Microbiologia: sporulazione, germinazione e struttura della cellula batterica

Sporulazione e Germinazione

Nella scorsa lezione ci siamo lasciati parlando della sporulazione ovvero il meccanismo con il quale si forma la spora. È un processo lungo che va dalle 6 alle 10 ore, che si sviluppa quando il batterio non riesce a duplicare la propria dimensione quindi se ne formano due, uno di dimensioni uguali a quello precedente e uno più piccolo.

p a formazione del setto sporale citoplasma e membrana citoplasmatica la membrana citoplasmatica dello sporangio circonda la prespora / cromosoma duplicato 0 la prespora è circondata da due membrane Endoscore due membrane O si formano la parete e la corteccia Lezione 1 0-0-0-O-O- liberazione della spora per lisi dello sporangio O Osi formano tuniche ed esosporio Perdita di resistenza al calore e ale radiazioni UV Uni · il cromosoma dello sporan- gio degenera a aiFe

Ricordiamo che i batteri che riescono a comporre le spore sono batteri Gram +, infatti la spora ha come rivestimento una membrana formata da peptidoglicano e acido tecoico caratteristico di questi ultimi. Internamente è costituita da DNA e citoplasma contenente proteine a basso peso molecolare che sono le SASP che legano il DNA e lo proteggono dai raggi UV. Esternamente al DNA troviamo la tunica o tonaca sporale formata da proteine solforate che permettono la resistenza agli agenti chimici tossici; infine, come protezione finale, troviamo la corteccia formata da peptidoglicani e acido tecoico.

Esosporio Tunica sporal Parete del cor OOC N COO Corteccia DNA HS.Pakser, TC. temet Pley Gebed Ca TOOC COO" *Ca TOOC COO" *Ca Attivazione Inizio Rigonfiamento Esocrescita DIVISIone vegetativa 0.5um Perdita di rifrangenza

La spora è una struttura che instaura all'interno di batteri come bacilli e clostridi, inoltre resiste al calore e ai disinfettanti chimici e fisici. Il Bacillus Antracis, ad esempio, è in grado di sopravvivere da 9 a 90 minuti a 160 gradi.

Processo di Germinazione

1Come avviene il processo di sporulazione, avviene anche il processo inverso che è quello di germinazione (1 o 2 ore), ovvero: quando le condizioni ambientali diventano favorevoli per nutrienti, temperatura e umidità, allora avverrà l'invecchiamento della spora con permeabilizzazione della corteccia esterna in modo tale da permettere gli scambi con l'ambiente esterno come acqua che prenderà il posto dell'acido dipicolinico, il quale permetteva alla spora di rimanere disidratata.

In questo modo si verificherà quella che è definita esocrescita ovvero la fuoriuscita della cellula vegetativa in grado di riprendere tutte le funzioni vitali.

Sterilizzazione e Disinfezione

È importante fare riferimento a due concetti chiave che affronteremo poi meglio nelle lezioni seguenti, questi sono il concetto di sterilizzazione (che consiste nell'eliminare completamente il numero di microorganismi) e disinfezione (ridurre il numero di microorganismi senza quindi l'eliminazione delle spore).

Il calore è da sempre stato un agente in grado di ridurre, se non addirittura rimuovere completamente, i microorganismi a meno che non si sia andata a creare la spora.

Con il tempo, infatti, si è pensato di utilizzare un calore umido (un esempio di calore umido è la pentola a pressione che raggiunge temperature elevate in tempi brevi in quanto usa il calore dell'acqua) grazie al quale a 100 gradi il batterio resiste solo pochi minuti.

Tempi di Uccisione Spore Batteriche con Calore Secco

Tabella 8.1 Alcuni tempi di uccisione di spore batteriche mediante calore Calore secco TEMPO DI DISTRUZIONE in minuti ORGANISMO 120℃ 130℃ 140°℃ 150°℃ 160°℃ 170℃ 180°℃ Bacillus anthracis fino a 180 60+120 9+90 1 Clostridium botulinum 120 60 15+60 25 20+25 10+15 S+10 Clostridium welchii 50 15+35 Clostridium tetani 20+40 5+15 30 12 5 1 Spore del suolo 180 30-90 15+60 15

Trattamento Spore con Calore Umido

Le spore, infatti, si usa trattarle con il calore umido: vengono introdotte in macchinari chiamati autoclavi Calore umido che funzionano all'incirca come grandi pentole a pressione, una volta inserite all'interno queste giungono a contatto con l'acqua, questo contatto induce insieme al calore un ritorno del batterio alla sua forma vegetativa.

Tempi di Distruzione Spore Batteriche con Calore Umido

Tabella 8.2. Alcuni tempi di distruzione di spore batteriche mediante calore umido TEMPO DI DISTRUZIONE in minuti ORGANISMO 100℃ 105℃ 110℃ 115℃ 120℃ 125℃ 130℃ 134℃ Bacillus anthracis 2+15 5+10 Bacillus subtilis molte ore Un batterio anaerobio Lezione 1 putrefattivo 780 170 41 Clostridium tetani 5+90 5+25 Clostridium welchii 5+45 5+27 10+15 4 1 Clostridium botulinum 300+530 40+120 32+90 10+40 4+20 Batteri del suolo molte ore 420 120 15 6+30 4 1,5+10 Batteri termofili 100+300 40+110 11+35 3,9+8,0 3,5 1 Clostridium sporogenes flersità di Ferrara

Bacilli e Patologie Associate

Tra i bacilli vediamo come questi sono associati a diversi tipi di patologie, i più interessanti sono quelli che possono dare intossicazioni alimentari come il Bacillus Cereus, il Clostridium Botulinum o il Clostridium Tetani per il quale è consigliato fare una vaccinazione ogni 10 anni per prevenire il tetano, la vaccinazione è consigliata perché quest'ultimo è un batterio che riesce a fare spore.

Bacilli Gram Positivi Sporigeni

2ALCUNI BACILLI GRAM POSITIVI SPORIGENI Bacillus B. anthracis CARBONCHIO B. cereus TOSSINFEZIONI ALIMENTARI B. subtilis INFEZIONI RESPIRATORIE B. clausii PROBIOTICO Clostridium C. botulinum BOTULISMO C. difficile COLITE PSEUDOMEMBRANOSA C. perfringens E A GANGRENA GASSOSA C. tetani TETANO COCCHI RICKETTSIE Sporasarcina PATOGENI OPPORTUNISTI Coxiella burneti FEBBRE Q

Influenza delle Spore sulla Salute

Non sempre però questi batteri, come le spore, hanno influenza negativa sulla nostra salute, infatti l'Enterogermina al suo interno contiene delle spore che resistono ai succhi gastrici in modo tale che questi non rovinino le pareti dello stomaco.

Biofilm come Struttura di Resistenza

Altra struttura di resistenza: il biofilm Oltre alle strutture di resistenza già citate precedentemente, ne conosciamo una diversa che è il biofilm. I batteri comunicano tra loro e in condizioni ideali, per la sopravvivenza di quella popolazione batterica, producono una estesa matrice mucosa di materiale capsulare chiamato biofilm che avvolge il batterio e confonde il nostro sistema immunitario mascherando la patogenicità del batterio stesso, in questo modo tali batteri resistono alle difese antimicrobiche del soggetto (fagocitosi, macrofagi, anticorpi, ecc ... ). Tra le funzioni ha anche quella di resistere agli antibiotici, infatti tali batteri sono difficilmente eliminabili e determinano l'insorgenza di infezioni persistenti.

Lezione 1 A B FIGURE 24-9. Coagulase nega- tive staphylococcal slime. A. S epidermidis cocci are shown attached to the surface of a plastic catheter and are starting to produce extracellular polysaccharide slime. B. After 48 hours. the bacteria are fully embedded in the slime glycocalyx (Reproduced with per- mission from Connor DH, Chandler FW. Schwartz DQA, Manz HJ. Lack EE (eds). Pathology of Infectious Diseases, vol. I. Stamford. CT: Appleton & Lange: 1997.)

Pazienti a Rischio di Biofilm

I pazienti più a rischio di avere al loro interno batteri che formano biofilm sono persone affette da fibrosi cistica.

La fibrosi cistica è la malattia genetica grave più diffusa. È una patologia multiorgano, che colpisce soprattutto l'apparato respiratorio e quello digerente. È dovuta ad un gene alterato, cioè mutato, chiamato gene CFTR che ostruisce i canali del cloro.

(la prof fa questa parentesi sulla resistenza agli antibiotici e ai pazienti più a rischio, ma è un argomento che verrà ripreso più avanti e non nel dettaglio).

Struttura della Cellula Batterica

Flagelli Batterici

3STRUTTURA DELLA CELLULA BATTERICA Flagelli Oltre a tutte queste piccole strutture, fondamentali per comprendere come i batteri possano diventare anche più pericolosi di quello che sono di per sé, parliamo di altre strutture peculiari dei batteri, in grado di consentire ad alcuni di loro di fare qualcosa di incredibile per un organismo unicellulare, senza nucleo, cioè muoversi. Ovviamente si devono trovare in un ambiente liquido e riescono a muoversi grazie a strutture dette flagelli. Originano dalla membrana plasmatica, hanno lunghezza compresa tra 1 e 10 micron, sono distribuiti sulla superficie del batterio e alcuni ne hanno solo uno, mentre altri molti. Sono dei veri e propri organi di propulsione, cioè ruotano semplicemente molto velocemente in senso orario o antiorario e questo consente al microorganismo di muoversi verso dove ci sono più sostanze nutritive. Dunque, questo movimento avviene per chemotassi ovvero movimento stimolato da una sostanza: più questa sostanza che fa bene è concentrata e più vado verso questa sostanza. Se invece il batterio percepisce che questa sostanza è nociva, si allontana da questa; quindi, posso avere sia una chemotassi positiva che negativa. Positiva quando va verso il nutriente, negativa quando si allontana dalle sostanze dannose come acidi e alcoli che lo denaturano. Da lì fugge e va verso zuccheri e amminoacidi, nutrienti di cui ha bisogno.

Il movimento rotatorio del flagello non è ATP dipendente ma utilizza il gradiente elettrochimico dei protoni della membrana. I batteri non hanno mitocondri ma il passaggio degli elettroni e dei protoni avviene a livello della membrana. Il flagello è un'estroflessione della membrana e quindi sfrutta semplicemente il gradiente elettrochimico per far azionare l'attività di questi flagelli.

Composizione dei Flagelli

Come sono fatti i flagelli? Anche su questo si differenziano i Gram + e i Gram - perché i Gram + hanno solamente la parete batterica esterna mentre nel caso dei Gram - devono passare sia Gram - attraverso lo strato di peptidoglicano sia attraverso la membrana esterna e quindi avranno più punti di Anello L ancoraggio rispetto ai Gram +. Ovviamente sono Anello P ancorati a livello della membrana, cioè da qui Albero Anello S originano e qui ci sarà il gradiente protonico che li fa muovere e darà il movimento propulsivo al batterio in (a) 2 mm - una direzione o nell'altra in base alla sostanza che lo attira o lo fa fuggire. Filamento Gram + Gancio - Membrana esterna Strato peptidoglicano Spazio periplasmatico - Plasma membrane Anello M (b)

Pili o Fimbrie

4Pili o fimbrie Oltre ai flagelli alcuni batteri, soprattutto i Gram -, presentano altre estroflessioni nella membrana che sono chiamate pili o fimbrie. F+ Sono più corti rispetto ai flagelli (0,2-2 micron) e possono essere da 100 a 300 tutto attorno alla superficie del batterio.

Pili Comuni e Ancoraggio

I pili comuni sono delle vere e proprie strutture di ancoraggio, sono numerosi su tutta la superficie del batterio e serviranno a far aderire il batterio ai tessuti/cellule, quindi sono un altro segnale di capacità del batterio di rimanere all'interno del nostro organismo e quindi di ancorarsi. La presenza o meno di questi pili condiziona anche le caratteristiche e le capacità di infettare o meno un tessuto. Un esempio è la neisseria gonorrhoeae (agente eziologico della gonorrea), un batterio che se ha i pili è in grado di infettare la mucosa del tratto urinario, se invece non presenta i pili non è in grado di aderire alla mucosa del tratto urinario e quindi non è patogeno. Questo cambia proprio le caratteristiche del batterio, il suo essere o non essere patogeno. La loro capacità di aderire alle superfici è proprio l'interazione che queste strutture superficiali del batterio hanno con alcuni zuccheri presenti sulle superfici delle nostre cellule.

Pili Sessuali e Coniugazione

Pili sessuali Esistono altri pili, chiamati pili sessuali (ne parleremo quando parleremo dei sistemi di scambio genetico tra batteri quindi in particolar modo sono i protagonisti della coniugazione), che diventano dei veri e propri canali di coniugazione e di contatto del materiale presente all'interno di questi due batteri che si interdigitano tra di loro creando una continuità citoplasmatica.

Replicazione e Metabolismo Batterico

REPLICAZIONE E METABOLISMO Per replicare, il batterio duplica l'acido nucleico e le sue dimensioni, crea un setto di separazione per invaginazione della membrana cellulare e della parete batterica creando due strutture identiche batteriche che diventeranno le due cellule figlie identiche tra loro e anche alla cellula madre. Insieme avremo la duplicazione degli organelli, del citoplasma e della membrana, quindi è una sorta di mitosi in miniatura molto più semplice (non si può propriamente Parete cellulare Membrana citoplasmatica - La cellula si allunga e il DNA viene replicato DNA 2 La parete cellulare e la membrana citoplasmatica cominciano a dividersi 1 Una nuova parete cellulare si forma tra i due nuclei di DNA separati 1 Le cellule si separano 5