Microbiologia veterinaria

Microbiologia veterinaria

La microbiologia riguarda lo studio dei microorganismi ovvero quegli organismi non visibili ad occhio nudo. Louis Pasteur fu uno dei primi a dare origine allo studio della microbiologia. Questa disciplina iniziò a sbocciare grazie allo studio di una goccia d’acqua di uno stagno e all’osservazione del deterioramento degli alimenti. Di rilevante importanza, per la microbiologia, è la tassonomia.

Procarioti e dimensioni

I procarioti sono microrganismi che presentano un nucleo rudimentale. Alcune unità di misura importanti sono:

• Micron - millesima parte di un millimetro
• Nanometro - millesima parte di un micron
• L’occhio umano non riesce a percepire cose più piccole di 0,2 mm (200 micron)
• Un batterio può essere grande circa un micron. I virus più grandi (pox virus) possono arrivare a misurare 200 nanometri (0,2 micron), mentre i virus più piccoli (parvo virus) possono arrivare a misurare 18-20 nanometri
• Angstrom - un decimo di nanometro

Il microscopio ottico può ingrandire fino a mille volte. Ma dato che l’occhio umano può arrivare a vedere solo fino a 0,2 mm, la cosa più piccola che il microscopio ottico può ingrandire è della grandezza di 0,2 micron; si tratta quindi dei batteri più grandi. Al microscopio elettronico le cose più scure sono più dense e si dice che sono colorate positivamente, essendo lo sfondo chiaro.

La cellula

Struttura della cellula (eucariota e procariota) e dei suoi organuli:

• Funzioni degli organuli

Dato che si pensa che i mitocondri derivino da una cellula procariote, il rapporto tra una cellula eucariota e una procariota è quello che c’è tra una cellula eucariota e un suo mitocondrio. Nella cellula procariota vi è un numero di strutture citoplasmatiche inferiore.

Funzioni vitali delle cellule

Le principali funzioni alle quali deve sopperire una cellula per vivere sono:

• Nutrimento
• Riproduzione

Essendo i batteri molto piccoli, se l’energia viene usata per svolgere una funzione non ne possono svolgere nessun’altra, quindi, per non far moltiplicare i batteri, bisogna impegnarli a fare altro.

Parete e plasmidi batterici

La parete batterica serve per l’interazione del batterio con un altro microrganismo. Un po’ come noi usiamo i sensi per riconoscere un’altra persona. Nell’ambito di un’azione difensiva, il primo meccanismo che si attiva è quello del riconoscimento per recettori e sentinelle; gli anticorpi funzionano tramite il meccanismo di riconoscimento. Tuttavia, esistono germi, come i micoplasmi, che non hanno la parete batterica.

I plasmidi contengono l’informazione genetica dispersa nel citoplasma.

Forme e riproduzione batterica

Le varie forme dei batteri sono:

• Cocchi (1 micron)
• Bacilli
• Coccobacilli
• Vibrio
• Spirilli
• Spirocheti
• Bacilli fusiformi

I germi si moltiplicano per gemmazione (lieviti) o per scissione binaria (2 → 4 → 8 → 16 → 32). Streptococchi sono una catena di elementi coccoidi, in seguito a scissione binaria. Stafilococchi sono grappoli di elementi coccoidi, in seguito a scissione binaria.

Utilità dei batteri

Servono alla rielaborazione della materia organica, grazie all’energia solare, in nuove molecole organiche. In un germe la respirazione cellulare avviene tramite la membrana cellulare, non essendoci i mitocondri.

Il materiale cromosomiale batterico non è racchiuso in un nucleo, ma risulterà superspiralizzato e adeso alla superficie interna della membrana citoplasmatica batterica (mesosoma). Vi sono, inoltre, i plasmidi che sono in grado di replicarsi e che contengono info NON essenziali per la vita cellulare, sono tuttavia necessari, ad esempio, per resistere agli antibiotici.

Antibiotici e micobatteri

Antibiotico significa battericida, mentre sulfamide significa batteriostatica. È possibile trovare alcuni germi altamente ricchi di lipidi, come i micobatteri (es.: Mycobacterium tuberculosis). Questi micobatteri rappresentano un agente zoonosico (es.: bovino-uomo, trasmissione tramite il latte vaccino).

Pasteur, per contrastare la TBC, pensò di fare in modo di distruggere tutti i batteri contenuti nel latte, principale via di trasmissione della TBC.

Gli acidi micolici (cere) sono lipidi presenti nella membrana, con funzione di protezione. Fuori dal citoplasma troviamo la membrana, che garantisce l’omeostasi della cellula, permette il passaggio selettivo di determinate sostanze (es.: porina). Una cellula microbica diventa resistente ad un antibiotico nel caso in cui riesca a modificare la grandezza del passaggio delle proteine canale. Sulla membrana citoplasmatica vi sono dei sistemi recettoriali, che servono a legare talune molecole (ligandi). I recettori servono a far “parlare” tra loro le cellule. Non tutti i recettori sono costantemente espressi da una data cellula; in base ai bisogni della cellula vengono espressi i recettori necessari, e quindi cambia anche l’aspetto esteriore della cellula.

Interazione e difesa batterica

I batteri, essendo come i bambini, hanno scarsa quantità di energia. Quindi, se io impegno dei germi in un qualche lavoro, posso inibire, ad esempio, la loro moltiplicazione. Le azioni d’impegno energetico corrispondono a funzioni di trasporto trans membrana.

Chemiotassi: è un esempio di tropismo delle brucelle per taluni zuccheri contenuti a livello del sistema riproduttivo femminile. Un organismo unicellulare (batterio in genere) attua la funzione di digestione (funzioni biosintetiche) al di fuori della membrana. Tutta una serie di composti tensioattivi interagiscono a livello di membrana citoplasmatica.

Parete cellulare

La parete cellulare è composta da molecole presenti esclusivamente nel mondo microbico. Ha funzione di riconoscimento molecolare, trovandosi all’esterno della cellula. Nell’ambito della sua struttura, la parete batterica permette la suddivisione in gram + (grande quantità di peptidoglicano) e gram – (poco peptidoglicano e aggiunta di membrana esterna). Gram è relativo alla colorazione.

Es.: Pallone da calcio: camera d’aria (elastica) + cuoio (rigido). Il cuoio oltre ad avere funzione di protezione ha anche quella di contenimento. Lo stesso vale per i batteri e la loro parete cellulare. All’interno delle cellule microbiche vi è un’elevata concentrazione di soluti che automaticamente alza la pressione osmotica; conseguentemente, la parete cellulare limita l’espansione e contiene le forme del batterio. (→ check peptidoglicano)

All’interno dei gram + troviamo gli acidi teicoici (legano ioni Magnesio), presenti solo nel mondo microbico; nei gram – troviamo invece i lipopolisaccaridi, anch’essi relativi solo nel mondo microbico. Se ci sono molecole microbiche al mio interno si attiva il sistema anticorpale, perché devono essere presenti solo ed esclusivamente al suo esterno.

Antigeni esterni dei gram +

I principali antigeni esterni dei gram + sono gli acidi teicoici, che nella loro differenziazione, permettono il riconoscimento di determinate molecole; e questo può avvenire sia a livello aspecifico (vengono riconosciute come molecole di origine batterica) che a livello specifico.

BCR: B-cell receptor

TCR: T-cell receptor

(BCR e TCR sono dell’organismo e non dei batteri). L’evoluzione molecolare dei BCR sono gli anticorpi.

Parete batterica dei gram (+)

È costituita fondamentalmente da ammino-zuccheri (peptidoglicano) e acidi teicoici (che fungono da recettori). La membrana esterna di un gram (-) presenta la presenza di LPS (lipopolisaccaridi → lipide A*+polisaccaride+unità ripetitiva). Le LPS sono sostanze chelanti o antibiotici policationici. Queste tipologie di sequenze glicidiche costituiscono un unicum nel mondo biologico o microbico. Anche gli LPS dei gram(-), come gli acidi teicoici dei gram(+), costituiscono gli strumenti del riconoscimento specifico degli animali.

* Il lipide A costituisce l’endotossina. E quindi, anche nel caso in cui un organismo presenti dei batteri gram (-) morti, l’organismo risulterebbe comunque tossico. (→ apirogeno = atossico)

Entero-batteri

Gli entero-batteri sono normalmente e spesso presenti nell’ambito enterico degli organismi animali così come sono normalmente diffusi nell’ambiente. Conosciamo, ad esempio, l’E. coli, la salmonella, ecc. Questi organismi possono avere diversi ruoli, come ad esempio quello commensale (mutuo scambio con l’organismo), quello patogeno o anche opportunista (batteri, che in caso di alterazione dei sistemi difensivi dell’organismo, diventano virulenti → ferita che si infetta).

Condizioni di sopravvivenza batterica

Quali sono le condizioni nelle quali un batterio può sopravvivere senza parete batterica? Perché avvenga ciò, la concentrazione dei soluti all’esterno e all’interno della cellula deve essere la stessa. Molecole endogene ed esogene potrebbero intaccare l’integrità della parete microbica. Classico esempio di molecola endogena è il lisozima; esempio di molecola esogena, invece, è la penicillina. Nel caso in cui una di queste molecole riesca ad intaccare la parete cellulare, e quindi a creare delle vere e proprie crepe negli strati di peptidoglicano, si riesce ad uccidere il batterio. Conseguentemente molecole come la penicillina hanno effetto sui gram (+) e non sui gram (-).

Nel caso in cui la demolizione della parete batterica non basti ad uccidere il batterio, ecco che avremo la resistenza al farmaco. Si verranno quindi a creare una serie di batteri fenotipicamente privi di parete batterica e resistenti ai farmaci, detti forma L; con il risultato di infezioni croniche e resistenza agli antibiotici.

Capsula batterica

Un ulteriore strato, presente all’esterno della parete microbica, è la capsula. Una delle funzioni della capsula è quella di camuffare il normale ‘aspetto’ batterio che si trova al suo interno (→ mascheramento), un’altra è quella di ancoraggio al sito o di coesione con gli altri batteri (→ adesione). Biofilm: insieme di batteri con capsula, o comunità microbica che risulta adesa ad una superficie liscia (es.: placca batterica). Questa adesione è permessa da mezzi collanti dei quali i batteri sono ricoperti. Conseguentemente, nel caso in cui si riesca ad intervenire su questi agenti collanti, si può debellare il problema o la malattia sviluppata da tali batteri. La presenza di una capsula è uno dei maggiori fattori di patogenicità dei batteri.

pH e stress ossidativo

La passata di pomodoro non va a male, nonostante non sia stata propriamente sterilizzata, perché il pomodoro di per sé è acido. Le difese mucosali sulla cute e della cute hanno difficoltà a riprodursi per la presenza di pH acido.

Stress ossidativo è lo stress dei tessuti causato da ossidazione. Tuttavia, non sempre i danni causati da ossidazione sono deleteri; basti pensare all’acqua ossigenata usata per disinfettare. Le cellule possono presentare dei sistemi di protezione nei confronti dei composti ossidanti, quali, innanzitutto, l’ossigeno. Gli organismi anaerobi non respirano ma fermentano.

Tramite catalasi l’acqua ossigenata scinde in acqua e ossigeno molecolare, per questo ha un effetto battericida. Tra i principali mezzi battericidi vi è la produzione massiva di radicali ossigenati attraverso una cascata chimica chiamata bus respiratorio. Un germe, per difendersi dall’ossigeno, cerca di trovarne substrati privi.

Tassonomia dei germi

• Aerobi obbligati
• Microaerofili
• Aerobi-anaerobi facoltativi
• Anaerobi obbligati

Per inibire l’azione degli alteranti aerobici sono varie alternative: abbasso la temperatura, metto sottovuoto...

Il miele non è nocivo, pur non essendo sterile, perché non vi è molta concentrazione di acqua libera. Il tetano si contrae in caso di ferite solo profonde, perché c’è meno ossigeno. Nel caso dei tortellini confezionati in confezioni NON sottovuoto e in frigo troviamo dell’aria anaerobica, e quindi priva di ossigeno.

Crescita batterica

La crescita batterica è una funzione matematica di tipo esponenziale dove è riassunta la crescita microbica, indicando tempo e numero di batteri:

• Y = log n. di germi
• X = tempo

Il numero dei germi viene solitamente rappresentato per potenze di dieci. La più piccola colonia visibile ad occhio nudo è di 10⁶. La moltiplicazione dei germi è una crescita di tipo esponenziale. La vera valenza dei germi è la loro capacità replicativa. I batteri più veloci impiegano 20 minuti, quelli più lenti (TBC) anche 48 ore. Il fatto di moltiplicarsi lentamente è una strategia così da non farsi riconoscere o beccare.

Quando osserviamo una crescita microbica possiamo avere due variabili:

• Numero di specie presenti (una sola specie di germi o polimicrobico)
• L’ambiente (chiuso o aperto (flussi energetici))

Facendo crescere i microrganismi su un terreno contenuto in un recipiente senza cambiarlo con terreno fresco, i microrganismi cresceranno in un sistema chiuso (coltura in batch). Senza apporto di terreno fresco, i microrganismi consumeranno i nutrienti disponibili e produrranno prodotti di rifiuto. Per questo motivo i nutrienti diminuiranno, mentre i prodotti di rifiuto si accumuleranno. Se prendiamo in esame un microrganismo, che si riproduce per scissione binaria, e lo facciamo crescere in un sistema chiuso, il numero della popolazione batterica che esso produrrà varierà nel tempo secondo cinque principali fasi:

• Fase di latenza: in questa fase il numero di microrganismi rimane pressoché costante. Questo perché il microrganismo deve adattarsi al tipo di terreno in cui è stato inoculato e ciò può durare anche diverse ore, perché i germi hanno appena subito uno stress.
• Fase esponenziale: il microrganismo si divide in maniera esponenziale con velocità di crescita costante, raddoppiando la loro popolazione a intervalli regolari (germi che stanno in salute).
• Fase di transizione: la velocità di crescita comincia a rallentare.
• Fase stazionaria: non vi è un aumento netto della popolazione microbica perché vi è equilibrio tra divisione e morte cellulare. Ciò succede per un nutriente che scarseggia, per l'accumulo di sostanze tossiche, per il pH divenuto troppo basso, e per densità della popolazione (segnalata da molecole quorum sensing).
• Fase di morte: la popolazione microbica diminuisce con un andamento logaritmo come è avvenuto per la fase esponenziale (quanti ne muoiono dipende dai germi).

Queste fasi costituiscono la curva di crescita che si ottiene ponendo su un sistema di assi cartesiani il logaritmo del numero di cellule con il tempo di incubazione. Questo per quanto riguarda un sistema microbico chiuso e monomicrobico. Esistono germi che possono presentarsi sotto forma di cellule vitali non coltivabili. Nel caso in cui avessimo a che fare con un ambiente polimicrobico entrerebbe in gioco la competizione (su più livelli) tra i vari germi. La competizione non è tuttavia sinonimo di “vince il più forte” ma può voler dire anche sinergia, organizzazione, aggregazione. Potremo quindi avere un comportamento bifasico.

Sistema chiuso:

• Monomicrobismo → provetta
• Polimicrobismo → meccanismi di competizione e sinergia (più di una curva che si sovrappongono)

Sistema aperto:

• Monomicrobico → insulina (creata con l’ingegneria molecolare, all’interno di fermentatori); vaccino contro l’epatite B → germi costantemente in fase esponenziale.
• Polimicrobico → ambiente trofico in continuo rinnovamento; es.: cavo orale; cute; mucosa, ecc.

La resistenza agli antibiotici

È un fenomeno perfettamente naturale che un organismo vivente sviluppi metodi di sopravvivenza all’interno di un ambiente ostile. Un antibiotico è una molecola battericida. Le infezioni batteriche non erano, prima dell’invenzione degli antibiotici, ben controllabili. L’utilizzo delle molecole antibiotiche è superiore nel mondo zootecnico piuttosto che in quello umano. La creazione di ceppi microbici antibiotico-resistenti troverà una sua particolare ‘fabbrica’ nel mondo zootecnico. Alla base della resistenza agli antibiotici vi è il concetto della selezione ambientale.

La resistenza degli antibiotici è la capacità dei batteri di essere indifferenti alle azioni di tali molecole. Si credeva che questa resistenza fosse frutto di uno sviluppo dovuto a mutazioni casuali, ma si è potuto notare che in realtà...