Riassunti Microbiologia, Modulo 1

Università di Catania

Luigi Fiorentino

Facoltà di Scienze Biologiche, L-13

Riassunti di microbiologia

Contenuti del corso

• Modulo 1
  • Microbiologia: origine ed evoluzione. Definizione; scopi ed importanza della microbiologia; i microrganismi e i loro ambienti naturali; i microrganismi come causa di malattie; gli effetti indotti dai microrganismi sulla sostanza organica ed inorganica. Il metodo scientifico: metodo induttivo-deduttivo (Galilei) e metodo ipotetico-deduttivo (Popper). Storia della microbiologia: le origini, la controversia sulla generazione spontanea e microrganismi; l’era della microbiologia generale, con la scoperta della diversità microbica; gli inizi della microbiologia moderna; l’avvento delle biotecnologie: il presente ed il futuro.
  • Tassonomia e filogenesi: l’albero della vita; le prime forme di vita; la teoria dell’endosimbiosi; la vita ad RNA; la tassonomia classica; l’orologio molecolare; come si misura l’evoluzione molecolare; il concetto di specie in microbiologia.
  • L’infinitamente piccolo va osservato per mezzo del microscopio: metodi. Il microscopio ottico; la microscopia tridimensionale: a contrasto di fase, a forza atomica, confocale; la microscopia elettronica e a fluorescenza; preparazione e colorazione dei campioni.
  • Natura del mondo microbico: struttura e funzione della cellula procariotica. Il peptidoglicano e la parete cellulare; la membrana cellulare ed i sistemi di trasporto; la membrana esterna dei Gram. Le strutture di superficie, gli annessi citoplasmatici; l’apparato di locomozione: flagelli e chemiotassi.
  • Metabolismo microbico: parte energetica. La torre biologica; gli enzimi come catalizzatori; le reazioni energetiche; la fosforilazione ossidativa.
  • Metabolismo microbico: parte biosintetica. Biosintesi, polimerizzazioni, assemblaggio; respirazione aerobica, anaerobica e fermentazioni: Glicolisi e ciclo di Krebs, via dei pentoso-fosfati, shunt dell’esoso-monofosfato.
  • Diversità metabolica: La fototrofia (fotosintesi anossigenica); la chemiolitotrofia; la fissazione dell’azoto.
  • Sviluppo e colture batteriche - La crescita microbica - Influenza dell’ambiente sulla crescita: Moltiplicazione cellulare; misura dell’accrescimento dei microrganismi; valutazione della massa accrescimento batterico; matematica dell’accrescimento batterico; curva di crescita cellulare; di una coltura batterica; crescita sincrona e metodi di sincronizzazione; colture continue; fattori che influenzano la crescita dei microrganismi; crescita dei microrganismi in ambiente naturale.
  • I metodi della microbiologia: Isolamento e coltura pura; i principi della nutrizione microbica, i terreni di coltura; la sterilizzazione; parametri chimico-fisici che regolano la crescita microbica.
  • Antibiotici: Meccanismi d’azione e meccanismi di resistenza delle principali classi.

Capitolo 1: La microbiologia, origine ed evoluzione

La scienza della microbiologia riguarda esclusivamente i microrganismi e il loro funzionamento, specialmente i batteri, un gruppo molto grande di cellule estremamente piccole ma di fondamentale importanza. La microbiologia riguarda anche la biodiversità e l’evoluzione delle cellule microbiche, in particolare, il modo e il perché una così grande varietà di microrganismi si è generata; questa disciplina non può perciò prescindere dall’ecologia che interessa l’habitat e il modo in cui questi microrganismi vivono sulla Terra, il modo in cui si associano e cooperano tra loro e come operano nel mondo, nei terreni, nelle acque, in animali e piante.

Come scienza biologica di base, la microbiologia fa uso delle cellule microbiche nello studio dei processi fondamentali della vita; in tal modo, i microbiologi hanno sviluppato una conoscenza sofisticata della sostanza chimica e delle basi fisiche della vita, allo stesso tempo, hanno imparato che tutte le cellule hanno molte caratteristiche in comune.

Come scienza biologica applicata, la microbiologia è in prima linea in molte importanti scoperte nell’uomo, nella medicina veterinaria, nell’agricoltura e nell’industria: dalle malattie infettive all’uso di fertilizzanti per il terreno finanche al carburante delle automobili, i microrganismi influenzano la vita quotidiana degli esseri umani in senso positivo e negativo.

La cellula è la più piccola parte della materia dotata di vita autonoma, è un sistema che può essere considerato molto simile ad un sistema chimico: instaura contatti continui con l’ambiente esterno con il quale, in particolare, scambia energia ed anche materia, perciò può essere ritenuto propriamente come un sistema aperto. La cellula, il nostro sistema di riferimento, scambia energia e materia con l’ambiente esterno, ossia l’universo, che dal canto suo è orientato verso il disordine.

I microrganismi esistevano sulla Terra miliardi di anni prima che apparissero piante e animali. Sebbene siano le più piccole forme di vita, i microrganismi collettivamente costituiscono la maggior parte della biomassa sulla Terra e svolgono molte reazioni chimiche necessarie per gli organismi superiori. In assenza di queste piccole cellule, forme di vita superiori non sarebbero mai apparse e non sarebbero mai potute durare nel tempo: in effetti, l’ossigeno che respiriamo è il risultato della passata attività microbica. Inoltre, gli esseri umani, le piante e gli animali sono intimamente dipendenti dalle attività microbiche finalizzate, ad esempio, al riciclaggio dei nutrienti chiave e alla degradazione della materia organica.

In natura, le cellule microbiche vivono in associazione con altre cellule: la popolazione è un gruppo di cellule derivate da una singola cellula parentale per divisioni cellulari successive. L’ambiente a stretto contatto con la popolazione microbica costituisce il suo habitat: popolazioni di cellule interagiscono con altre popolazioni nelle comunità microbiche; tuttavia l’abbondanza e la diversità di ogni comunità microbica è fortemente controllata dalle risorse (alimentazione in primiis) disponibili e dalle condizioni (temperatura, pH, presenza o assenza di ossigeno, etc.) che prevalgono in quella comunità.

Le popolazioni microbiche possono interagire l’una con l’altra in modo benefico, neutro o dannoso: ad esempio, i rifiuti metabolici prodotti da un gruppo di organismi possono essere nutrienti oppure veleni ad altri gruppi di organismi. In aggiunta, gli habitat differiscono notevolmente nelle loro caratteristiche, perciò un habitat favorevole alla crescita di un organismo può essere dannoso per un altro. Complessivamente, tutti gli organismi viventi, influenzati dalla componente fisica e chimica del loro ambiente prendono il nome di ecosistema. I maggiori ecosistemi microbici sono acquatici (oceani, stagni, laghi, corsi d’acqua, ghiacciai, sorgenti calde), terrestri (superfici e profondo sottosuolo) e altri organismi (in o su piante e animali).

Un ecosistema è fortemente influenzato dalle attività microbiche: i microrganismi che svolgono processi metabolici, sottraggono nutrienti dall'ecosistema e li usano per costruire nuove cellule ma allo stesso tempo, espellono i rifiuti nell’ambiente. Pertanto, gli ecosistemi microbici si espandono e si contraggono, a seconda delle risorse e delle condizioni disponibili e delle diverse popolazioni di organismi che possono supportare.

Nel tempo, le attività metaboliche dei microrganismi possono produrre variazioni graduali a carico dei loro stessi ecosistemi, sia chimicamente che fisicamente: per esempio, l’ossigeno molecolare (O₂) è un nutriente vitale per alcuni microrganismi ma un veleno per gli altri. Se sono aerobici (ossia utilizzano l’ossigeno), i microrganismi rimuovono l’O₂ da un habitat, rendendolo anossico (O₂-free) e tali condizioni modificate possono favorire la crescita di microrganismi anaerobici che erano precedentemente presenti nell’habitat ma impossibilitati a crescere.

In altre parole, così come le risorse e le condizioni cambiano in un habitat microbico, le popolazioni di cellule aumentano e diminuiscono, cambiando di volta in volta l’aspetto della comunità e ridefinendo l’ecosistema. Tutto questo è oggetto di studio della disciplina dell’ecologia dei microrganismi, una delle sotto discipline più interessanti della microbiologia moderna.

I microrganismi sono presenti ovunque sulla Terra ove sia possibile la vita (la sterilità, intesa come l’assenza di forme di vita in qualsivoglia campione naturale, è estremamente rara), coprono tutti gli habitat che conosciamo: il suolo, le acque, gli animali e le piante. Nel solo corpo umano, le cellule microbiche sono più numerose delle nostre cellule corporee di un fattore dieci.

In alcuni habitat microbici, gli organismi superiori non possono sopravvivere perché l’habitat è troppo caldo o troppo freddo, troppo acido o troppo caustico, troppo salato o altrimenti osmotically stressante, o include enorme pressioni. Sebbene si possa prevedere che tali "estremi" ambienti rappresenterebbero una sfida per qualsiasi forma di vita, questi habitat proibitivi sono spesso ricchi di microrganismi.

Incontreremo molti di questi organismi nei capitoli successivi e scopriremo le speciali proprietà strutturali e biochimiche che consentono loro di prosperare in condizioni estreme. Alcune stime del numero totale di cellule microbiche sulla Terra tengono in considerazione il fattore 2,5 * 10³⁰: in buona sostanza la quantità totale di carbonio presente in tutte queste cellule microbiche sarebbe pari a quella contenuta nella somma di tutte le piante sulla Terra; inoltre, il contenuto complessivo di azoto e fosforo nelle cellule microbiche supera quello di tutte le biomasse vegetali di oltre 10 volte.

Pertanto, le cellule microbiche, piccole come sono, non sono irrilevanti, anzi, costituiscono la maggior parte di biomassa sulla Terra e sono i principali serbatoi di sostanze nutritive essenziali per la vita. Vedremo in seguito che questo numero molto grande di cellule così piccole svolgono anche ruoli importanti in molti hot-button globali tra cui: le questioni come il cambiamento climatico, la produttività agricola, i carburanti e molte altre problemi di attuale importanza per l’uomo.

La maggior parte delle cellule microbiche risiede in pochi habitat molto grandi, e per quanto strano possa sembrare, la maggior parte non risiede sulla superficie terrestre ma giace nel sottosuolo oceanico e terrestre a profondità fino a circa 10 km. Diversamente dal sottosuolo, i suoli superficiali e le acque contengono una percentuale relativamente piccola rispetto alle cellule microbiche totali presenti nell’intero pianeta, persino gli stessi animali (compresi gli umani), anch’essi colonia importante dei microrganismi, collettivamente contengono solo una piccola parte della popolazione microbica totale della Terra.

Dal momento che quasi tutto ciò che sappiamo sulla vita microbica è emerso dagli studi sui microrganismi superficiali, molte nuove scoperte, probabilmente, saranno in serbo per i futuri microbiologi che indagheranno Habitat microbici (che non possiamo vedere) forse ancor più popolati degli attuali conosciuti. Nel corso degli anni i microbiologi hanno fatto passi da gigante scoprire come funzionano i microrganismi e l’applicazione di questa conoscenza ha notevolmente migliorato la salute e il benessere degli uomini.

Oltre a comprendere i microrganismi come agenti della malattia, la microbiologia ha fatto grandi progressi nella comprensione del ruolo importante che i microrganismi svolgono nel cibo e nell’agricoltura, e i microbiologi sono stati in grado di sfruttare le attività microbiche per produrre preziosi prodotti umani, generare energia e pulire l’ambiente. Le statistiche riassunte nella figura 1.8 mostrano come i microbiologi e la medicina clinica si sono combinati per sconfiggere le malattie infettive negli ultimi 100 anni: all’inizio del XX secolo, le principali cause di morte umana sono state le malattie infettive causate da agenti patogeni batterici e virali, a quei tempi bambini e anziani in particolare sono stati gravemente danneggiati da malattie microbiche.

Oggi, tuttavia, le malattie infettive sono molto meno letali, almeno nei paesi sviluppati: la gestione e la limitazione delle malattie infettive si è ottenuta da una combinazione di progressi, incluso un accrescimento non indifferente dei processi patologici, delle migliori pratiche sanitarie e di salute pubblica, delle campagne di vaccinazione attive e l’uso diffuso di agenti antimicrobici, come gli antibiotici.

Sebbene molte malattie infettive siano ora controllate, molte altre possono ancora rappresentare una minaccia, in particolare nei paesi in via di sviluppo: malattie come la malaria, la tubercolosi, il colera, la malattia africana del sonno, il morbillo, la polmonite (e le malattie che interessano le altre vie respiratorie) e le sindromi da diarrea, sono ancora comuni in quei paesi.

Inoltre, gli umani di tutto il mondo sono minacciati da malattie che potrebbero emergere rapidamente, come l’influenza aviaria o suina (per intenderci, quella soprannominata “della mucca pazza”) o la febbre emorragica da Ebola. Tutte queste sono principalmente malattie tipicamente a carico degli animali che in determinate circostanze però, possono essere trasmesse agli umani e diffondersi rapidamente attraverso una popolazione.

Aldilà della potenziale minaccia costituita da questi microrganismi patogeni, la realtà è che la maggior parte dei microrganismi non sono dannosi per l’uomo, anzi, gran parte di essi risulta vantaggiosa e in molti casi essenziale sia al benessere umano che al funzionamento del pianeta: l’agricoltura, ad esempio, trae vantaggio dal ciclo dei nutrienti da parte dei microrganismi.

Un certo numero di piante importanti di cui si nutrono gli esseri umani e gli animali domestici, sono le leguminose: queste vivono in stretta associazione con i batteri che formano strutture, chiamate noduli, sulle loro radici. Nei noduli, questi batteri convertono l’azoto atmosferico (N₂) in ammoniaca (NH₃) mediante il processo di fissazione dell’azoto, quest’ultima è la principale fonte di azoto per la crescita delle piante. La fissazione dell’azoto elimina anche la necessità per gli agricoltori di applicare fertilizzanti azotati costosi e inquinanti.

Un altro ciclo dei batteri riguarda i composti dello zolfo tossici e ossidanti come l’acido solfidrico (H₂S) ossidato a solfato (SO₄^2-) non è tossico ed è un nutriente essenziale delle piante. Di altrettanta importanza agricola, sono i microrganismi che abitano il rumine degli animali ruminanti, come il bestiame e le pecore: il rumine è un ecosistema microbico in cui grandi popolazioni di microrganismi digeriscono e fermentano il polisaccaride cellulosa, componente principale, come risaputo, delle pareti delle cellule vegetali.

Senza questi microrganismi simbiotici, i ruminanti non avrebbero potuto contare su un’alimentazione ricca di cellulosa come l’erba e il fieno; di contro, il tratto gastrointestinale (GI) umano manca di rumine e, per la gran parte, di un numero di microbi paragonabile a quello del rumine (che contiene circa 10¹¹ cellule microbiche per grammo di contenuto), a cui soltanto il colon si avvicina.

Questo tratto però, a differenza del rumine, manca, d’altro canto, di un numero significativo di microrganismi che degradano la cellulosa: i numeri relativi alla quantità di vita microbica sono bassi nello stomaco che presenta un pH acido (circa 2, con un numero di 10⁴ microbi per grammo) ma aumentano fino a circa 10⁸ per grammo nel tratto finale del tenue (a pH 5) per poi raggiungere i valori massimi nel colon (a pH 7).

I microrganismi nel colon favoriscono i processi della digestione sintetizzando determinate vitamine e altri essenziali nutrienti ma competendo anche per lo spazio e le risorse con microrganismi patogeni che potrebbero eventualmente penetrare nel tratto gastrointestinale dall’ingestione di alimenti e/o acqua contaminati; in buona sostanza, la microflora del colon aiuta anche a prevenire l’ingresso di agenti patogeni.

Se da un lato portano vantaggi in campo agricolo, i microrganismi hanno però effetti negativi sull’industria: malattie microbiche a carico delle piante e gli animali usati per l’alimentazione umana, causano gravi perdite economiche ogni danno. Non di rado un prodotto alimentare causa gravi malattie umane, come quando il patogeno Escherichia coli o la Salmonella vengono trasmessi da carne infetta, o quando, patogeni microbici vengono ingeriti con frutta e verdura fresca contaminata: possiamo concludere perciò che i microrganismi hanno un impatto significativo sull’industria agricola in entrambi i sensi, positivi o negativi.

Come sempre accade nel progresso scientifico, in quanto tale, rappresenta un lungo cammino spesso costellato di ostacoli (molti dei quali imposti dalla società), che si materializzano nelle credenze e nelle imposizioni che, una volta riconosciute, devono rimanere immutate, almeno fino a quando non vi siano delle "evidenze" sperimentali a favore di una nuova scoperta. Proprio per questo motivo, sebbene l’esistenza di creature troppo piccole per essere viste ad occhio nudo è da sempre stata sospettata, la loro scoperta dovette attendere l’invenzione del microscopio che poté fornire le prove evidenti di quel tipo di vita.

Il matematico e storico naturale inglese Robert Hooke (1635-1703) fu un eccellente microscopista: nel suo famoso libro...