Microbiologia e microbiologia clinica: microorganismi, batteri e virus

Microbiologia e Microorganismi

prof. CIVRA Esame: scritto di sbarramento (10 domande) + orale La microbiologia è una scienza che studia i microorganismi, un gruppo numeroso e variegato di organismi viventi microscopici e unicellulari. I virus non sono essere viventi anche se vengono studiati dalla microbiologia. Microscopici = dimensioni vicine al micrometro Unicellulari = una cellula I microorganismi sono singole cellule dotate di vita autonoma, i virus però non sono dotati di vita autonoma poiché per potersi replicare devono infettare un organismo.

Tipi di Microorganismi

Quali sono i microorganismi?

• Batteri
• Funghi
• Protozoi
• Virus

I batteri hanno dimensione vicine al micrometro possono essere osservati solo al microscopio, i virus sono ancora più piccoli (30 e 100 nanometri) non possono essere osservati con il microscopio ottico ma con quello elettonico (fascio di elettroni). Lo studio dei virus è più recente rispetto allo studio dei batteri.

Caratteristiche della Cellula

Cos'è una cellula? Una cellula è un essere vivente ed è dotato di determinate caratteristiche:

• Metabolismo: combinazione di catabolismo (capacità di una cellula di scindere macromolecole in piccole molecole generando energia) e anabolismo (capacità di una cellula di generare a partire da molecole piccole le macromolecole richiedendo energia). I virus non hanno il metabolismo
• Riproduzione: le cellule assorbendo sostanze chimiche dall'esterno possono crescere a livello numerico, i virus si replicano
• Differenziamento: trasformarsi per adattarsi a determinate condizioni ambientali per sopravvivere
• Comunicazione: le cellule microbiche comunicano a livello chimico rilasciando sostanze o assumendole, i batteri e i funghi possono capire quanti altri organismi simili a loro ci sono in un ambiente grazie a questa comunicazione (quorum sensing)
• Mobilità: non tutti i microorganismi riescono a muoversi ma quelli che riescono a farlo sono i più pericolosi. Mobilità = capacità di invadere un organismo
• Evoluzione: processo che porta ad un cambiamento non guidato ma casuale, è guidata dalle mutazioni del genoma del microorganismo (errori casuali delle polimerasi) (es. giraffe collo corto e collo lungo) i virus sono dotati della capacità di evolvere (es. varianti Covid)

I VIRUS POSSONO SOLO EVOLVERSI MA NON HANNO LE ALTRE CARATTERISTICHE. Ci occuperemo di microorganismi rilevanti a livello medico, spesso pensiamo che portino a malattie infettive ma la maggior parte di essi sono microorganismi non patogeni cioè non causano malattia anzi hanno un effetto positivo per la nostra salute. Circa l'87% ha un ruolo benefico per l'essere umano, il 3% sono patogeni, il 10% sono microorganismi opportunisti (hanno capacità di causare malattia solo in specifiche condizioni) Perché hanno un ruolo rilevante sia in termini epidemiologici sia patogeni?

Evoluzione della Vita e Ruolo dei Batteri

La vita sulla terra non si sarebbe così evoluta se non ci fossero stati i batteri. 1Quando la vita si stava creando, non era presente ossigeno (anossico) e vi era un ambiente malsano, i primi batteri a svilupparsi sono i cianobatteri i primi ad essere capaci di produrre macromolecole a partire da piccole molecole utilizzando acqua, CO2 e luce dando origine all'ossigeno (facevano la fotosintesi) permettendo lo svilupparsi della vita sulla terra. I batteri ad oggi sono fondamentali ad esempio nei bovini, nel tratto gastroenterico, è presente una popolazione di rumine, è possibile conservare il cibo mettendole a basse temperature per evitare la moltiplicazione batterica.

Impatto della Microbiologia

Ad oggi sappiamo molto dei microorganismi e questo ha permesso di proteggerci dai microorganismi patogeni ed infettivi, la microbiologia clinica e medica sono il ramo più recente della microbiologia. Fino alla metà del 19esimo secolo non si sapeva che i microorganismi causassero malattia Conoscere i microorganismi ha avuto anche impatto sulle biotecnologie, ad esempio ha permesso di creare l'insulina a partire da una colonia di lieviti grazie all'ingenieria biomedica. La conoscenza della microbiologia ha permesso di capire anche le varie cause di morte, nel 1900 le principali cause di morte erano le malattie infettive , ad oggi sono malattie cardiache respiratori, incidenti, ictus etc .. Questo perché la microbiologia biomedica grazie allo sviluppo di vaccini ed altre tecnologie avanzate ha permesso di conoscere come curare certe malattie e comprendere da dove esse derivano (nei paesi industrializzati). Nel 2001 negli Stati Uniti sono stati utilizzati dei microorganismi come armi biologiche (furono mandate delle lettere o tenenti delle spore di batteri patogeni che portarono alla formazione di casi di antrace) bioterrorismo

Tipi di Cellule

Quali tipi di cellule esistono?

• Eucariota: possiedono nucleo, RER, REL, mitocondri, golgi
• Procariota: non ha nucleo, ma il nucleolo, non hanno organelli (non è compartimeralizzata)

I batteri sono cellule procariotiche, i lieviti sono cellule eucariotiche I virus o o molto più piccoli sia delle cellule eucariote sia delle cellule procariote. Il virus del tabacco fu il primo ad essere scoperto

Morfologia dei Batteri

Cellula procariotica Che forma hanno i batteri? Ci sono due gruppi:

1. Cocchi: batteri di forma sferica
   • Due cocchi legati uno all'altro = diplococcchi
   • Cocchi legati uno all'altro per formare catenelle = streptococchi
   • Cocchi legati uno all'altro creando grappoli di forma irregolare = stafilococchi
2. Bacilli o bastoncelli: batteri di forma allungata
   • Due bastoncelli = diplobacilli Bastoncelli che formano una catenella = streptobacilli (bacillus antraci)
3. Coccobacilli: forma sferica ed allungata (ovoidale)
   • Streptococcus pneumoniae
4. -Vibrioni: bacillo a forma di C
   • Vibrio colerae
5. Spirilli: forma allungata e affusolata
6. Spirochete: forma più allungata e più affusolata

Perché è importante la forma (morfologia) dei batteri? È importante perché vengono osservati al microscopio ed osservare la forma di un batterio permette di guidare la diagnosi di una malattia infettiva 2Forma, grado di aggregazione e colore sono importanti per la diagnosi.

Struttura della Cellula Procariota

Com'è formata una cellula procariota?

• La parete cellulare:
  • Conferisce forma e rigidità poichè non possiedono il citoscheletro. A livello molecolare la diversa composizione della parete cellulare da origine alle varie forme dei batteri.
  • Protegge la cellula dal danno meccanico
  • Previene la lisi osmotica della cellula (la pressione osmotica interna di una cellula batterica è molto elevata e se non ci fosse la parete le cellule batteriche esploderebbero). La penicillina blocca la sintesi della parete cellulare batterica e determinano l'esplosione della cellula.
  • Regola gli scambi con l'esterno (è selettiva permette l'entrata e l'uscita di determinate molecole)
  • È antigenica (la parete cellulare viene riconosciuta dai globuli bianchi come una struttura non self cioè non del nostro organismo e questo innesca la produzione di anticorpi)
  • È un importante bersaglio per il lisozima (è un enzima presente in diverse screzione corporee tipo lacrime, sudore, saliva, latte materno ed ha il compito di rompere la parete cellulare dei batteri) e per gli antibiotici (penicillina) Le nostre cellule non possiedono la parete cellulare dunque gli antibiotici non attaccano le nostre cellule ma quelle batteriche (tossicità selettiva)

Classificazione dei Batteri in Base alla Parete Cellulare

Sulla base della struttura della parete cellulare distinguiamo due gruppi di batteri :

• Gram negativi: hanno un sottile strato fatto di peptidoglicano, hanno una membrana esterna simile a quella citoplasmaica ed infine all'interno è presente la membrana citoplasmatica. Inoltre possiedono delle molecole a lunga catena esagonali definite LPS (lipopolisaccaridi) o endotossine, sono un vero e proprio veleno molecolare, innescano stati febbrili e infiammazione
• Gram positivi: hanno uno spesso strato fatto di peptidoglicano (molecola non presente nelle nostre cellule) e sotto di esso vi è la membrana citoplasmatica. Non possiedono le LPS

Peptidoglicano = formato da lamelle una sopra le altre unite tra loro mediante legami

Colorazione di Gram

A livello diagnostico, c'è una tecnica da utilizzare per comprendere se una colonia di batteri è Gram positivo o Gram negativo guardandoli al microscopio? Si esiste la colorazione di Gram che permette di comprendere in base alla struttura di parete del batterio il suo gruppo di appartenenza poiché senza questa i batteri sono trasparenti e non si riuscirebbero a vedere al microscopio. Per eseguire queste procedure bisogna:

1. Mettere su un vetrino la sostanza da analizzare, strisciarlo, esporlo a fiamma viva e aggiungere il cristal violetto che colorerà tutti i batteri sia Gram postivi sia Gram negativi
2. Si aggiunge il mordenzante (liquido di Lugol) che rende il cristal violetto solubile in alcool.
3. Successivamente si aggiunge dell'alcol, a questo punto i Gram positivi trattengono il cistal violetto grazie allo strato di peptidoglicano spesso mentre i Gram negativi non trattengono il colorante diventano tra trasparenti.
4. Aggiungo la safranina/fuxina che colora i batteri gram negativi di viola/rosso

Dopo la colorazione possiamo anche definire la forma e l'aggregazione dei batteri, ciò permette di capire che batteri siano.

• Tutti i cocchi sono gram positivi tranne la neisserie che causa la gonorrea e la neisserie che causa la meningite 3

Componenti della Cellula Procariota

• La membrana citoplasmatica: è un doppio strato fosfolipidico molto simile a quella eucariotica la quale però non contiene il colesterolo (che dona rigidità) ed è a contatto con il citoplasma acquoso. Serve per:
  • Ha funzione di barriera idrofoba dal mondo esterno.
  • Deve essere permeabile e selettiva rispetto alle sostanze che entrano ed escono
  • Funge da sito di ancoraggio per proteine che agiscono da trasportatrici e da creatrici di ATP
  • Permette la conservazione dell'energia: esternamente possiede cariche positive, internamente è carica negativamente, lo spostamento di queste cariche elettriche genera energia che viene accumulata all'esterno sotto forma di ioni idrogeno (protoni) definita infatti forza proton-morice
• Citoplasma: continente il cromosoma batterico libero, i ribosomi addetti alla traduzione delle proteine (nelle cellule eucriotiche sono ancorati al RER mentre nelle cellule batteriche sono liberi nel citosol, hanno inoltre struttura diversa e a causa di essa vengono attaccati dagli antibiotici)

Strumenti Accessori delle Cellule Batteriche

Strumenti accessorie delle cellulare batteriche:

• Flagelli: strutture pilifere attaccate alla cellula che permettono la locomozione e quindi il movimento dei batteri. Esistono diverse tipi di batteri in base al numero di flagelli:
  • Monotrichi (un flagello ad una estremità)
  • Fitrichi (un flagello per ogni estremità)
  • Peritrichi (flagelli su tutta la parete)
• Fimbrie e pili: servono per far aderire le cellule batteriche all'ospite e questo comporta la colonizzazione di un batteri soprattutto patogeni Adesività = fimbrie e pili Iinvasività = flagelli I pili sessuali consentono lo scambio di materiale genetico da una cellula all'altra, quindi DNA e caratteristiche importanti come la resistenza agli antibiotici (lo scambio può avvenire tra specie e genere di cellule diverse)
• Capsula: è un involucro che riveste la parete cellulare di alcuni batteri, ha diverse funzioni:
  • Permette l'adesione ai tessuti dell'ospite
  • Inibisce la fagocitosi (non vengono riconosciuti dai macrofagi ma possono essere riconosciuti dal sistema immunitario)
  • Rende la cellula resistente all'essicamento ciò permette di mantenere l'acqua all'interno della cellula
  • È antigenica quindi evoca la risposta immunitaria (anticorpale) poiché viene riconosciuta dai linfociti che producono anticorpi
• Endospora: alcuni batteri generano le spore, forma differenziata della cellula batterica, metabolicamente inattivi ma altamente resistenti alle elevate temperature, all'essicamento, ai raggi UV, al calore, agli antibiotici (endospore perché generate all'interno della cellula). Se la cellula batterica è esposta ad un ambente ostile, genera la spora e mediante lisi del batterio (sporigeni) la spora fuoriesce (processo di sporulazione -> è reversibile quindi quando l'ambiente è di nuovo favorevole, la spora germina e genera nuovamente la cellula batterica) 4