Riassunto esame aiuto compiti, docente Sacco Margherita, libro consigliato Biologia dei microrganismi - Volume 1 Brock, Microbiologia generale, Madigan, Martinko

Microbiologia generale – Margherita Sacco Metabolismo

Assunzione di sostanze chimiche dall’ambiente,

1. Microrganismi e Microbiologia loro trasformazione all’interno della cellula ed

Come scienza biologica di base, la microbiologia offre strumenti per sondare la natura eliminazione dei prodotti di rifiuto nell’ambiente.

La cellula è un sistema aperto.

dei processi vitali. Le cellule microbiche possono crescere in densità molto elevate nelle Cellula

colture di laboratorio, e sono quindi facilmente utilizzabili per studi biochimici e genetici.

Come scienza biologica applicata, la microbiologia si occupa di problemi pratici di grande

importanza: gran parte delle malattie infettive sono a eziologia (causa) microbica, inoltre

i microrganismi svolgono anche un ruolo fondamentale per la fertilità del suolo e per Ambiente

l’allevamento del bestiame. Riproduzione

In assenza dei microrganismi, nessun’altra forma di vita avrebbe potuto apparire o Le sostanze chimiche assunte dall’ambiente sono

sopravvivere. I microrganismi esistevano sulla Terra già miliardi di anni fa. La loro enorme utilizzate dalle cellule per fabbricare nuove cellule.

diversità è responsabile delle loro molte proprietà. Essi hanno stabilito delle relazioni

talvolta utili, talvolta dannose, con gli organismi superiori. Differenziamento

Formazione di una nuova struttura cellulare, come

La cellula, unità fondamentale della vita, è separata dall’esterno da una membrana, e per esempio una spora, generalmente nell’ambito

del ciclo di vita cellulare. Spora

contiene al suo interno strutture chimiche e subcellulari, compartimentalizzate. Tutte le

cellule sono costituite da almeno quattro elementi chimici: proteine, acidi nucleici, lipidi

e polisaccaridi. Ogni cellula è caratterizzata da una serie di strutture comuni: una Comunicazione

membrana cellulare, al cui interno è contenuto il citoplasma, il nucleo o nucleoide, in cui Le cellule comunicano o interagiscono soprattutto

per mezzo di sostanze chimiche rilasciate

è contenuto il materiale genetico, e i ribosomi, ossia strutture deputate alla sintesi di nell’ambiente o assunte da questo.

proteine.

Un essere vivente ha delle caratteristiche precise per poter essere definito tale: ognuno

ha delle organizzazioni subcellulari deputate al metabolismo, alla riproduzione, e al

differenziamento/evoluzione. Tutte le cellule comunicano tra loro, rispondendo a segnali

chimici, e si muovono, grazie a particolari organelli.

Le cellule possono essere considerate come macchine chimiche, in grado di trasformare Mobilità

Gli organismi viventi sono spesso in grado di

elementi all’interno della cellula stessa, oppure come strumenti codificanti, che muoversi autonomamente.

immagazzinano e processano informazioni genetiche. La crescita cellulare è l’unione di

questi due modelli di cellula. Ogni cellula cresce e si riproduce, replicando il proprio

patrimonio genetico e dividendolo tra le due cellule figlie.

Dato che tutte le cellule sono tra di loro simili, si ipotizza che possano avere tutte un Evoluzione

antenato universale. La prima cellula si dovrà essere formata da una struttura Le cellule evolvono e acquisiscono nuove proprietà

biologiche. Gli alberi filogenetici mostrano le

protocellulare. Attraverso miliardi di anni di evoluzione, poi, è sorta l’enorme diversità di relazioni evolutive tra cellule.

cellule che abbiamo oggi. Nuove specie

Cellula

ancestrale

Le cellule vivono in natura sotto forma di

popolazioni, ossia un agglomerato di

cellule cooperanti. Il luogo in cui queste Nuove specie

popolazioni vivono prende il nome di

habitat. Raramente ogni popolazione

vive in modo individuale, ma tende a convivere ed interagire con altre

popolazioni, andando a creare una comunità. Lo studio dei microrganismi,

delle popolazioni e delle comunità, prende il nome di ecologia microbica.

Una popolazione interagisce in modo utile o dannoso verso l’altra

popolazione. Gli habitat sono tra loro molto diversi: un habitat che è consono alla vita di una particolare popolazione, può

essere dannoso per un’altra. Considerando le popolazioni e l’habitat in cui vivono, il complesso prende il nome di ecosistema.

Le proprietà di un ecosistema sono sotto lo stretto controllo della popolazione microbica, che può quindi addirittura farlo

cambiare.

Le cellule procariotiche, nonostante le loro ridotte dimensioni, costituiscono la maggior parte della biomassa della Terra. Esse

vivono solo in minor parte sulla crosta terrestre: la maggior parte vive sottoterra o nelle profondità oceaniche.

L’origine della Terra risale a circa 4,5 miliardi di anni fa. Sulla Terra le rocce più

antiche sono databili a circa 4 miliardi di anni fa, e sono di diverso tipo:

sedimentarie, vulcaniche e carbonacee. Su queste cellule sono presenti

microfossili, ossia fossili delle prime cellule microbiche. Nelle rocce risalenti a

circa 3,5 miliardi di anni fa, sono abbondanti i fossili i stromatoliti, ossia fossili

stratificati di natura microbica, formati da batteri fototrofi filamentosi.

L’atmosfera primordiale era priva di ossigeno. Erano presenti, invece, altri gas,

tra i quali il metano, l’anidride carbonica, l’azoto e l’ammoniaca.

Le temperature, inoltre, erano molto più alte di quelle della Terra attuale, e ciò suggerisce che i primi batteri siano stati

termofili, come quelli oggi presenti nelle sorgenti termali.

L’atmosfera riducente ha consentito la sintesi, da parte dei batteri, di molecole biologiche. Questa sintesi necessitava di un

catalizzatore, quasi sicuramente rappresentato dall’argilla o dalla pirite, che forniscono un ambiente secco, sia per la sintesi

che per l’accumulo di molecole organiche.

Uno degli obiettivi dei micro biologi è quello di Agricoltura Cibo

comprendere come operano i micro organismi e

trovare modalità per aumentarne gli effetti benefici N fissazione (N →2NH ) Conservazione del cibo (calore,

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e ridurne quelli dannosi. basse temperature, radiazioni,

Ciclo dei nutrienti

Le malattie infettive sono causate da patogeni. Oggi, sostanze chimiche)

nei paesi industrializzati, alle malattie infettive è

associato un tasso di mortalità molto più basso. Il Cibi fermentati

controllo delle malattie infettive è stato il risultato di

una completa comprensione del processo infettivo.

Le malattie infettive costituiscono, però, ancora la Additivi alimentari (glutammato

Zootecnia monosodico, acido citrico, lievito)

principale causa di morte in molti paesi in via di

sviluppo. Tuttavia, la maggior parte dei

microrganismi non sono dannosi per l'uomo, bensì

benefici. Cellulosa → CO + CH + proteine animali

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Tutto il nostro sistema dell'agricoltura dipende in Rumine

gran parte dalle attività microbiche. Ad esempio,

uno dei maggiori raccolti è rappresentato dalle

leguminose, piante che vivono in stretta Energia/Ambiente

Malattie

associazione con una specie batterica che forma alle

loro radici strutture chiamate noduli. Altri gruppi Identificazione di Biocombustibili

microbici di fondamentale importanza in agricoltura nuove malattie Fermentazione

sono quelli che intervengono nel processo digestivo Grano Etanolo

degli animali ruminanti. Questi animali hanno uno Trattamento, cura e

prevenzione

speciale organo digestivo, chiamato rumine, nel Biorisanamento

Fuoriuscite di

quale i micro organismi compiono il processo petrolio

digestivo della cellulosa, il maggiore componente Contaminanti

organici

delle piante. Bioestrazione

I microorganismi svolgono inoltre un ruolo chiave nel

riciclaggio di importanti nutrienti per la nutrizione

delle piante, in particolare carbonio, azoto e zolfo.

I microrganismi ricoprono una funzione Biotecnologie

fondamentale nell'industria alimentare. L'industria

alimentare prepara gli alimenti in modo che non

vengano danneggiati dai microrganismi. Inoltre Organismi geneticamente modificati

esistono delle malattie infettive di origine Produzione di farmaci (insulina e altre

alimentare. Tuttavia, non tutti i microrganismi sono proteine umane)

dannosi per gli alimenti o per coloro che se ne

nutrono. Per esempio i prodotti caseari vengono Terapia genica per alcune malattie

lavorati dall'attività di alcuni microrganismi. I correzione della

persona

prodotti da forno sono il risultato dell'attività malata lesione genica

fermentativa dei lieviti, così come le bevande

alcoliche.

Per quanto riguarda l'energia, i micro organismi svolgono un ruolo primario. Gran parte del gas naturale metano è un

prodotto dell'attività microbica da parte dei batteri metanogeni. I microrganismi fototrofi possono immagazzinare energia

luminosa per produrre biomassa. I microrganismi possono essere utilizzati nel trattamento di composti inquinanti prodotti

dalle attività umane, processo definito biorisanamento. La grande diversità microbica presente sulla terra contiene in sé la

soluzione per tutta una serie di problemi ambientali.

Le biotecnologie si riferiscono all'uso di microrganismi in processi industriali di larga scala. Le biotecnologie sono fortemente

dipendenti dall'ingegneria genetica, la disciplina che si occupa della manipolazione artificiale dei geni e dei loro prodotti. I

geni possono essere suddivisi in unità minori e modificati in varia maniera usando i microrganismi e i loro enzimi. Per esempio,

l'insulina umana, un ormone in genere sintetizzato a bassissimo livello nei pazienti diabetici, può essere prodotto

microbiologicamente inserendo il gene umano dell'insulina ingegnerizzato in un microrganismo. Come ha avuto modo di dire

uno dei fondatori della micro biologia, lo scienziato francese Louis Pasteur: "Il ruolo dell'infinitamente piccolo, in natura, è

infinitamente grande". La microbiologia ha cominciato il suo reale sviluppo solo nel secolo XIX. La

scoperta dei micro organismi e legata all'invenzione del microscopio. Robert

Hooke descrisse i corpi fruttiferi delle muffe nel 1664, ma la prima persona che

vide i batteri fu Antoni van Leeuwenhoek. Nel 1684 egli usò un microscopio

estremamente semplice per esaminare il

contenuto microbico di una serie di sostanze

naturali. Egli scoprì i microrganismi nel 1676,

mentre studiava alcuni infusi. Il chimico francese

Louis Pasteur e il medico tedesco Robert Koch

diedero significativi contributi alla risoluzione di

queste importanti questioni: la generazione spontanea e la natura delle malattie infettive. Il

botanico tedesco Ferdinando Cohn è considerato il fondatore della odierna batteriologia.

Ferdinand Cohn iniziò i suoi studi come botanico e il suo interesse verso la microscopia lo porto

a studiare le piante unicellulari e successivamente i cianobatteri. Cohn credeva che tutti i batteri

fossero membri del regno vegetale. Egli si appassionò allo studio delle forme batteriche

resistenti al calore, che lo portò alla scoperta del processo di formazione delle endospore. Egli

continuò a studiare i batteri, contribuendo allo sviluppo della batteriologia e ponendo le basi

per uno schema di classificazione dei batteri. Tra la metà e la fine del XIX secolo si è assistito al grande sviluppo

delle scienze microbiologiche: crollava la teoria della generazione

spontanea e si metteva a punto la tecnica delle culture pure.

Il concetto di generazione spontanea esisteva fin dai tempi della

Bibbia. Uno degli oppositori fu il chimico francese Louis Pasteur.

In primo luogo dimostrò che nella aria erano presenti strutture

molto simili ai microrganismi trovati nel materiale in putrefazione.

Importante fu il suo esperimento: Pasteur introdusse in un

pallone di vetro col collo lungo (collo di cigno), un brodo nel quale

in apparenza si generavano “spontaneamente” dei

microrganismi. Piegò a “S” il collo del pallone, in modo da

consentire l’ingresso dell’aria, ma impedire la contaminazione del

brodo da parte della polvere e dei batteri in essa presenti. Fece

poi bollire il brodo contenuto nel pallone di vetro, in modo da

uccidere tutti i microrganismi eventualmente presenti nel brodo

e nel collo del recipiente. Lasciato raffreddare, Pasteur constatò

che il brodo non aveva generato batteri. Dunque non esiste una

generazione spontanea di microrganismi, che provengono invece

dalla polvere. Pasteur dedusse conseguentemente che, trattando

l'alimento in modo da distruggere ogni organismo vivente

responsabile della sua contaminazione, cioè rendendolo sterile, si

sarebbe potuto ovviare alla putrefazione. Avendo già avuto modo

di osservare che il calore era in grado di uccidere gli organismi

viventi, egli lo usò per eliminare i contaminanti. L'uccisione di

batteri e gli altri microrganismi all'interno di un processo chiamato

oggi sterilizzazione. Anche le tecnologie alimentari hanno un

debito nei confronti di Pasteur, in quanto i suoi principi sono stati

applicati al confezionamento e alla conservazione di molti

prodotti: pastorizzazione. Egli sviluppò vaccini per il colera e la

rabbia.

La dimostrazione che i microrganismi fossero responsabili di malattie diede un fortissimo impulso agli studi microbiologici.

Soltanto il contributo del medico Robert Koch concettualizzò chiaramente la teoria microbica delle malattie e le diede i

necessari supporti sperimentali. Attraverso esperimenti ulteriori Koch provò che i microrganismi potevano essere coltivati in

brodi nutrienti al di fuori dell'ospite e anche dopo numerosi trasferimenti in coltura i batteri potevano causare la malattia

originaria se re inoculati in un animale.

Sulla base di questi e di numerosi altri esperimenti egli formulò i

postulati di Koch, necessari per approvare che un determinato

microrganismo è responsabile di una specifica malattia:

• Il microrganismo deve essere costantemente presente negli

animali che soffrono della malattia e non deve essere presente

negli organismi sani;

• Il microrganismo deve essere coltivato in una coltura pura al di

fuori dell'organismo ospite;

• Questa coltura pura, se inoculata in un animale suscettibile,

devi dare i sintomi caratteristici della malattia;

• I microrganismi devono venire re isolati da un animale da

esperimento infettato e coltivati in laboratorio, dimostrando di

essere identici all'organismo originale.

Tali scoperte hanno portato allo sviluppo di trattamenti terapeutici di

successo per la prevenzione e la cura di molte malattie infettive.

Per poter associare un particolare tipo di microrganismo a una

determinata infezione, è necessario che esso venga isolato in coltura ed

è altrettanto necessario che questa sia pura. Egli ipotizzò che ogni

colonia derivasse da una singola cellula batterica che, sulla superficie,

aveva trovato le condizioni nutrizionali per crescere e moltiplicarsi.

In altre parole, ogni colonia rappresentava una coltura pura. Egli ideò

poi delle soluzioni di solidificazione sempre più uniformi e riproducibili

come la gelatina e, più tardi, l'agar: esso è la gente solidificante oggi più

usato.

La sua più grande realizzazione riguardo alla scoperta della gente

eziologico della tubercolosi. Il bacillo tubercolare è molto difficile da

colorare per la grande quantità di lipidi cerosi presenti sulla sua

membrana esterna. Egli mise tuttavia appunto una colorazione speciale per identificare questo microrganismo: la colorazione

di Ziehl-Nielsen, ancora oggi usata per colorare i microrganismi acido-resistenti. Tuttavia capì che la sola identificazione di un

microrganismo associato alla tubercolosi non era sufficiente e che avrebbe dovuto coltivarlo dalle lesioni della malattia

stessa. Una volta isolato è stato per lui relativamente facile dimostrare l'eziologia della tubercolosi. Per questo importante

contributo sulla tubercolosi, Robert Koch ricevette il premio Nobel per la medicina nel 1905.

Durante i secoli 19º e 20º, dalla microbiologia si sono sviluppate le varie sotto

discipline che hanno portato alla nascita della presente era, quella della micro

biologia molecolare. Questo periodo e gli anni successivi hanno rappresentato

l'epoca di maggiore sviluppo della microbiologia generale.

Martinus Beijerinck fu professore negli ultimi anni della sua carriera, ma agli inizi

affrontò studi di botanica e cominciò la sua carriera microbiologica studiando la

microbiologia delle piante. Il suo più grande contributo è stato quello di aver

formulato il concetto di cultura di arricchimento. Egli propose un metodo selettivo

di isolamento in cui venivano favoriti i gruppi microbici specifici rispetto ad altri. In

questo modo isolò in coltura pura un certo numero di microrganismi del suolo e di

origine acquatica. Egli dimostrò che l'agente infettivo, un virus, non era un batterio

ma qualcosa che entrava nelle cellule della pianta ospite e richiedeva che la pianta

stessa fosse vitale per riprodursi.

Egli era molto interessato alla microbiologia del suolo. Dimostrò che i batteri

possono essere importanti agenti biogeochimici. Propose il concetto di

chemiolitotrofia, cioè l'ossidazione di composti inorganici accoppiata alla

conservazione di energia. Dagli studi del processo chemiolitotrofico di nitrificazione,

concluse che i microrganismi responsabili, i batteri nitrificanti, utilizzavano come

fonte di carbonio la CO2. Su questa base ipotizzò che questi organismi fossero

autotrofi, chiamati ora chemiotrofi.

Nel XX secolo la microbiologia si è sviluppata come scienza di base e

come scienza applicata. I progressi pratici dovuti a Koch hanno portato

a miglioramenti notevoli nella microbiologia medica e nell'immunologia.

Altri rapidi progressi si sono avuti nella microbiologia agraria per merito

delle scoperte di Beijerinck. Successivamente gli studi di microbiologia

del terreno hanno contribuito alla scoperta degli antibiotici e di altri

prodotti chimic