Riassunto esame Microbiologia Generale, professore Aldo Corsetti, libro consigliato "Biologia microorganismi" Brock

Microbiologia generale

Introduzione

La microbiologia è lo studio dei microrganismi.

• I microrganismi includono un gruppo di organismi microscopici (di dimensioni talmente piccole da risultare invisibili ad occhio nudo) unicellulari e virus.

Le cellule microbiche si distinguono da quelle di animali e piante perché sono entità autonome che portano avanti i processi vitali indipendentemente dalle altre cellule.

È una scienza relativamente giovane anche se:

• Il DNA della tubercolosi è stato recentemente identificato in mummie egiziane di 3.000 anni fa.
• I resti fossili delle cellule batteriche che risalgono a più di 3,5 miliardi di anni fa sono stati identificati negli stromatolitici e nelle cellule sedimentarie.

La microbiologia:

• Studia e comprende come funziona il mondo microbico, in particolare quello dei batteri.
• Studia la diversità e l’evoluzione delle cellule microbiche (come e perché sono comparsi differenti tipi di microrganismi).
• Si occupa di quello che i microrganismi fanno all’ambiente, suolo, acque, animali e piante.

La microbiologia è una scienza che ruota attorno a due temi fondamentali:

• Comprendere i fenomeni del mondo microbico
• Applicare la nostra comprensione dei processi della vita microbica a beneficio delle necessità dell’uomo e dell’ambiente.

Come scienza biologica di base: la microbiologia utilizza strumenti per scoprire la natura dei processi vitali. Dallo studio dei microrganismi gli scienziati hanno ottenuto un’ampia comprensione delle basi fisico-chimiche della vita, poiché le cellule microbiche hanno molto in comune con quelle degli organismi multicellulari inoltre possono crescere a densità elevate.

Come scienza biologica applicata: la microbiologia è al centro di molti aspetti della medicina umana, veterinaria, agricoltura, industria. Per esempio, molti microorganismi sono essenziali per la fertilità del suolo o la salute degli animali. Molti processi industriali come la produzione di antibiotici o proteine umane sono mediati da microrganismi.

Cellula microbica (caratteristiche comuni e non comuni)

La cellula è l’unità fondamentale della vita. Una singola cellula è un’entità isolata dalle altre per mezzo di una membrana (molte cellule hanno anche una parete cellulare). La membrana definisce il compartimento cellulare, mantiene le proporzioni dei componenti interni e ne previene la fuoriuscita mentre la parete fornisce sostegno strutturale. La membrana è semipermeabile e dunque la cellula è una struttura dinamica.

Le cellule possono comunicare, muoversi e scambiare materiale con l’ambiente (sono in continuo mutamento).

• Proprietà comuni a tutte le cellule:
  1. Compartimentalizzazione e metabolismo
  2. Crescita
  3. Evoluzione

Tutte le cellule hanno un compartimento e mostrano una qualche forma di metabolismo, raccogliendo nutrienti dall’ambiente e trasformandoli in nuovo materiale cellulare e prodotti di scarto. (Sistema aperto con scambio selettivo) Il metabolismo è importante perché ci fa comprendere come la cellula ottiene energia e dunque come poter utilizzare i suoi prodotti. Le capacità metaboliche della cellula possono differire in maniera radicale ma il risultato finale è sempre quello di dividersi in due cellule. In microbiologia si usa il termine crescita: aumento del numero di microrganismi in seguito a divisione cellulare.

(Le sostanze chimiche assunte dall’ambiente sono utilizzate dalle cellule per fabbricare nuove cellule attraverso la scissione binaria.)

Tutte le cellule possono evolversi (Evoluzione: progressivo accumulo di modificazioni genetiche e selezione basata sul successo riproduttivo).

Proprietà di alcune cellule.

• Motilità
• Differenziazione
• Comunicazione

Molte cellule sono capaci di motilità ovvero possono muoversi autonomamente, la motilità aiuta le cellule ad allontanarsi da condizione pericolose o cercare nuove risorse.

(Tassa: ovvero possibilità di muoversi verso qualcosa). Chemiotassi o chemiotassia: spostamento verso nutrienti. Fotassia: movimento verso la luce. Il movimento avviene grazie a particolari strutture dette flagelli. Essi hanno un movimento rotatorio e il meccanismo deriva da particolari reazioni chimiche che avvengono nella membrana chiamate forza proton-motrice (Energia associata al movimento dei protoni e sfruttata dalla cellula). I flagelli possono essere posizionati all’estremità della cellula (Monotrichi), se è presente un solo flagello (Polare) invece se vi sono due flagelli ad estremità opposte (Dipolare). Se sono presenti più flagelli collocati tutti insieme sono detti (Lofotrichi) e possono essere polari o bipolari. Se i flagelli sono tutti intorno alla cellula (Pertichi).

Alcune cellule vanno incontro a differenziazione. La differenziazione può portare a cellule differenti specializzate per la crescita o sopravvivenza. Esempio: Endospore

Alcune cellule sono in grado di comunicare rispondendo a segnali chimici presenti nell’ambiente inclusi quelli prodotti da altre cellule. Vi sono alcune sostanze dette Batteriocine in grado di uccidere i batteri, la loro produzione è regolata dalla comunicazione cellulare. Esse vengono rilasciate quando la popolazione supera un centro numero.

Popolazione, habitat ed ecosistema

In natura i microrganismi vivono in popolazioni di cellule in associazioni con popolazioni di altre specie. Una popolazione è composta da gruppi di cellule derivate da una singola cellula parentale per successive divisioni cellulari. Diverse popolazioni interagiscono tra loro e formano comunità microbiche. Possono interagire tra loro in modo vantaggioso, neutrale o dannoso. (I prodotti di scarto del metabolismo di un gruppo di organismi possono rappresentare sia un nutrimento sia un veleno per un altro gruppo.)

L’ambiente in cui vive una popolazione è detto habitat. Gli habitat possono essere molto diversi nelle loro caratteristiche. L’insieme degli organismi viventi e i componenti fisico-chimici del loro ambiente è detto ecosistema. I principali ecosistemi microbici sono acquatici, terrestri o altri organismi come piante e animali. Essi sono influenzati e a volte controllati dall’attività microbica e gradualmente modificati nel tempo.

(Esempio: L’ossigeno molecolare è un nutriente essenziale per alcuni microrganismi ma un potente veleno per gli altri. Se dei microrganismi aerobici rimuovono l’ossigeno da un habitat queste condizioni possono favorire la crescita di microrganismi anaerobi.)

Come variano le risorse e le condizioni di un habitat varia anche la popolazione microbica che modifica nuovamente l’habitat stesso.

Diffusione ed evoluzione della vita microbica

I microrganismi sono stati le prime entità sulla terra classificabili come sistemi viventi. Tutte le cellule derivano da un antenato comune chiamato LUCA, l’antenato universale comune a tutti gli esseri viventi. Successivamente, dopo che le prime cellule si sono sviluppate da materiale non cellulare attraverso un processo durato centinaia di milioni di anni, la crescita ha dato origine a popolazioni cellulari che hanno cominciato a formare comunità microbiche. L’evoluzione ha poi operato la selezione migliorando e diversificamento queste forme ancestrali fino ad arrivare alle cellule attuali.

La terra ha 4,6 miliardi di anni. I microrganismi sono stati la prima forma di vita presente sulla terra. Inizialmente la terra aveva un’atmosfera priva di ossigeno per i suoi primi due miliardi di anni (erano presenti solo azoto e anidride carbonica e pochi altri gas mentre l’ossigeno era assente). Queste condizioni erano favorevoli solamente allo sviluppo di cellule con metabolismo anaerobico (comprendono anche i metanogeni che producono metano come prodotto di scarto).

Successivamente vi furono i fototrofi organismi relativamente semplici come gli attuali batteri rossi e altri fototrofi anaerobi. I cianobatteri (fototrofi aerobi) si sono evoluti in seguito dopo che i fototrofi anaerobi hanno cominciato il processo di immissione di ossigeno nell’atmosfera terrestre. Stimolata dall’aumento di quantità di ossigeno nell’atmosfera, la vita multicellulare ha cominciato ad evolversi fino a arrivare ad animali e piante.

Gli eventi che si sono susseguiti a LUCA hanno portato all’evoluzione di tre linee principali di cellule microbiche.

• Bacteria
• Archea
• Eukarya

Si possono dividere anche in:

• Microorganismi utili (Probiotici)
• Microorganismi patogeni
• Microrganismi contaminanti

Gli attinomiceti vivono nel suolo e sono importanti per gli antibiotici, gli enteromiceti vivono nell’intestino. Clostridium Botulinium: sporigeno. Saccaromyces caeremisiae: Lievito.

Il gruppo dei funghi si divide in: Unicellulari (Lieviti) e filamentosi (Muffe). Le cellule si uniscono insieme formando dei filamenti detti ninfee che poi aggregandosi formano il nucleo.

I microrganismi sono ovunque intorno a noi. Il numero totale sulla terra è stimato nell’ordine di 2,5x 10³⁰ cellule. Costituiscono la frazione più abbondante della biomassa della terra ed una fondamentale riserva di nutrienti essenziali per la vita. La maggior parte vive in pochi grandi habitat (non sulla crosta terrestre) bensì sottoterra o nelle profondità degli oceani.

I settori della microbiologia

Le aree di competenza di tale scienza devono essere stabilite non solo considerando le dimensioni dell’oggetto di studio ma anche le tecniche utilizzate (microscopia, sterilizzazione, impiego di terreni di coltura).

• Microbiologia generale (Biologia dei microrganismi)
• Microbiologia medica
• Microbiologia veterinaria
• Microbiologia agraria
• Microbiologia degli alimenti
• Microbiologia ambientale
• Microbiologia industriale
• Igiene degli alimenti

La microbiologia ha contribuito a migliorare sia la salute sia la qualità della vita dell’uomo. Ha fatto molti progressi nel comprendere il ruolo dei microrganismi nell’alimentazione, agricoltura, e nell’ambito umano. All’inizio del XX secolo la principale causa di mortalità era rappresentata dalle malattie infettive causate da microrganismi (patogeni). Oggi almeno nei paesi industrializzati le malattie infettive hanno un tasso di mortalità molto più basso. Il controllo delle malattie infettive è stato il risultato della comprensione del processo infettivo e degli agenti antimicrobici come gli antibiotici.

Il riciclo di nutrienti dovuti all’attività microbica è un grande vantaggio per l’agricoltura.

(Esempio: leguminose vivono in stretta associazioni con specie batteriche azoto-fissatori che fungono da fertilizzanti. Altri gruppi microbici sono quelli che intervengono nel processo digestivo di animali ruminanti.)

I microrganismi ovviamente possono avere effetti benefici ma anche dannosi. In alcuni casi prodotti alimentari contaminati possono causare gravi malattie (Esempio: Escherichia coli, salmonella). Svolgono un ruolo importante anche in aree dell’industria alimentare come nel deterioramento, nella sicurezza e produzione degli alimenti. L’inscatolamento e il congelamento sono tutti processi messi a punto per preservare il cibo dal deterioramento causato dai microrganismi. Però non tutti sono dannosi (esempio molti prodotti caseari come formaggi, burro e yogurt sono prodotti dall’attività microbica). Alcuni microrganismi producono biocarburanti. Il gas naturale è un prodotto della degradazione anaerobica di materia organica da parte di microrganismi metanogeni.

Tecniche principali

• Sterilizzazione
• Terreni di coltura
• Microscopia

Sterilizzazione

Sterilizzazione consiste nell’applicazione di una temperatura di 121º gradi per 15 minuti. Si utilizza l’autoclave perché al suo interno c’è sovrappressione. (Si porta a ebollizione l’acqua, il vapore aumenta e non potendo uscire, cresce la temperatura).

UHT (Ultra-high-temperature): Si sterilizza a 150º per 2-3 secondi.

Pastorizzazione: Trattamento termico a 60º per 30 minuti, è un trattamento di risanamento ovvero non elimina tutti gli organismi ma solo quelli patogeni. (Elimina microrganismi della tubercolosi)

HTST (High-temperature-short-time): 75º per 15 secondi. Minore è il tempo di esposizione alle alte temperature e più vengono mantenute le proprietà del prodotto.

Terreni di coltura

I terreni di coltura al momento della preparazione devono essere sterilizzati. Condizione asettica: lavorare in condizioni di sterilità.

Radici storiche della microbiologia: Hooke, Leeuwenhoek e Cohn

La scoperta di creature invisibili ad occhio nudo è legata all’invenzione del microscopio. Robert Hooke fu un eccellente microscopista e descrisse i corpi fruttiferi delle muffe ma la prima persona che vide i batteri fu Leeuwenhoek (1632-1723), mercante di tessuti e costruttore amatoriale di microscopi (singola lente con una risoluzione di circa 300 ingrandimenti). Egli riuscì a vedere batteri ('animalcules') mentre studiava infusioni di acqua e pepe grazie ad un'attenta manipolazione, agendo continuamente sul fuoco. Queste osservazioni furono in seguito confermate da altri scienziati.

Ma solo tra la metà e la fine del XIX secolo furono fatti importanti progressi nella nuova scienza della microbiologia e si iniziò a porre delle domande essenziali:

1. Esisteva la generazione spontanea?
2. Quale era la natura delle malattie infettive?

La risposta emerse dal lavoro di due grandi scienziati: Louis Pasteur e Robert Koch ma un contributo ci fu anche da parte di Cohn. Cohn studiò le piante unicellulari (le alghe) e i batteri, era molto interessato allo studio delle forme batteriche resistenti al calore, ciò lo portò alla scoperta del processo di formazione delle endospore, egli descrisse l’intero ciclo del batterio sporigeno Bacillus ed introdusse semplici accorgimenti per evitare la contaminazione di terreni di coltura sterili.

Pasteur e il crollo della teoria della generazione spontanea

Pasteur fu uno dei primi a riconoscere l’importanza degli isomeri ottici. Una molecola è definita otticamente attiva se è in grado di deviare la luce polarizzata in un’unica direzione. Egli scoprì che la muffa Aspergillus metabolizzava solo l’acido D-tartarico che devia la luce verso destra. Il fatto che la muffa fosse in grado di discriminare tra due isomeri ottici fu molto importante, egli cominciò a vedere gli organismi viventi come entità simmetriche.

Questo pensiero influenzò Pasteur nel lavoro sulle fermentazioni ma anche in quello sulla generazione spontanea. Fu invitato a studiare il processo di formazione alcolica che prima veniva considerato strettamente chimico ma successivamente, tramite l’esperienza accumulata, fu da lui definito come un processo biologico catalizzato da organismi viventi: cellule di lievito.

Da queste basi, Pasteur cominciò una serie di esperimenti sulla generazione spontanea. Il concetto di generazione spontanea esisteva fin dai tempi della Bibbia. L’idea base della teoria aveva le radici nella vita quotidiana. (Esempio: Il cibo lasciato all’aria per un certo periodo andava in putrefazione e se esaminato risultava brulicante di batteri ecc.) La domanda principale era: Da dove venivano questi organismi visto che non erano stati osservati nel cibo fresco? Molti scienziati credevano che essi apparivano spontaneamente da materiale non vivente per generazione spontanea.

Nel diciottesimo secolo Francesco Redi eseguì un famoso esperimento per verificare se fosse possibile la generazione spontanea delle larve di mosca; egli collocò della carne avariata in una serie di barattoli, alcuni chiusi da un coperchio, altri coperti da una garza e altri ancora lasciati completamente aperti, in questo modo riuscì a dimostrare che le larve nascevano solo nei barattoli in cui le mosche avevano potuto depositare le uova.

Lazzaro Spallanzani scoprì che contenitori contenenti infusi organici sigillati ermeticamente e sottoposti a un trattamento termico rimanevano sterili e solo a lievi fratture del vetro seguiva la crescita microbica.

François Appert affermò che alimenti deperibili chiusi in contenitori ermetici con un adeguato trattamento termico diventavano stabili a temperatura ambiente grazie alla distruzione dei microrganismi.

Pasteur fu uno strenuo oppositore della teoria sulla generazione spontanea e grazie a numerosi esperimenti scoprì che:

1. I microrganismi possono essere presenti su materia inanimata: solidi, liquidi, aria.
2. I microrganismi sono distrutti dal calore.
3. È possibile sviluppare sistemi tali da prevenire l’accesso di microrganismi ai nutrienti (Tecniche di asepsi).

Vi furono numerose critiche a Pasteur perché dichiararono che era necessaria aria fresca e per motivi inerenti alla bollitura l’aria al interno della fiasca non consentiva la putrefazione. Egli superò brillantemente le obiezioni con un esperimento che utilizzava una fiasca a collo di cigno.