Microbiologia generale

Microbiologia generale (Lezione 1 – 19-03-21)

Microrganismi buoni e cattivi

Ci sono microrganismi buoni o cattivi. I “buoni” sono microrganismi che vengono utilizzati in tecnologie alimentari e dunque hanno un ruolo detto “pro-tecnologico”, ovvero a favore di una trasformazione. Possono essere batteri lattici usati per la fermentazione, ad esempio. Mentre tra gli indesiderati negli alimenti possiamo trovare microrganismi che inducono a putrefazione, a lipolisi (fenomeni di idrolisi dei grassi che portano ad alterazione di caratteristiche sensoriali) o a fermentazioni indesiderate (es. batteri lattici che agiscono nella produzione della birra). Possono creare anche un danno al consumatore, come:

• Infezione: alimenti con microrganismi vivi che, una volta ingeriti, raggiungono l’intestino e si riproducono (es. salmonellosi, listeriosi).
• Intossicazioni: consumo di alimenti contenenti tossine che si sono riprodotte nell’alimento (es. stafilococco, botulino).
• Tossinfezioni: consumo di alimenti che contengono sia tossine che cellule batteriche vive.

Tossine → si distinguono in esotossine e endotossine. Le esotossine sono dei prodotti del metabolismo che vengono espulsi dalla cellula, le endotossine sono una porzione tossica presente nella parete cellulare dei microrganismi gram-.

Batteri probiotici (batteri lattici, bifido batteri) sono organismi vivi che, se assunti, conferiscono beneficio all’organismo.

Microrganismi: Cosa sono

La microbiologia è la branca della biologia che studia i microrganismi dell’ordine dei micrometri (10^-6 m). Studia la loro forma (tondeggianti, cocciche, bastoncellare…) e struttura, la fisiologia (il loro comportamento), l’identificazione (poter classificarli) e studia i rapporti con gli altri organismi viventi. È una scienza di base poiché i microrganismi sono eccellenti modelli per studiare processi vitali in organismi superiori perché condividono molte proprietà biochimiche, inoltre possono essere facilmente studiate in laboratorio (crescono ad alta densità in breve tempo).

È anche una scienza applicata poiché in ambito medico-clinico la maggior parte delle malattie infettive sono riconducibili a microrganismi (si dice ad eziologia microbica), nel settore agricolo poiché sono alla base dei processi di fertilizzazione dei terreni, e in ambito industriale-biotecnologico per la produzione di antibiotici o proteine, oppure impiegati per la trasformazione di una materia prima (es. fermentati).

Storia della microbiologia

Nel 17^{^} secolo, Leeuwenhoek scoprì l’esistenza dei batteri e ne descrisse la morfologia di alcuni di essi. All’epoca il mondo scientifico era diviso in chi credeva nella teoria della generazione spontanea e chi non vi credeva. I sostenitori della teoria pensavano che i microrganismi si generassero dalla materia non vivente. Mentre chi confutava questa teoria sosteneva che i microrganismi provenivano dall’aria che contaminava il cibo.

Pasteur dimostrò che i microrganismi sono incapaci di generarsi spontaneamente in un ambiente sterilizzato e riparato da contaminazioni esterne, e mise fine, quindi, alla teoria. Perfezionando, infatti, l’esperimento di Spallanzani consentì l’ingresso di ossigeno nel contenitore contenente il brodo di carne. Esso, facendolo raffreddare, non diventava putrefatto, ma rimaneva sterile.

Koch mise a punto un sistema scientifico per studiare i batteri, basato sui terreni di coltura batterici (scoperta dell’agar come costituente principale dei terreni). Sviluppò il concetto di cultura pura: si intende una popolazione di organismi che derivano da un unico organismo vivente iniziale. Permette di isolare un singolo ceppo microbico da una miscela contenente microrganismi differenti.

Cultura pura

Come si ottiene una coltura pura: Bisogna disporre la miscela microbica (un alimento opportunamente diluito) in terreno di coltura in modo da disporre singole cellule distanziate le une dalle altre. Dopo l’incubazione si sviluppano delle colonie che è possibile prelevare. Esse andranno, dopo una serie di passaggi, a costituire la coltura pura.

La prima cosa che si deve fare è una conta vitale in piastra (conteggio di tutti i microrganismi viventi), poi si verifica quali organismi ci sono. La conta vitale in piastra avviene con una omogeneizzazione di un campione di prodotto (es. 10g di mozzarella e 90g di Ringer). Viene diluita al fine di ottenere piastre contabili e si semina in piastra. Prelevo da questa piastra colonie diverse cresciute sulla piastra e si fa uno striscio di purificazione. Viene messo ad incubare, così si ottiene il primo striscio di isolamento. Si isola ancora una colonia ben isolata e si fa lo stesso procedimento. Questo processo viene effettuato circa 3 volte per ottenere, infine, un'unica piastra che contiene cellule che derivano da un unico organismo.

Successivamente, si preleva una colonia ben isolata e si stempera nel brodo di coltura ottimale. Se la brodocultura preparata il giorno precedente risulta torbida (quindi il ceppo isolato è cresciuto) si procede con la visualizzazione dell’isolato al microscopio per valutare la purezza dell’isolato e la morfologia delle cellule. Se l’analisi microscopica conferma la purezza del ceppo isolato si procede aggiungendo glicerolo come agente crioprotettivo per evitare il danneggiamento delle cellule microbiche dovuto al congelamento a -80°.

Lezione 2 – 23-03-21

Sviluppo della microbiologia nel 20° secolo

La microbiologia, nel 20^{^} secolo, si è sviluppata in due direzioni principali:

• Microbiologia di base che studia la fisiologia microbica: ovvero lo studio del funzionamento della cellula microbica, la genetica microbica e la microbiologia evoluzionista: ovvero come, nel tempo, i microrganismi si sono evoluti.
• Microbiologia applicata nella microbiologia medica: grazie alla scoperta dei principali patogeni umani, nella microbiologia agraria: che studia i processi microbici del suolo e nella microbiologia industriale: scoperta di batteri che possono essere impiegati come macchine per produrre qualcosa (es. molecole chimiche).

Classificazione dei microrganismi

Sono microrganismi i protozoi, alghe, funghi, batteri e virus. I quali appartengono a diversi regni (tranne i virus che non appartengono a nessun regno poiché sono acellulari). I domini sono i più ampi gruppi tassonomici, dove all’interno troviamo diversi gruppi. La diversa classificazione dei regni si basa se le cellule siano di tipo eucariote o procariote e sul fatto che gli organismi siano unicellulari o pluricellulari.

Tipologie di microrganismi

• Protozoi: sono organismi eucariotici unicellulari. Sono considerate le prime forme animali apparse sulla Terra. Possono esistere anche come associazioni coloniali di individui singoli. Sono eterotrofi. Si riproducono in genere per via agamica.
• Alghe: Organismi eucariotici unicellulari o pluricellulari. Contengono clorofilla quindi sono fotosintetiche ed autotrofe. Le forme acquatiche costituiscono il fitoplancton. Si riproducono soprattutto per via agamica.
• Lieviti: Organismi eucariotici unicellulari. Appartengono al regno dei funghi, assieme alle muffe. Sono eterotrofi. Responsabili di noti processi fermentativi. Si riproducono per via agamica attraverso il processo di gemmazione.
• Muffe: Organismi eucariotici pluricellulari. Appartengono al regno dei funghi. Sono eterotrofe e saprofite (vivono su materiale in decomposizione). In grado di degradare sostanze complesse come lignina e cellulosa (molti enzimi). Si riproducono per via agamica e per via gamica attraverso spore.
• Batteri: Organismi procarioti unicellulari. Possono trarre energia dall’utilizzazione di sostanza organica o inorganica, ed alcuni di essi sono fotosintetici. Si riproducono per via agamica con un meccanismo denominato scissione binaria. Diametro di 0.2-50 micron.
• Virus: Organismi acellulari. Sono organismi ultramicroscopici considerati non-cellule poiché costituiti solo da acido nucleico racchiuso da una capsula proteica. Vivono solo all’interno delle cellule sia procariotiche che eucariotiche nei confronti delle quali sono parassiti e a spese delle quali si replicano.

Caratteristiche cellulari

Tutte le cellule possono essere considerate strumenti codificanti da un lato e macchine cellulari dall’altro. La crescita è la sintesi di queste due proprietà. Tutti i microrganismi possono effettuare un proprio metabolismo: possono introdurre sostanze chimiche che vengono trasformate nel citoplasma, e possono eliminare dei metaboliti di scarto nell’ambiente. Tutte le cellule sono in grado di riprodursi in scissione binaria. Alcune sono in grado di differenziarsi, ovvero produrre delle strutture cellulari nuove e queste sono chiamate endospore batteriche. Le cellule sono in grado di comunicare, ovvero di emettere segnali verso cellule adiacenti per coordinarsi ed attivare un comportamento comune. Alcune sono in grado di muoversi, il quale non è casuale. È indotto da gradiente chimico o da un gradiente di luce. L’evoluzione, invece, è caratteristica di tutti i microrganismi.

Le cellule eucariotiche sono più grandi e complesse delle cellule procariotiche. Tutte le cellule sono costituite da almeno quattro componenti chimici, quali: proteine, acidi nucleici, lipidi e polisaccaridi. La cellula presenta un citoplasma, un nucleo circondato da membrana nucleare (nella cellula eucariote), mentre troviamo il nucleolo nella cellula procariote, membrana cellulare e parete cellulare (a volte assente).

Le tipiche dimensioni di una cellula eucariotica variano da 2 a 200 micron, mentre una cellula procariotica può variare da 0.2 a 50 micron. I virus hanno un diametro nell’ordine dei nanometri. Ci sono diverse conseguenze delle piccole dimensioni: un elevato rapporto superficie/volume ed un scambio più efficiente di sostanze nutritive con l’ambiente esterno, quindi un tasso di sviluppo più rapido. Cellule piccole producono enzimi necessari a seconda del momento. Sono cosmopoliti e dunque possono essere diffusi con facilità da correnti d’aria.

Composizione della cellula microbica

• Citoplasma: matrice acquosa in cui sono disciolti sali minerali e sostanze organiche e dove sono presenti tutte le strutture necessarie per le funzioni cellulari. Ricco di organuli specializzati negli eucarioti, di soli ribosomi nei procarioti. È nel citoplasma che ha luogo il metabolismo e la sintesi proteica.
• Nucleo o nucleoide: struttura dove sono localizzate le informazioni genetiche, cioè l’acido desossiribonucleico (DNA) e l’acido ribonucleico (RNA). È la principale differenza tra eucarioti e procarioti (presenza/assenza).
• Membrana cellulare: rappresenta il confine tra citoplasma ed esterno della cellula. Ha la funzione di regolare il passaggio delle molecole e nei procarioti è sede del metabolismo respirativo. Le cellule procariotiche non hanno i mitocondri (dove avviene la respirazione cellulare nelle eucariotiche). Nelle procariote la respirazione avviene nella membrana cellulare.
• Parete cellulare: presenta una composizione chimica differente tra procarioti ed eucarioti ma svolge le stesse funzioni: mantenere la forma della cellula e proteggerla da fattori esterni come la pressione osmotica.

Nomenclatura

Per identificare il microrganismo si utilizza la nomenclatura binomiale, ideata da Carlo Linneo. La nomenclatura binomiale è basata sul concetto di specie: Per specie si intende l’insieme degli individui che presentano un elevato numero di caratteristiche comuni e di somiglianze a livello anatomo-morfologico e, più in generale, fisiologico: tali caratteristiche differenziano gli individui di una specie da quelli di tutte le altre. L’identificazione della specie rappresenta il livello iniziale della classificazione degli organismi, dopo i domini. La nomenclatura binomiale prevede l’utilizzo di due termini latini o latinizzati. Il primo è l’epiteto generico corrispondente al genere (in corsivo, maiuscolo; spesso abbreviato alla prima lettera), il secondo è l’epiteto specifico (corsivo, minuscolo). Per esempio: Saccharomyces cerevisiae.

Relazioni tra microrganismi

Possono avvenire tra due microrganismi, tra microrganismo e pianta o tra microrganismo e uomo.

Alcune definizioni di ecologia microbica: La cellula è l’unità fondamentale della vita. Gruppi di cellule derivate da una singola cellula per successive divisioni cellulari vanno a costituire una popolazione. L’insieme di più popolazioni cellulari che vivono in associazione costituiscono le comunità microbiche. L’ambiente fisico-chimico dove la popolazione microbica vive si chiama habitat. L’habitat più l’organismo vivente forma l’ecosistema.

Interazioni microrganismo-microrganismo

• Mutualismo: un’associazione positiva che si instaura tra due popolazioni microbiche. Ciascuna delle due acquisisce vantaggi. L’esempio più comune sono due colture auxotrofe, ciascuna delle quali ha perso la capacità di sintetizzare un aminoacido ed è in grado di produrre l’aminoacido di cui l’altra necessita. In questo caso, se i due batteri vengono coltivati insieme in terreno privo dei due aminoacidi crescono entrambi, ma coltivati separatamente nelle stesse condizioni non riescono a crescere.
• Protocooperazione: un’associazione positiva definita anche sinergismo. È un’associazione occasionale. Un esempio è la sintrofia, fenomeno in cui due organismi diversi possono degradare insieme, ricavandone energia, composti che separatamente non sarebbero in grado di utilizzare.
• Commensalismo: un’associazione che comporta vantaggi per uno dei due batteri, mentre per l’altro resta indifferente. Esempio: Se un batterio anaerobio obbligato viene esposto all’aria muore; se vive in associazione con un anaerobio facoltativo quest’ultimo sottrae l’ossigeno ed il batterio anaerobio obbligato è in grado di crescere.
• Competizione: un’interazione molto diffusa che incide sull’evoluzione delle comunità microbiche. La competizione si stabilisce tra due popolazioni che si contendono i mezzi indispensabili alla vita, quindi substrato di crescita (nutrienti), acqua, luce ed altri fattori. I principali fattori che incidono sulla capacità competitiva sono: velocità di crescita, tolleranza a parametri ambientali critici, capacità di crescere a basse concentrazioni di nutrienti, capacità di immagazzinare sostanze di riserva.
• Antagonismo: il rapporto che si instaura tra due popolazioni quando una delle due secerne prodotti tossici nei confronti dell’altra popolazione. I composti sono antibiotici, sostanze tossiche, batteriocine che inibiscono la crescita di altre popolazioni che vivono nello stesso ambiente.
• Parassitismo e predazione: sono interazioni negative che non avvengono negli alimenti.

Interazioni microrganismo-pianta

Le interazioni si dividono in: interazioni positive, con licheni, micorrize e noduli radicali. Oppure interazioni negative, come numerose malattie.

Per quanto riguarda i licheni, si tratta di un’associazione simbiotica tra due microrganismi, un fungo ed un’alga (o anche un cianobatterio, primi a produrre ossigeno). L’alga è l’organismo fototrofo e produce la materia organica che viene utilizzata poi dal fungo per la sua nutrizione. Il fungo, incapace di fotosintesi, fornisce un ancoraggio all’interno del quale l’alga può crescere protetta dagli agenti ambientali e secerne composti organici complessi (acidi lichenici) che favoriscono la solubilizzazione dei nutrienti necessari all’alga.

Con micorrize si riferisce all’associazione simbiotica tra le radici delle piante e i funghi. Esistono ectomicrorrize (esterne, intorno alle radici) ed endomicrorrize (il micelio del fungo penetra all’interno della radice). La pianta trae vantaggio perché migliora l’efficienza di assorbimento dei nutrienti grazie al micelio del fungo e quindi diventa più competitiva in una comunità, il fungo trae vantaggio da un costante rifornimento di nutrienti organici.

Interazioni microrganismo-uomo

All’interno o sulla superficie del corpo umano crescono numerosi microrganismi. Alcuni fanno parte della flora normale quindi sono privi di effetti dannosi, mentre altri provocano danni all’ospite e sono chiamati parassiti o patogeni. L’esito dell’interazione patogeno-ospite dipende dalla patogenicità del microrganismo e si indica con la virulenza. Con il termine virulenza si intende la capacità relativa di un microrganismo di provocare una malattia. Il parametro che identifica la virulenza si chiama LD₅₀ ed è la dose necessaria perché un agente uccida il 50% della popolazione degli animali saggiati.

La virulenza è determinata dalla tossicità e dall’invasività del microrganismo. La tossicità è la capacità di un organismo di svolgere il suo ruolo patogeno attraverso la produzione di tossine che inibiscono la funzione della cellula o la uccidono, mentre l’invasività è la capacità di un organismo di proliferare nei tessuti fino a raggiungere cariche elevate tali da inibire le funzioni dell’ospite.

Dove si trovano i microrganismi

Sono ubiquitari, ovvero dappertutto. Nel suolo, acqua, vegetali, animali e uomo. Si trovano anche negli ambienti più ostili: fondali oceanici, nei deserti… Il suolo è il più grande serbatoio di microrganismi sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo. I microrganismi all’interno del suolo si possono trovare in varie forme e svolgono un ruolo fondamentale nei cicli biogeochimici.