, per uccidere qualsiasi forma vivente. In questo modo, l’aria presente nell’ambiente circostante può contenere dei corpuscoli (microrganismi), ma quest’aria, proprio per il modo in cui è stato costruito il collo del matraccio, non può andare in contatto con il terreno nel matraccio (questo per molto tempo rimane limpido e cioè non c’è alcuna crescita). Basta rovesciare il matraccio in maniera che il liquido prenda contatto con l’aria, lasciare passare un po' di tempo e il liquido diventa torbido (è stato a contatto con qualcosa nell’aria che ha poi aumentato la propria biomassa). Con questo dimostra che la vita si genera dalla vita.

Robert Koch

Robert Koch, medico tedesco, riuscì a collegare quello che è un agente eziologico (microrganismo) all’insorgenza di una determinata malattia e definì questa capacità attraverso 4 postulati che sono tutt’ora validi con delle eccezioni. Sono importanti perché mi permettono di collegare una determinata patologia causata da un microrganismo, con quello specifico microrganismo. Un’altra sua importante rivoluzione fu quella della coltivazione in vitro dei batteri, infatti fino a quell’epoca non era possibile utilizzare in vitro i batteri e si inventò metodi per coltivarli in laboratorio. Ancora oggi utilizziamo i metodi introdotti da lui. Vinse il premio Nobel per la scoperta dell’agente eziologico della tubercolosi (malattia polmonare molto importante) che è mycobacterium tuberculosis.

Come ha iniziato a coltivare in vitro batteri: la patata costituiva la primordiale forma di terreno microbiologico (con tutti i nutrienti utili per far crescere alcuni microrganismi). Si formava una patina dovuta alla crescita batterica. In poco si è evoluti nella crescita in vitro anche grazie a dei suoi collaboratori, come Walter Hesse, che suggerì di aggiungere agar (agente solidificante) in piastre che, appunto, contengono un terreno agarizzato (per solidificare e far crescere i microrganismi). Queste piastre si chiamano capsule Petri, da Julius Petri. Koch introdusse anche la coltura pura cioè la coltivazione in vitro con questi sistemi sempre più sofisticati, è una coltura di microrganismi in cui vi è solo un tipo di microrganismo.

I postulati di Koch

• Si ha una cavia morta probabilmente per una patologia determinata da un microrganismo e una cavia sana viva. Facendo un prelievo dalla cavia morta si vedono dei bacilli (potrebbero essere i patogeni), oltre che agli eritrociti. Nella cavia sana si vedono solo questi ultimi. Dalla cavia malata è necessario isolare un microrganismo che non viene individuato nel campione della cavia sana.
• Capsula Petri con terreno rosso (agar sangue), su cui cresce il microrganismo. Nella cavia sana non cresce niente. I microrganismi devono essere isolati in coltura pura dalla cavia malata.
• Isolare questo microrganismo e reintrodurlo in una cavia sana determinandone la morte.
• In seguito da questa bisogna re-isolare il microrganismo che ne ha determinato la morte.

In questo modo Koch poté correlare dei microrganismi a determinate patologie. Non sempre, però, è possibile applicare i postulati di Koch. Per quando è possibile applicare questi postulati, anche ai giorni d’oggi è importante avere come traccia la possibilità di applicarli.

Altri sviluppi nella microbiologia

1900: ascesa della diversità microbica. Vedere i microrganismi in ogni ambiente. Beijerink era un docente universitario olandese che introdusse anche come tecnica quella di utilizzare delle colture di arricchimento (per ricreare in laboratorio dei terreni che facilitino la crescita di alcuni microrganismi). Fu il primo a descrivere un virus cioè il virus del mosaico del tabacco. Winogradsky, microbiologo russo, isolò molti batteri ambientali e scoprì la chemiolitotrofia (capacità di batteri di utilizzare sostanze inorganiche per produrre energia) e l’azotofissazione (capacità di fissare l’azoto presente nell’ambiente in ammoniaca, è importantissimo e solo batteri azotofissatori sono in grado di farlo).

Avanzamenti chiave del XX secolo

- F. Griffith (1928): La trasformazione - Esperimenti sui ceppi R e S di Streptococcus pneumoniae.

- A. Fleming (1929): Scoperta della penicillina.

- M. Delbruck, S. Luria (1943): Sviluppo della genetica batterica.

- E. Tatum, J. Lederberg (1946): La coniugazione batterica.

- F. Jacob, J. Monod (1959-1960): La regolazione genica e il concetto di operone.

- Brock (1967): Isolamento primi archea ipertermofili.

- Dulbecco (1969): Scoperta dei retrovirus.

- C. Woese, G. Fox (1977): Scoperta degli Archea.

Scoperte recenti

B. Marshall scoprì l’Helicobacter pylori come agente eziologico della gastrite. Uno dei problemi per correlare un agente eziologico alla patologia è quello della difficoltà di coltivare in vitro dei microrganismi. Lui ipotizzò che questo microrganismo fosse l’agente eziologico di questa patologia, ma non aveva il modo di dimostrarlo (2005) e non aveva un modello animale sensibile a questo. Fece un brodo arricchito con questo microrganismo e lo bevve. Andò incontro alla manifestazione della patologia della gastrite. Di conseguenza scoprì che quello era responsabile di quella determinata gastrite. Scrisse l’articolo parlando di una terza persona volontaria che in realtà era lui. Essendo un batterio sensibile al trattamento di alcuni antibiotici, fece appunto una cura antibiotica per bloccare la sintomatologia.

Venter, biologo statunitense, costruì nel suo laboratorio un batterio semisintetico perché svuotò l’interno di un microrganismo già esistente ed introdusse l’informazione genetica mediante del DNA totalmente sintetizzato in laboratorio. Ha scelto la minima informazione utile per poter rendere vitale e fisiologicamente attivo questo microrganismo.

Organizzazione cellulare

I microrganismi hanno un’organizzazione cellulare che può essere di tipo procariote o eucariote. Tutti i microrganismi sono costituiti da cellule, che hanno caratteristiche e che posso applicare come definizione per i microrganismi:

• Sono in grado di effettuare un metabolismo. Si introduce così il concetto della biodiversità, perché i microrganismi non sono in grado di effettuare una sola via metabolica, ma esistono una serie di microrganismi differenti con capacità metaboliche variegate e ciò gli permette di adattarsi in ambienti molto diversi.
• Sono in grado di riprodursi, riproduzione di tipo asessuata e questa non è limitante in quanto ci sono delle modalità di introduzione della variabilità genetica che vanno oltre il metodo della riproduzione. Infatti sono presenti sul nostro pianeta migliaia e migliaia di specie diverse di microrganismi.
• Alcune cellule tra i microrganismi possono trarre vantaggio dal potersi muovere. Si possono muovere grazie a diversi adattamenti come grazie a flagelli o grazie a proteine. Ad esempio in un ambiente liquido la capacità di potersi muovere grazie alla presenza di flagelli può rendere i microrganismi capaci di direzionarsi verso una fonte di nutrienti.
• Comunicazione: i microrganismi riescono a comunicare tra di loro. Può avere delle conseguenze sulla possibilità di avere la conquista di un determinato ambiente oppure no. Ad esempio, ci sono dei microrganismi che si possono trovare a livello del nostro corpo in distretti anatomici differenti, che possono rilasciare molecole e quando lo fanno riescono in una sorta di “conta della popolazione” e possono iniziare un processo infettivo. Questo è a discapito del paziente.
• Differenziamento: inizialmente si pensava che i microrganismi, a differenza delle cellule delle piante e degli animali, non potessero differenziarsi e che tutti fossero uguali. Ci sono esempi di differenziamento, cioè microrganismi che riescono a differenziarsi per adattarsi, ad esempio gli sporigeni che possono formare delle spore in attesa di tempi migliori (non tutti i batteri sono in grado di formare spore, solo alcuni).

Procarioti vs eucarioti

I microrganismi non visibili ad occhio nudo possono essere sia procariotici che eucariotici.

Procarioti: "pro carion", carion dal greco significa “nocciolo”, cioè il nucleo. Pro è prima, prima della formazione del nucleo. Di solito una cellula procariotica è più piccola di quella eucariotica, una cellula procariotica di solito ha le dimensioni di pochi micron. Assenza di compartimentazione, cioè assenza di tutti gli organelli. C’è il nucleoide = regione del citoplasma in cui si addensa il cromosoma batterico, un unico cromosoma. Sono presenti in tutto il citoplasma i ribosomi.

Eucarioti: "eu carion", eu significa perfetto, “nocciolo perfetto” cioè il nucleo ben definito degli eucarioti. Di solito si attesta come dimensione in una decina di micron. È presente una complessità assente nella cellula procariotica. Nel nucleo ci sono i cromosomi e il nucleolo ed è inoltre presente una doppia membrana. Molte delle funzioni svolte dalla cellula eucariotica nei vari compartimenti, nella procariotica sono svolte a livello della membrana citoplasmatica. Questa infatti ha molte funzioni, che negli eucarioti si ritrovano in distretti ben precisi.

Presenza di flagelli in entrambe le tipologie di cellule, ma dal punto di vista strutturale sono diversi. Nei procarioti ci sono due proteine che costituiscono le subunità (sono le flagellina), negli eucarioti formano il complesso dei flagelli eucariotici. Con il termine glicocalice, nei procarioti si intende una capsula che quando è presente è molto utile nei diversi aspetti. In alcune cellule eucariotiche può essere presente il glicocalice, ma queste mancano di una parete. La parete dei procarioti è molto complessa dal punto di vista chimico fatta da peptidoglicani (componente aminoacidica e zuccherina). La parete non è sempre presente negli eucarioti (è presente nelle piante, fatta di cellulosa o nei funghi, fatta di chitina).

La membrana citoplasmatica dei procarioti ed eucarioti è molto simile ma con differenze: nei procarioti non sono presenti carboidrati e steroli (ma ci sono i panoidi). Nel citoplasma dei procarioti non c’è il citoscheletro, che invece è molto organizzato e importante negli eucarioti. Questo è costituito da microtubuli, microfilamenti, actina e tubulina che costituiscono una rete con molti ruoli. Nei procarioti si può intravedere la presenza di un protocitoscheletro, cioè componenti omologhe alle proteine che costituiscono i componenti del citoscheletro eucariotico.

I ribosomi dei procarioti sono di tipo 70S, quelli degli eucarioti sono di tipo 80S. In alcuni mitocondri si ritrovano dei ribosomi di tipo 70S, si può formulare l’ipotesi che alcuni organuli (come mitocondri e cloroplasti), derivano da microrganismi procariotici che sono stati inglobati nelle cellule che si sono poi sviluppate ed evolute a dare poi origine alle cellule eucariotiche.

Il DNA cromosomale nei procarioti è costituito da un’unica molecola circolare formata da un’unica doppia elica di DNA, in cui non sono presenti gli istoni. I cromosomi degli eucarioti sono invece lineari. La divisione cellulare nei procarioti è la scissione binaria, mentre negli eucarioti è la mitosi. La ricombinazione sessuale tipica dei processi meiotici delle cellule eucariotiche non avviene mediante il tipico processo di ricombinazione sessuale dei procarioti, che avviene invece tramite trasferimento orizzontale e verticale.

Classificazione dei microrganismi

Diversi modi per classificare i viventi. Inizialmente il mondo dei viventi era diviso in due regni: il regno delle piante e quello degli animali (visione tradizionale). Successivamente (da metà dell’800) si è introdotto il regno dei protisti (regno tra piante e animali, in cui prendevano collocazione i funghi, le alghe, i protozoi e i batteri). Nel 1937, con l’avvento della microscopia elettronica si ha avuto la possibilità di vedere la differenza tra cellule procariotiche ed eucariotiche. Questa differenziazione in termini di struttura ha suggerito di dividere tutti i viventi in due grandi gruppi: i procarioti e gli eucarioti, in cui si collocavano tutti i regni detti prima (a parte i batteri). A questa visione bipartita dei regni, nel ’69 si è introdotta una visione a 5 regni: animali, funghi, protisti, piante e monera (batteri). La visione odierna è stata accettata fino ad oggi, ma nell’ultimo periodo stanno proponendo un’altra suddivisione: viene introdotto il concetto di dominio sulla base di analisi molecolari (microbiologia molecolare), vengono divisi i viventi in tre domini cioè gli archea, batteri ed eucarioti. Questa divisione è stata fatta sulla base di analisi molecolari, hanno puntato l’attenzione su molecole chiamate orologi molecolari che fossero mantenuti come funzione e struttura inalterati nel tempo in ogni organismo vivente. Dopo di che hanno effettuato delle analisi su queste molecole e hanno osservato le omologie e le differenze in modo da disegnare un albero filogenetico che connettesse tutti gli organismi viventi in base alla vicinanza di queste sequenze. Successivamente si è scelto un orologio molecolare che fosse presente in tutti gli organismi viventi e in questo orologio molecolare ci sono parti che vengono conservate nel tempo. Queste molecole non devono essere soggette a mutazioni e queste molecole sono presenti in più copie del genoma (a livello del DNA dell’organismo). Questa molecola è il gene che...