Microbiologia: definizione, microrganismi e processi di fermentazione

COS'E' LA MICROBIOLOGIA E DI QUALI TECNICHE SI AVVALE

La microbiologia studia i microrganismi e la loro attività. Studia organismi molto piccoli (quali ad esempio i batteri, la cui dimensione è di 1 micrometro) che non possono essere studiati ad occhio nudo (il limite dell'occhio umano è 100 micrometri), per cui si utilizzano strumenti quali il microscopio. Si avvale di tecniche di sterilizzazione (es. autoclavi) e di mezzi di coltura (pura) utili per l'isolamento e la crescita dei microrganismi.

IMPORTANZA DEI MICRORGANISMI

Possono essere

• Causa di malattie (nel mondo vegetale o animale)
• Causa di degradazione di alimenti

Sono anche essenziali per la vita (fertilizzazione del suolo e per i cicli geochimici) Importanti per la conservazione (microrganismi protecnologici nelle fermentazioni)

BIOGENESI O ABIOGENESI?

Biogenesi: gli organismi viventi si riproducono solo a partire da altri organismi viventi (attraverso la riproduzione). Teoria attribuita a Pasteur (che confuta l'abiogenesi). LA VITA DERIVA DALLA VITA Abiogenesi: generazione spontanea. La vita si organizza da sostanze non viventi.

POSTULATI DI KOCH

1. L'agente causale di una malattia deve essere PRESENTE IN TUTTI I CASI DI MALATTIA di cui è ritenuto responsabile e deve essere invece assente negli individui sani
2. L'agente causale deve essere ISOLATO dall'individuo affetto e coltivato in coltura pura.
3. L'INOCULO di una coltura pura dell'agente causale deve dare origine alla comparsa della malattia
4. L'agente causale deve essere RE-ISOLATO dall'individuo infettato sperimentalmente.

CLASSIFICAZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI. DOMINI

DOMINIO BACTERIA

Batteri. Sono procarioti (privi di nucleo). Si trovano ovunque sulla terra

DOMINIO ARCHEA

Anche questi sono procarioti, con caratteristiche biochimiche più affini agli eucarioti che ai batteri. Vivono in ambienti estremi

DOMINIO EUKARYA

Sono gli eucarioti. Unicellulari (ad es. lievito come Saccharomyces cerevisiae) o pluricellulari (muffe). Riproduzione sessuata. Troviamo funghi, vegetali ed esseri umani. E protisti (che non sono né animali, né piante né funghi)

CLASSIFICAZIONE DEGLI ESSERI VIVENTI. TASSONOMIA

TASSONOMIA: branca della batteriologia responsabile della caratterizzazione dei m.o. e organizzazione in gruppi affini (TAXA) Unità tassonomica: insieme di ceppi batterici con caratteristiche fenotipiche comuni. CEPPO o clone: insieme di cellule geneticamente identiche, derivate da una subcultura di una singola colonia isolata in purezza. CEPPO TIPO: coltura da cui è stata descritta originariamente la specie. CEPPO DI REFERENZA: coltura usata in studi di malattie infettive. ALBERI FILOGENETICI. diagramma che mostra le relazioni di discendenza comune di gruppi tassonomici di organismi. Dominio - > phylum -> Classe -> Ordine -> Famiglia -> Genere -> Specie

BIOTIPI O BIOVARS

ceppi caratterizzati da differenze biochimiche o fisiologiche

SIEROPITI O SEROVARS

ceppi caratterizzati da differenza antigeniche

FAGOTIPI o PHAGOVARS

ceppi caratterizzati da differenze in sensibilità a diversi batteriofagi

RESISTOTIPI

ceppi caratterizzati da differenza nella resistenza agli antibiotici Classificazione di Linneo. 2 parole latine. 1^ (iniziale Maiuscola): GENERE. 2^ (iniziali minuscola): SPECIE:

PROCARIOTI. PARETE CELLULARE

C'è NUCLEOIDE ovvero cromosoma batterico (DNA circolare) non delimitato da membrana (come avviene negli eucarioti, dove abbiamo nucleo con nucleoli dove avviene e la sintesi - trascrizione di RNA ribosomali e assemblaggio ribosomi) che lo separa dal citoplasma (CYTOSOL + particelle insolubili in sospensione), dove avvengono le reaz. biochimiche degli eucarioti. Nei plasmidi troviamo altri piccoli anelli di DNA.

PILI

determinano capacità di aderire alle superfici. Per esempio per creare BIOFILM (colonie) che causano contaminazione

MEMBRANA PLASMATICA

barriere selettiva e semipermeabile. Scambio di acqua e soluti (proteine di trasporto). Sede dei processi di fosforilazione ossidativa nei batteri che producono ATP attraverso la respirazione.

FLAGELLI

permettono il movimento della cellula procariota

PARETE CELLULARE

ricopre la membrana plasmatica e conferisce forma e rigidità alle cellule batteriche. Dalla differenza di parete cellulare, deriva la resistenza agli antibiotici. TIPICA DEI BATTERI. Le funzioni sono

• Controllo osmotico (anti lisi osmotica)
• Determina la forma del nostro m.o. (bastoncini, cocchi, a virgola, a virgola, a spirale)
• Caratteristica tintoria (possiamo distinguere GRAM+: blu-violetto o GRAM -: rosa)
• Virulenza e patogenicità i diversi strati della parete cellulare determinano anche la resistenza agli antibiotici
• Costituisce il bersaglio di molti antibiotici

La struttura della parete cellulare differisce tra i batteri GRAM+ e GRAM-

CAPSULA

Polisaccaride complesso. E' presente sia nei GRAM+ sia GRAM -. Spesso la parete cellulare è circondata da questo strato di rivestimento. Conferisce l'adesione al substrato. La capsula o lo strato mucoso contribuiscono alla formazione dei BIOFILM Rappresenta un meccanismo di difesa. Ostacola la fagocitosi, protegge da virus e sostanze tossiche. Determina una capacità di protezione dalla disidratazione (capacità di sopravvivenza anche quando ci sono livelli di acqua liberi molto bassi). Come nel caso del Bacillus cereus (GRAM+ sporigeno), che produce spore termoresistenti È spesso costituita da polisaccaridi ad alto peso molecolare (ad es. ESOPOLISACCARIDI, EPS); Polimeri extracellullari secreti nell'ambiente (es. nel latte). Come ad esempio per il L. Bulgaricus e S. Thermophilus. O il Leuconostoc per il pane a pasta acida. Sono emulsionanti. Per questi batteri, gli EPS contribuiscono alla texture (del pane). Sono stati studiati per il loro effetto PREBIOTICO e immunomodulatorio. Producono omopolisacccaridi come fruttani beta glucani. Determina la patogenicità, come nel caso sello Streptococcus pneumoniae.

ENDOSPORE DEI BATTERI

in ambienti sfavorevoli una porzione di citoplasma e una coppia di cromosoma si disidratano e vengono racchiusi all'interno di un sistema protettivo duro.

GRAM+ E GRAM -. SI DIFFERENZIANO PER LA PARETE CELLULARE

GRAM+

La parete cellulare è formata da uno strato SPESSO (e unico) di PEPTIDOGLICANO (MUREINA), con molti legami crociati. Questo è responsabile della ritenzione del colorante viola (trattato con cristalli violetto). Quindi, applicando la fucsina, permane il viola. Per rompere la parete cellulare di alcuni GRAM+ è sufficiente il LISOZIMA - albume uovo, saliva - (che ha azione litica).

GRAM -

La parete cellulare è formata da uno strato più sottile di PEPTIDOGLICANO (MUREINA), con meno legami crociati. Ecco perché cedono prima la colorazione violetta. Al di sopra dello strato di mureina vi è una MEMBRANA ESTERNA

MEMBRANA ESTERNA dei GRAM -

E' una membrana a doppio strato, costituita da fosfolipidi. Ma anche di proteine e polisaccaridi (hanno una funzione di protezione). Funge da barriera per il passaggio di sostanze, compresi i farmaci. Determina l'adesione dei m.o. e va ad influire sulla capacità dei formare BIOFILM. Per rompere la membrana esterna ed estrarre il DNA può essere necessario l'azoto liquido. I lipidi e i polisaccaridi sono strettamente legati tra loro a formare un complesso lipopolisaccaridico (LPS)

Lipopolisaccaride (LPS)

una endotossina, un composto tossico che si sviluppa all'interno dei batteri patogeni. Vi è una LIPIDE A. La porzione lipidica, che affonda nel copro batterico. E' la componente tossica dell'endotossina ANTIGENE O, la regione estrema del lipopolisaccaride, polisaccaridica e con funzioni antigeniche.

CLASSIFICAZIONE. FORMA

La parete cellulare determina la forma di un batterio

Sferica

Abbiamo i cocchi che possono essere diplococchi (2), tetradi (4), sarcine (8), Streptococchi (a catena), Stafilococchi (a grappolo). Qui troviamo lo Streptococcus. thermophilus, usato per lo yogurt.

Bastoncelli

A bastoncino: Bacilli, diplobaacilli (2), streptobacilli (a catena). O cocco-bacilli

Spiralati

Vibrioni (a virgola), come quello del Vibrio colerae. Spirilli (a spirale). Spirochete (con più curve)

RIPRODUZIONE PROCARIOTI E LIEVITI

I procarioti si riproducono per via ASESSUATA. SCISSIONE BINARIA. Con la scissione binaria si ottengono due cellule di dimensione e contenuto pressoché identico.

• Duplicaizone cromosoma batterico
• Segregazione del cromosoma ai due poli della cellula . Divisione cellulare

La gemmazione è invece propria dei lieviti. GENERAZIONE SPORE: limita lo sviluppo ed entra in una fase di quiescenza. COMUNICAZIONE: la capacità di comunicare viene definito Quorum Sensing delle cellule. E' all'interno della capsula e alla presenza di polisaccaridi che avviene questa comunicazione.

CALSSIFICAZIONE IN BASE A NUTRIMENTO

Batteri autotrofi

Sintetizzano molecole biologiche ad alta energia da molecole inorganiche a bassa energia (es. batteri fotosintetici, batteri chemiosintetici che utilizzano composti inorganici). PRODUTTORI.

Batteri eterotrofi

Utilizzano molecole organiche sintetizzate da altri organismi autotrofi. CONSUMATORI.

SVILUPPO MICRORGANISMI. CURVA DI CRESCITA

• FASE LAG. Di adattamento, latenza. E' un adattamento dei microrganismi nel nuovo ambiente. Più breve nei termofili. Molto più dilatata nei psicrofili.
• FASE DI CRESCITA (esponenziale). Maggiore nei termofili, minore negli psicrofili.
• FASE STAZIONARIA DI SOPRAVVIVENZA. Legata al quorum sensing, la capacità di comunicare e percepire nutrienti
• FASE DI MORTE

La fase LAG e di CRESCITA dipendono dai nutrienti e dalla temperatura.

FATTORI CHE INFLUENZANO LA CRESCITA MICROBICA

FATTORI INTRISECI

1. PH DEL SUBSTRATO. La maggior parte dei microrganismi cresce intorno alla neutralità. La maggior parte dei patogeni non è in grado di svilupparsi a pH inferiori a 4.6. Il pH influenza anche la resistenza alla temperatura e la resistenza di molte spore, la capacità di produrre tossine e di andare incontro a sporulazione. ACIDITA' E' UN FATTORE DI CONSERVAZIONE (FERMENTAZIONE) E CONTROLLO DEI PATOGENI. Al di sotto di pH 4.0 riescono a svilupparsi solo lieviti, muffe, batteri acidotolleranti. La maggior parte di Psicotrofi Gram- aerobi non crescono a pH< 5.3. CONTROLLO PATOGENI ATTRAVERSO PH: Questo perché la membrana cellulare viene danneggiata. Viene modificato il pH interno e ciò determina una denaturazione delle proteine e acidi nucleici e morte della cellula. Si può agire in modo INDIRETTO (favorendo la fermentazione-> acido lattico o acetico). Oppure DIRETTO (aggiunta di acidi)
2. Aw - ATTIVITA' DELL'ACQUA. La quantità di acqua totale è chiamata umidità. Di questa teniamo conto dell'acqua libera o attività dell'acqua. E' dato dal rapporto tra la tensione di vapore acqueo di un alimento e la tensione di vapore dell'acqua pura. E' compreso tra 0 ed 1. ERH = 100xAw. E' l'umidità relativa all'equilibrio. SOLO L'ACQUA LIBERA PRESENTE IN UN ALIMENTO CONSENTE LA CRESCITA DI MICRORGANISMI. Se Aw=1: crescono tutti i microrganismi. Se Aw<0,8 crescono SOLO le muffe. Se Aw<0,6: nessun m.o. cresce. Ad eccezione delle muffe XEROFILE. La maggior parte dei patogeni è inibita a 0,93-0,94, eccetto lo Staphylococcus aureus (inibito a 0,86; non produce tossina con con aw < 0,93). I batteri possono accumulare K+ per far fronte alla ridotta Aw.