Genetica Batterica: importanza, struttura e patogenicità dei batteri

Importanza dei batteri

E' importante studiare i batteri in quanto siamo circondati da questi ultimi: i batteri sono presenti nell'ambiente che ci circonda ma anche all'interno del nostro organismo e sulla sua superficie. Circa 1500 specie batteriche sono patogene per l'uomo e altre specie batteriche lo sono per gli animali e per i vegetali: nell'uomo una morte su 8 è casuata da infezioni batteriche. Per microbiota si intende la popolazione di microrganismi (batteri, funghi, prozoi e virus) che colonizza un ambiente o un organismo in un determinato tempo: si tratta quindi di una popolazione eterogenea. Per microbioma si intende invece la totalità del patrimonio genetico espresso dal microbiota: tramite il sequenziamento del DNA si può individuare il microbioma dei microrganismi presenti in un determinato ambiente o in un determinato organismo. La metagenomica è una branca della genomica che si occupa di sequenziare in modo passivo il DNA di microrganismi presenti in un determinato ambiente o in un determinato organismo tramite l'utilizzo di tecnologie di sequenziamento di nuova generazione. Sequenziando il DNA si possono individuare delle molecole che permettono di risalire all'insieme di microrganismi: ad esempio si sono svolti studi per individuare i microrganismi presenti nelle macchinette del caffè. Un altro studio è stato svolto nel 2017 da alcuni ricercatori, i quali sono andati nei dormitori di un college americano e hanno sequenziato il DNA presente nei filtri dell'aria condizionata risalendo all'elenco delle specie batteriche nei diversi ambienti analizzati. In questo studio si è osservato che è presente un microbiota diverso a seconda che gli occupanti della stanza fossero di sesso maschile o di sesso femminile. L'organismo umano è popolato in modo massiccio da diverse specie batteriche: nel 2014 alcuni ricecatori hanno stimato che per ogni cellula eucariotica del nostro corpo sono presenti circa 10 cellule batteriche: siamo quindi costituiti maggiormente da batteri che da cellule. Studi successivi hanno accurato la stima: vi sono circa 37.2 trilioni di cellule mentre il numero di batteri è di circa 100 trilioni: per ogni cellula umana sono quindi presenti circa 3 cellule batteriche.

Vantaggi della genetica batterica

L'analisi genetica sui batteri presenta una serie di vantaggi rispetto a quella su piante e animali multicellulari:

• Ogni nuova generazione di batteri è prodotta nel giro di minuti piuttosto che in settimane o mesi: nel caso di Escherichia Coli, in condizioni di crescita ottimali, una duplicazione avviene circa ogni 20 minuti.
• I batteri sono facili ed economici da propagare in numero elevatissimo in condizioni controllate di laboratorio: la ricerca scientifica ha dei costi molto elevati, mentre con i batteri i costi sono relativamente controllati.
• Singoli individui di queste popolazione sono geneticamente identici in quanto ogni popolazione è un clone di cellule geneticamente identiche: si ottiene quindi una popolazione di cellule clonate che derivano per scissione binaria da un'unica cellula originaria e contengono perciò il medesimo patrimonio genetico.

Cromosoma batterico

La cellula batterica è molto più semplice rispetto alla cellula eucariotica in quanto non presenta organelli e quindi neanche il nucleo: il materiale genetico è quindi libero nel citoplasma. Gran parte dell'informazione genetica dei batteri è contenuta in un'unica molecola di DNA circolare a doppio filamento: la sua dimensione varia in funzione della specie batterica considerata e all'interno della stessa specie batterica la dimensione del genoma può variare notevolmente. Si tratta di una molecola di DNA lunga alcuni milioni di nucleotidi, pari a circa 1 mm, codificante per migliaia di geni: tale molecola si deve compattare all'interno di una cellula dell'ordine dei micron e si addensa perciò a formareuna struttura detta nucleoide. La molecola di DNA prende contatto con un ripiegamento della membrana plasmatica, cioè il mesosoma, che serve per la duplicazione del DNA e per la divisione cellulare affinchè le molecole di DNA si dividano correttamente nelle 2 cellule figlie. I genomi procariotici hanno la dimensione di qualche milioni di nucleotidi: il genoma batterico più grande conosciuto è di circa 13 milioni di nucleotidi e la dimensione del genoma di Escherichia Coli è dell'ordine di 4.5 milioni di nucleotidi e codifica per circa 600 proteine diverse. Molto spesso vengono attuati studi su batteri con genomi relativamente piccoli con lo scopo di definire l'informazione genetica e genomica minima per poter vivere sul pianeta. Nel 1995 venne sequenziato il primo genoma batterico: JGI GOLD è un database che elenca tutti gli organismi il cui genoma è stato sequenziato. Sono stati necessari circa 6 anni di lavoro da parte di un consorzio europeo per sequenziare per la prima volta il genoma di Escherichia Coli. Al giorno d'oggi è molto più veloce sequenziare i genomi e inoltre i ricercatori sono molto interessati al sequenziamento dei batteri: più della metà dei progetti di sequenziamento dei batteri sono svolti con interesse biomedico, altri per finalità relativa all'agricoltura, all'ambiente, all'evoluzione e all'indiustria. Il genoma umano ha invece le dimensioni di circa 3 miliardi di nucleotidi.

Escherichia coli e crescita batterica

Escherichia coli è una delle specie principali di batteri che vivono nella parte inferiore dell'intestino di animali a sangue caldo, come uccelli e mammiferi (incluso l'uomo): si instaura una sorta di simbiosi tra il batterio, che si riproduce a spese dell'organismo che ospita e in cambio tale batterio produce delle vitamine del complesso B e del complesso K utili per l'alimentazione e per la corretta digestione del cibo. Escherichia coli è un microrganismo a forma di bastoncello gram negativo: usando una determinata colorazione si possono distinguere i batteri gram positivi e i batteri gram negativi in funzione della struttura della loro parete batterica. In particolare i batteri gram positivi hanno una parete batterica ricca di peptidoglicani, mentre i batteri gram negativi hanno una parete batterica contenente solo circa il 20% di peptidoglicani. Il ceppo wildtype K12 di Escherichia coli ha un genoma di circa 4.6 Mb che codifica per circa 4300 geni. I batteri, come Escherichia coli, possono crescere in un terreno liquido o sulla superifice di terreni solidi: il terreno minimo di coltura è formato tipicamente da acqua, fonti di azoto, fonti di carbonio e sali minerali e consente la crescita di ceppi batterici wild type, cioè ceppi batterici che sono in grado di sintetizzare tutto ciò che è necessario per la vita del batterio stesso. In condizioni ottimali Escherichia coli si può dividere ogni circa 20 minuti: se si ha quindi a disposizione un terreno di coltura sterile basta inserire in esso una singola cellula batterica per far sì che nel giro di una notte, dopo aver messo in agitazione tale provetta alla temperatura di 37 gradi, si ottengano circa 109 cellule per ml (cioè un miliardo di cellule per ml). Per far crescere i batteri sulla superifice di terreni solidi si usa solitamente un terreno liquido in cui viene aggiunto l'agar, cioè un polisaccaride che viene estratto dalle alghe: il tutto viene versato in piastre Petri di vetro, le quali sono state sostituite con il tempo da delle piastre di plastica usa e getta. In particolare si prende una coltura liquida batterica all'interno della quale si inserisce un'ansa sterile, solitamente costituita da un filo di platino: grazie all'ansa sterile si distribuisce il piccolo volume sulla piastra Petri. Ciascuna delle colonie batteriche è composta da milioni di batteri, ciascuno identico al batterio che era stato inizialmente depositato sulla piastra. Al giorno d'oggi non si usano più le anse di platino in quanto sono molto costose bensì si usano bastoncini di plastica sterili usa e getta oppure degli stuzzicadenti sterilizzati.

Analisi genetica dei batteri

L'analisi genetica richiede l'analisi di mutanti e in particolare le 3 principali tipologie di ceppi mutanti sono:

• I mutanti per la resistenza ad antibiotici: sono batteri che hanno sviluppato resistenza a determinati antibiotici.
• I mutanti nutrizionali: sono batteri che presentano delle mutazioni che impediscono loro di sintetizzare delle molecole necessarie per la loro stessa crescita.
• I mutanti per la sorgente di carbonio: sono batteri che non sono in grado di usare una determinata fonte di carbonio per la loro crescita e appartengono in parte ai mutanti per la resistenza agli antibiotici.

Nomenclatura fenotipi e genotipi mutanti

Il fenotipo dei ceppi mutanti viene indicato con 3 lettere: la prima lettera è una lettera maiuscola e presenta un apice + o - ad indicare la presenza o meno di quel particolare fenotipo oppure presenta l'apice con la lettera s o r ad indicare la sensibilità o la resistenza ad un determinato antibiotico. Il genotipo viene invece indicato con 3 lettere corsive minuscole. Mutanti per la resistenza agli antibiotici: le cellule sensibili all'antibiotico tretraciclina hanno fenotipo Tet-s, mentre il ceppo mutante resistente ha fenotipo Tet-r. Terreno minimo contenente Mutanti per la sorgente di carbonio: i batteri Ceppo Lattosio Lac non sono in grado di crescere su un Glucosio Galattosio Arabinosio Fenotipo terreno minimo di coltura contenente solo n. 1 + + + wt + lattosio come fonte di carbonio, mentre sono n. 2 + + - Lac- in grado di crescere su un terreno minimo in n. 3 + Gal- Lac- + - - - cui viene aggiunto glucosio. n. 4 + + + Ara- La più semplice fonte di carbonio per la crescita batterica è il glucosio e fonti di carbonio alternative (come lattosio, galattosio e arabinosio) possono essere utilizzate dai batteri selvatici, cioè i batteri wild type. Nella tabella a fianco si osserva la capacità di alcuni ceppi batterici di crescere nei diversi terreni e di conseguenza viene definito il loro fenotipo. Il primo ceppo è wild type relativamente alle 4 fonti di carbonio, cioè è in grado di crescere usando sia il glucosio, che il galattosio, che il lattosio, che l'arabinosio. Il secondo ceppo non è in grado di crescere in un terreno di coltura contenente lattosio e il suo fenotipo è quindi Lac- e il terzo ceppo non è in grado di usare il galattosio e il lattosio e il suo fenotipo è quindi definito come Gal- Lac. Infine il quarto ceppo non è in grado di crescere in un terreno di coltura contenente l'arabinosio e il suo fenotipo è quindi definito come Ara -. Per identificare il genotipo e il fenotipo batterico è necessario utilizzare 2 tipologie di terreno:

• Un terreno non selettivo: è un terreno in cui tutte le cellule batteriche in esame sono capaci di formare colonie.
• Un terreno selettivo: è un terreno che permette la crescita di un solo tipo di cellula (selvatica o mutante). Il terreno selettivo permette quindi di discriminare 2 ceppi batterici.

Batteri prototrofi e batteri auxotrofi

I batteri selvatici, cioè con fenotipo wildtype, sono in grado di sintetizzare autonomamente la maggior parte delle sostanze complesse di cui hanno bisogno (come vitamine, amminoacidi e nucleotidi) a partire da molecole semplici presenti nel terreno di crescita. I batteri selvatici / wild type sono definiti batteri prototrofi: questi ultimi possono crescere su un terreno minimo di coltura contenente una fonte di carbonio organico, una fonte di azoto e sali minerali. In seguito a mutazioni si possono generare ceppi incapaci di sintetizzare un nutriente essenziale: tali batteri sono detti batteri auxotrofi, i quali non possono crescere su un terreno minimo a meno che tale nutriente non sia aggiunto nel terreno di coltura.