Microbiologia generale

Microbiologia generale

9CFU

1. GENERALITÀ E INTRODUZIONE ........................................................................................................................... 1

2. STRUTTURE CELLULARI BATTERICHE ................................................................................................................... 5

3. LA CRESCITA MICROBICA ...................................................................................................................................12

4. IL TRASPORTO DI MEMBRANA ..........................................................................................................................19

5. IL METABOLISMO DEI MICRORGANISMI ............................................................................................................24

6. M ................................................................................................................................. 27

ETABOLISMO DEI CARBOIDRATI

7. M ......................................................................................................................... 31

ETABOLISMO DI ALTRE BIOMOLECOLE

8. L ........................................................................................................................................................ 32

A FOTOSINTESI

9. LA GENETICA BATTERICA ...................................................................................................................................35

10. GENOMICA MICROBICA .................................................................................................................................50

11. VIROLOGIA ....................................................................................................................................................54

12. REGOLAZIONE METABOLICA NEI PROCARIOTI ...............................................................................................62

13. CONTROLLO DELLA CRESCITA MICROBICA .....................................................................................................69

14. PATOGENICITÀ BATTERICA ............................................................................................................................80

15. IL MICROBIOMA ............................................................................................................................................89

16. EPIDEMIOLOGIA ............................................................................................................................................96

POSTILLA ................................................................................................................................................................. 101

P , ............................................................................................................................... 101

ROTEINE LOCAZIONI E LORO FUNZIONI anno accademico 2017-2018

20 febbraio 2018 Commentato [EP1]:

1. Generalità e introduzione In E. coli un gene è mediamente

codificato da 1--2 paia di kilobasi su un genoma di 4600 paia

di kilobasi (0,05%). In un essere umano, i geni non sono

Cos’è un microbo? Si tratta di microrganismi di dimensioni microscopiche che rappresentano l’origine di tutte molto più grandi ma il genoma è 1000 volte più grande.

le forme di vita, mostrano maggiore diversità delle piante e degli animali, sono enormemente numerosi, sono

ubiquitari e provvedono alla trasformazione e al riciclo della materia organica. In particolare, poi, influenzano

il clima (per esempio nella presenza di O nell’atmosfera) e intrattengono relazioni simbiotiche con animali,

2 piante o altri microrganismi. Si noti che

nonostante alcuni causino malattie, il

numero di patogeni è davvero piccolo.

Dalla tabella riportata si può dedurre come

i protisti, nonostante essi siano eucarioti,

sono considerati microbi.

ESTREMOFILI: Particolare classe di microbi (soprattutto Archea) che resistono a condizioni di vita estreme.

Per esempio, questi organismi, resistono a radiazioni ionizzanti altrimenti nocive per l’uomo, pH compresi in

quasi tutta la scala di valori, temperature da -15°C a +121°C, pressioni idrostatiche di 1300atm e pressioni

osmotiche corrispondenti a 5,2M di NaCl.

Analizzando la scala temporale della vita sulla Terra si osserva che i microbi sono nati ben prima dei

“macrobi”, cioè degli organismi a dimensioni visibili ad occhio nudo. Si sono infatti sviluppati circa 4 miliardi

di anni fa. Da questo si deduce che essi siano organismi molto semplici, presenti in numero estremamente

maggiore e sono molto diversificati. In particolare, le motivazioni per cui essi sono molto diversificati tra loro

sono le seguenti:

- Sono comparsi prima, quindi hanno avuto più tempo per evolversi ad oggi

- Hanno tempo di generazione breve (tempo di riproduzione), che implica un’estrema variabilità

- Sono capaci di attuare processi di trasferimento genico orizzontale

1 Per il trasferimento orizzontale, i batteri

sono in grado di trasferire materiale genetico

non solo alle generazioni successive, ma

anche ad altri organismi della stessa

generazione, orizzontalmente rispetto

all’andamento dell’albero tassonomico.

L.U.C.A.: Last universal common ancestor,

l’antenato comune da cui si sono sviluppati tutte le forme di vita.

Quello riportato qui di sopra, è un albero tassonomico, che riporta tutti gli organismi in base alle loro

parentele. Come si determinano queste parentele? Sulla base delle similitudini tra gli RNA ribosomiali (tutti

gli organismi contengono ribosomi) che sono codificati da dei frammenti di DNA essenzialmente rimasti

conservati a tal punto da poter stabilire delle relazioni fra organismi diversi.

Si noti che grazie a questi dati molecolari, si possono posizionare gli Archea più vicini tassonomicamente agli

eucarioti che ai batteri, nonostante la loro somiglianza esteriore.

Alcune caratteristiche ragguardevoli dei microbi sono la fototrofia, cioè la capacità di ottenere energia dalla

luce solare, e la bioluminescienza, cioè la capacità di emettere luce.

Si definisce COLONIA un insieme di microbi che derivano da una singola cellula, e pertanto sono cloni di essa

nel vero senso della parola. 2

I virus sono stati osservati solo un

centinaio di anni fa in quanto le loro

dimensioni sono 10 volte minori di

quelle dei microbi in genere e

necessitano dell’osservazione

attraverso tecniche di microscopia

elettronica.

Da alcuni anni a questa parte, lo

studio della microbiologia è salito al

livello della comunità batterica nel

senso di un insieme eterogeneo di

diverse specie di batteri che

convivono in uno stesso ambiente. Fino a questo momento, essa infatti si limitava allo studio delle cellule

individuali o delle popolazioni batteriche.

L’impatto dei microbi sull’attività dell’uomo comprende diversi settori: dall’agricoltura (fissazione dell’N

atmosferico, ciclo dell’N, digestione delle fibre cellulosiche nei ruminanti), al cibo (con la fermentazione e la

produzione di additivi come lievito o acido citrico), alla cura di patologie (partendo dall’identificazione, per

concludere con la produzione di cure adatte), alla produzione di energia e infine alle biotecnologie (applicate

per la produzione di farmaci o gene therapy per alcuni disturbi).

Le tecniche di ricombinazione del DNA sono alla base dell’uso dei microrganismi per la produzione di utili per

uso umano. Questa si attua inserendo un plasmide in cui è stato inserito il gene codificante la proteina voluta

in delle cellule tramite trasformazione. Le cellule trasformate correttamente sono selezionate usando un

antibiotico a cui le cellule trasformate correttamente sono resistenti perché il gene che determina la

resistenza è situato sul plasmide inserito.

I due principali organismi modello utilizzati in microbiologia e largamente

conosciuti sono Saccharomyces cerevisiae e Escherichia Coli, riportati qui in

parte con delle foto al microscopio elettronico.

L’importanza della microbiologia si evidenzia se si analizza l’andamento del numero di morti per tot di abitanti

nell’ultimo secolo: questo infatti ha una tendenza complessiva a diminuire, ma se si dividono le cause di

morte in malattie infettive e altre cause si scoprirà che mentre il secondo tende a rimanere costante, il primo

tende a diminuire, grazie al miglioramento delle condizioni di vita e delle possibilità di curarsi (si noti il picco

del 1908 di morti, causato da una pandemia di influenza). Inoltre, se si analizzano le maggiori cause di morte

nel 1900, esse sono reputate perlopiù a malattie infettive, mentre ad oggi, le maggiori cause di morte sono

malattie cardiache e cancro. Questo delinea che la medicina ha fatto enormi passi avanti nella cura e nella

prevenzione delle malattie infettive e che le maggiori cause di morte ad oggi sono da imputare a una scorretta

alimentazione e uno stile di vita malsano. In particolare, le vaccinazioni hanno contribuito a debellare molte

malattie come il vaiolo, un tempo fatali.

1.1. Progresso nella microbiologia

Il primo importante evento che segna la nascita della microbiologia è la costruzione del primo microscopio

di Van Leeuwenhoek (1864), con cui egli fu capace, per mezzo di una lente, di osservare alcuni microrganismi

posti sulla punta di un ago.

Il secondo passo importante riguardava il conflitto sulla generazione spontanea e l’esperimento di Francesco

Redi con un pezzo di carne, che smentì definitivamente la generazione spontanea. Infatti, se il contenitore

era aperto, sulla carne comparivano le larve, a differenza di quanto succedeva col contenitore chiuso. Nel

3

caso del contenitore coperto solo da una garza che lascia passare l’odore della carne, le larve venivano

deposte sulla garza stessa.

Successivamente furono gli esperimenti di J. Needham e L. Spallanzani a portare un ulteriore passo avanti. Il

primo consisteva nell’osservazione che da un brodo di coltura posto in una beuta, bollito e successivamente

tappato, il brodo presentava microrganismi dopo un certo periodo di crescita. Il secondo invece, prevedeva

lo scambio delle azioni: prima la beuta veniva tappata, poi bollita, e anche dopo lungo tempo non si osservava

crescita di microrganismi.

Pasteur, poi, osservò che lo stesso esperimento di Needham, se effettuato in una beuta a collo di cigno, dopo

mesi presentava un accumulo di materiale nell’ansa del collo della beuta, e nessuna crescita microbica. Se

poi si fosse inclinata la beuta e il brodo avesse toccato il materiale, nel giro di alcune ore si sarebbe osservata

crescita microbica. Da quest’ultimo esperimento si può dedurre che l’aria contiene microrganismi e che la

bollitura è efficacie per ucciderli.

I POSTULATI DI KOCH sono una serie di istruzioni pratiche che permettono di determinare la natura delle

malattie infettive:

- Il microrganismo deve essere presente in tutti i casi della malattia ed assente negli individui sani

- Il microrganismo in questione deve essere isolato e cresciuto in una coltura pura

- La stessa malattia deve essere provocata dall’infezione sperimentale con il microrganismo isolato

inoculato in un ospite sano

- Lo stesso microrganismo deve essere re-isolato dall’ospite infettato sperimentalmente

21 febbraio 2018

I postulati di Koch presentano alcune problematiche messe in luce dalla microbiologia moderna. Infatti,

anche se l’organismo considerato fosse sano, esso potrebbe essere comunque portatore della malattia, e

quindi una coltura di tessuto (anche sterile come il sangue) evidenzierebbe presenza microbica. Inoltre, non

è da considerare il prelievo di tessuti non sterili (urina o saliva) per la coltura iniziale. Infine, si consideri che

non tutti i microbi sono coltivabili, ma per alcuni non sono note le tecniche di accrescimento, impedendo la

possibilità di attuare alla lettera i postulati.

Altri contributi di Koch alla microbiologia non sono da sottovalutare: egli ha infatti contribuito a mettere a

punto la metodologia per la tecnica di riconoscimento dei batteri nota come colorazione di Gram, ha

contribuito allo sviluppo della microfotografia, allo sviluppo di tecniche per la conta batterica, alla

sterilizzazione e alle tecniche di lavoro in ambienti sterili, per terminare con un significativo contributo alla

tassonomia. Koch ha anche contribuito a evidenziare l’importanza delle colture in vitro, a partire dalla

caratterizzazione delle diverse specie batteriche a seconda di forma, colore, opacità, altezza e lucidità delle

colonie.

1.2. Differenze e similitudini fra gli organismi

Dai dati molecolari si deduce che la prima differenziazione, dopo LUCA, sia stata quella che portò allo sviluppo

degli antenati dei bacteria e agli antenati degli eukarya. Da quest’ultimo ramo, poi, si sarebbero sviluppati gli

archea per una successiva differenziazione. Una delle principali similitudini tra questi due gruppi, infatti, è

l’amminoacido associato al tRNA che comincia la sintesi proteica: in eukarya e archea questo è infatti la

Metionina; per i bacteria l’aminoacido associato è la f-Metionina.

4

Se si comparano le dimensioni di una cellula eucariotica, con quelle di una cellula procariotica e un virus si

noterà che queste sono circa 10 volte maggiori nel caso del procariote, e più di 100 volte maggiori nel caso

del virus. Inoltre, anche le strutture cellulari sono molto diverse, infatti tra le strutture della cellula microbica

tipica (procariota) troviamo: assenza di segmentazione interna, un nucleoide, dei ribosomi e

l’importantissima parete cellulare. Il nucleoide è il cromosoma batterico che costituisce il materiale genetico

della cellula procariotica, e non è uniformemente distribuito nella cellula, bensì si trova raggrumato.

I batteri presentano poi molte differenze da specie a specie sulla base della forma e degli aggregati che

formano: sono comuni i cocchi di forma sferica e i bacilli di forma allungata, mentre sono meno comuni i

vibrioni, gli spirilli e le spirochete (addirittura rari sono le forme gemmanti peduncolate). Gli aggregati di

cocchi sono diplococchi (gruppi di due), streptococchi (catene allungate), tetradi (quartetti), sarcine (doppi

quartetti) e stafilococchi (grappoli, lo Staphilococcus aureus è stato denominato per ricordare questo

raggruppamento, ma non tutti gli stafilococchi sono del genere Staphilococcus). I bacilli si possono aggregare

sottoforma di diplobacilli o streptobacilli.

2. Strutture cellulari batteriche

Sono costituite per la maggiorparte da C, O, N e H, che vanno a formare proteine (55%), acidi nucleici (23%),

lipidi e lipopolisaccaridi (11%) e polisaccaridi (7%).

2.1. Parete cellulare

Costituisce il target degli antibiotici, dal momento che le cellule animali non la possiedono agendo su di essa,

i farmaci riescono ad acquisire una c.d. TOSSICITÀ SPECIFICA.

La parete cellulare è composta di PEPTIDOGLICANO, un polimero di origine saccarica, formato dall’alternarsi

di due monomeri a formare delle lunghe catene. Questi due monomeri sono il NAM (acido N-aceilmuramico)

e il NAG (N-acetilglucosammina), strutturalmente simili al glucosio, a meno dei sostituenti al C2 per il NAG e

ai C2 e C3 per il NAM. Questi due monomeri sono

legati covalentemente per mezzo di un legame β-

glicosidico. A loro volta queste catene lineari sono

legate covalentemente tra di loro tramite un

pendaglio di 4 aminoacidi legati al C3 del NAM. In

particolare, ogni terzo aminoacido lega il quarto

aminoacido della catena successiva, formando un

reticolo fisso e resistente. I quattro aminoacidi che

formano il pendaglio sono variabili di specie in

specie. In alcuni batteri (detti Gram+), il legame

diretto fra i due pendagli di aminoacidi è sostituito

da una catena di 5 aminoacidi Gly, a formare il c.d.

ponte pentaglicinico.

La principale distinzione di gruppi di batteri si ha tra i Gram+ e i Gram-, dove, per Gram, si fa riferimento alla

colorazione di Gram. Per le caratteristiche che hanno, infatti, i batteri Gram+ hanno una parete cellulare

formata da uno spesso strato di peptidoglicano, che trattiene meglio il colorante viola con cui si effettua la

tecnica sperimentale, anche dopo i lavaggi. I batteri Gram-, invece, hanno due membrane cellulari, una

interna e una esterna, e lo strato di peptidoglicano è molto meno spesso, e inserito nello spazio tra le due

membrane stesse, detto spazio periplasmatico. Un’altra differenza osservabile al microscopio ottico tra

questi due gruppi di batteri, è la texture della superficie, che risulta liscia per quanto riguarda i Gram+, mentre

piuttosto raggrinzita per quanto riguarda i Gram-. 5

La parete cellulare dei Gram+ presenta delle macromolecole con funzione strutturale, chiamate acidi

lipoteicoici o acidi teicoici. I primi sono infatti caratterizzati da un’estremità idrofobica con cui si inseriscono

all’interno della membrana cellulare per ancorare la parete alla struttura interna. Queste macromolecole

sono assenti nella parete cellulare Gram-.

Il LISOZIMA è un enzima importantissimo che scinde il legame β-glicosidico tra NAM e NAG degradando di

fatto la parete, e uccidendo la cellula batterica che si trovi in ambiente ipertonico. Infatti, solo in questo caso

l’acqua penetrerà all’interno della cellula e produrrà la sua lisi. Nel caso in cui la cellula si trovi in un ambiente

isotonico, anche se la parete venisse degradata, l’acqua non penetrerebbe per osmosi nella membrana

cellulare, permettendo la vita del batterio sottoforma di protoplasto.

Le funzioni della parete cellulare si possono quindi riassumere come:

- Protezione dalla lisi osmotica della cellula con la sua rigidità (le cellule animali e alcuni archea, che

sono sfornite di parete cellulare, devono stare in ambiente isotonico per evitare la lisi)

- Funzione strutturale in quanto, con la sua rigidità imprime una determinata forma alla cellula che

altrimenti sarebbe sferica (è la forma a minor energia, ad oggi ancora non si capisce perché alcune

cellule batteriche preferiscano discostarsi da questa forma)

2.2. Membrana citoplasmatica

Le funzioni della membrana citoplasmatica sono principalmente le seguenti:

- Trasporto se