Microbiologia: Batteri, Microbioma e Antibiotici, Appunti universitari

La microbiologia e i microrganismi

La microbiologia è una branca della biologia che studia la struttura e le funzioni dei microrganismi. Comprende batteri, archaea, alcuni tipi di funghi, alghe e protozoi; la microbiologia studia inoltre virus e prioni, sebbene questi non siano classificati come esseri viventi in senso stretto. La microbiologia comprende lo studio della loro distribuzione in natura e delle relazioni tra loro e con gli altri esseri viventi. I microrganismi si trovano ovunque, negli esseri umani, nelle piante, negli animali, negli ambienti terrestri e marini. Grazie al loro potenziale metabolico svolgono funzioni essenziali per la sostenibilità dei sistemi agro-alimentari, hanno un ruolo chiave nelle produzioni agricole. Contribuiscono in maniera significativa alla salvaguardia della fertilità del suolo e della nutrizione delle colture, alla lotta biologica contro i principali patogeni delle derrate alimentari. Pertanto la loro presenza e la loro biodiversità sono funzionali al sostentamento degli organismi viventi sulla Terra.

Nell'azoto-fissazione simbiontica svolgono un ruolo fondamentale i batteri appartenenti alla famiglia delle Rhizobiaceae (Rizobi), che penetrano all'interno delle radici delle piante leguminose e provocano la formazione di noduli radicali dentro cui fissano l'azoto atmosferico: riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N2) in azoto ammonico (NH3).

I microrganismi sono necessari per la produzione di: pane, formaggio, birra, antibiotici, vaccini, vitamine, enzimi e di molti altri prodotti. I microrganismi sono inoltre elementi fondamentali per il nostro ecosistema: rendono possibili i cicli del carbonio, dell'ossigeno, dell'azoto e dello zolfo e costituiscono inoltre una fonte di nutrienti alla base di tutta la catena alimentare e della rete ecologica.

Prodotti batterici naturali e usi terapeutici

Oltre agli antibiotici, molti prodotti naturali batterici hanno altri usi terapeutici. Ad esempio, la rapamicina, nota anche come sirolimus, è prodotta dal batterio Streptomyces hygroscopicus e viene utilizzata come immunosoppressore, soprattutto durante un trapianto di rene. La bleomicina, un prodotto naturale ricavato dallo Streptomyces verticillus, è un farmaco chemioterapico utilizzato nel trattamento di diversi tipi di cancro.

Uccide i batteri Interagisce con altri batteri O Influenza il sistema immunitario Uccide le cellule tumorali Prodotti batterici naturali V 4

Un nuovo antibiotico, la lactocillina, è stato sintetizzato da un gruppo di ricercatori che, analizzando il genoma dei microorganismi normalmente ospiti dell'organismo umano. Ha scoperto migliaia di raggruppamenti dei geni in grado di produrre sostanze farmacologicamente attive. La lactocillina è molto simile ad altri antibiotici già testati clinicamente da aziende farmaceutiche, e uccide alcuni batteri patogeni vaginali senza danneggiare le specie innocue.

Esempi di batteri patogeni

• Xylella fastidiosa (vasi xilematici, portatori di acqua e sali minerali)
• Agrobacterium vitis (agente eziologico del tumore della vite)
• Ralstonia solanacearum (si moltiplica nei fasci vascolari determinando avvizzimento della pianta, pomodori, patate etc)
• Xanthomonas hortorum («marciume batterico>> lattuga, carote, piante ornamentali)

La "Xylella fastidiosa", batterio che vive e si riproduce all'interno dell'apparato conduttore della linfa delle piante, è arrivato in Italia nel 2008 e si sta diffondendo in tutta Europa. Il batterio si trasmette da pianta a pianta tramite l'intervento di un insetto vettore, in grado di acquisire il patogeno da una pianta colonizzata e inocularlo in una pianta sana generando l'infezione.

Zoonosi

Le zoonosi sono malattie che si trasmettono dagli animali all'uomo. Alcuni microorganismi patogeni: Toxoplasma gondii, Cryptosporidium, Salmonella, Giardia, Mycobacterium. Solo raramente gli animali sono direttamente fonte di infezione: solitamente i germi sono trasmessi all'uomo da acqua e cibi contaminati. Le zoonosi possono rappresentare un rischio più serio soprattutto per persone con sistema immunitario compromesso o che si trovino in particolari condizioni, come ad esempio la gravidanza.Overview of

Infezioni batteriche

Bacterial meningitis - Streptococcus pneumoniae - Neisseria meningitidis - Haemophilus influenzae - Streptococcus agalactiae - Listeria monocytogenes - Streptococcus pneumoniae - Haemophilus influenzae Otitis media - Streptococcus pneumoniae Pneumonia Community-acquired: - Streptococcus pneumoniae - Haemophilus influenzae - Staphylococcus aureus Atypical: - Mycoplasma pneumoniae - Chlamydia pneumoniae - Salmonella - Shigella - Clostridium - Staphylococcus aureus - Escherichia coli Skin infections - Staphylococcus aureus - Chlamydia trachomatis - Escherichia coli - Neisseria gonorrhoeae - Other Enterobacteriaceae - Treponema pallidum - Staphylococcus - Ureaplasma urealyticum saprophyticus Fusobacterium spp. 8. Gardnerella vaginalis

- Legionella pneumophila Tuberculosis - Mycobacterium tuberculosis Eye infections - Staphylococcus aureus - Neisseria gonorrhoeae - Chlamydia trachomatis Sinusitis Upper respiratory tract infection - Streptococcus pyogenes - Haemophilus influenzae Gastritis - Helicobacter pylori Food poisoning - Campylobacter jejuni Sexually transmitted diseases Urinary tract infections - Streptococcus pyogenes - Pseudomonas aeruginosa - Haemophilus ducreyi - Pseudomonas aeruginosa

Differenza tra microbiota e microbioma

• Per microbiota si intende la popolazione di microrganismi (batteri, funghi, protozoi e virus) che colonizza un ambiente in un determinato tempo.
• Per microbioma si intende la totalità del patrimonio genetico espresso dal microbiota.

Ogni organismo vivente ha il suo genoma, il suo patrimonio genetico: il microbioma è il genoma del microbiota.

microrganismi microbioma microbiota 1 una comunità di microrganismi in un ambiente specifico una comunità di microrganismi e il loro ruolo all'interno di un ambiente specifico, considerando le condizioni ambientali e le interazioni reciproche

Funzioni del microbiota

La funzione di barriera attraverso la produzione di antibiotici naturali, la competizione con i nutrienti, l'adesione delle cellule epiteliali intestinali. La funzione metabolica grazie a digestione di polisaccaridi complessi con produzione di acidi grassi a catena corta, sintesi di vitamine e aminoacidi, regolazione dell'insulino-resistenza, metabolismo del colesterolo, detossicazione di xenobiotici (cioè di sostanze sintetiche o naturali estranee al nostro organismo). La collaborazione allo sviluppo del sistema immunitario mantenendo l'omeostasi nel nostro organismo, influenzando positivamente l'immunità sistemica con sintesi di sostanze modulanti la tolleranza e la regolazione nella produzione di sostanze infiammatorie e antinfiammatorie. La funzione neuroendocrina con influenza su motilità, modalità sensorie e secretive del tratto gastrointestinale. Infine, la funzione farmacomicrobiomica, con un ruolo nella biodisponibilità, efficacia e tossicità di farmaci assunti.

Batteri produttori di energia

Produttori di biogas Produttori di energia elettrica ENEA

Nel centro ENEA della Casaccia con l'aiuto di strumentazioni molto sofisticate e di tecniche molecolari innovative, i ricercatori osservano il comportamento dei batteri e la loro reazione alle sostanze che vengono loro fatte 'digerire' per produrre biogas. I ricercatori ENEA studiano anche soluzioni per incrementare la produzione di energia da biomasse, aumentando la produttività e la resistenza di comunità microbiche che lavorano in sinergia per degradare la materia prima in ingresso. La conoscenza sul mondo microbico e le proprietà degli organismi che lo costituiscono sono al centro di un ampio spettro di attività umane, da quelle industriali alle biotecnologie, ma soprattutto con la scoperta dell'importante ruolo dei microbi nelle malattie infettive ha reso questa disciplina una branca fondamentale della medicina.

Biotecnologie e missioni spaziali

La NASA è impegnata nella conduzione di programmi di ricerca nel campo delle biotecnologie agro-alimentari.

• Tra le criticità delle missioni spaziali, c'è l'alimentazione dell'equipaggio.

E, nel caso specifico delle missioni in programma su Marte, il cibo è previsto provenga direttamente dal pianeta rosso.

• l'Università di Brema ha sviluppato un metodo per la coltivazione di batteri in condizioni atmosferiche simili a quelle di Marte, da esportare sul pianeta e dal quale ricavare, sostanze nutritive per l'alimentazione degli astronauti.

Microbiota normale

Microbiota normale dello stomaco

1. Streptococcus
2. Staphylococcus
3. Lactobacillus
4. Peptostreptococcus
5. Mycobacterium spp.
6. Enterococci
7. Enterobacteriaceae

Microbiota normale della pelle

1. Coagulase-negative staphylococci
2. Diphtheroids (including Propionibacterium acnes)
3. Staphylococcus aureus
4. Streptococci (various species)
5. Bacillus spp.
6. Malassezia furfur
7. Candida spp.
8. Mycobacterium spp. (occasionally)

Microbiota normale dell'uretra

1. Coagulase-negative staphylococci
2. Diphtheroids
3. Streptococci (various species)

Microbiota normale della vagina

1. Lactobacillus spp.
2. Peptostreptococcus spp.
3. Diphtheroids
4. Streptococci (various)
5. Clostridium spp.
6. Bacteroides spp.
7. Candida spp.

Microbiota normale dell'intestino crasso

1. Bacteroides spp.
2. Fusobacterium spp.
3. Clostridium spp.
4. Peptostreptococcus spp.
5. Escherichia coli
6. Klebsiella spp.
7. Proteus spp.
8. Lactobacillus spp.
9. Enterococci
10. Streptococci (various species)
11. Pseudomonas spp.
12. Acinetobacter spp.
13. Coagulase-negative staphylococci
14. Staphylococcus aureus
15. Mycobacterium spp.
16. Actinomyces spp.

piccoli organismi che vivono in qualsiasi tipo di ambiente

Microbiota normale dell'intestino tenue

1. Lactobacillus spp.
2. Bacteroides spp.
3. Clostridium spp.
4. Mycobacterium spp.
5. Bacteroides spp. and
6. Peptostreptococcus spp.

Settori della microbiologia applicata

1. Microbiologia medica (clinica).
2. Microbiologia acquatica.
3. Microbiologia dell'aria.
4. Microbiologia degli alimenti.
5. Microbiologia del suolo.
6. Microbiologia industriale.
7. Microbiologia spaziale (Esobiologia).

Settori della microbiologia clinica

• BATTERIOLOGIA
• MICOLOGIA
• VIROLOGIA
• PARASSITOLOGIA

Tecniche: colturali, sierologiche, molecolari e uso del microscopio

Il laboratorio di microbiologia in medicina umana

Batteriologia

Esami colturali Tecniche molecolari tratto gastroenterico tratto respiratorio tratto uro-genitale liquidi biologici sangue liquor raccolte varie Sierologia ricerca antigeni batterici ricerca anticorpi

Micologia

Esami colturali Tecniche molecolari tratto gastroenterico tratto respiratorio tratto uro-genitale cute e annessi cutanei Sierologia ricerca antigeni micotici ricerca anticorpi

Parassitologia

Esami microscopici Tecniche molecolari tratto gastroenterico tratto respiratorio tratto uro-genitale cute e annessi cutanei Sierologia ricerca antigeni parassitari ricerca anticorpi

Virologia

Esami colturali Tecniche molecolari colture cellulari prove su cavia Sierologia ricerca antigeni virali ricerca anticorpi

La scoperta dei microrganismi

Girolamo Fracastoro fu il primo ad ipotizzare e verificare che le infezioni fossero dovute a germi portatori di malattia, con la capacità di moltiplicarsi nell'organismo e di contagiare altri attraverso la respirazione o altre forme di contatto. Nella sua bibliografia scientifica si nota "Syphilis sive de morbo gallico" (Sifilide, ossia sul "mal francese" - che da allora in poi sarebbe stato chiamato sifilide o Lue).

La sifilide congenita

Gli ultimi dati pubblicati dall'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) a febbraio 2019, indicano che nel 2016 a livello mondiale circa 1 milione di donne in gravidanza ha contratto la sifilide. La Regione Africana ha registrato la più alta incidenza di sifilide congenita (1119 casi per 100.000 nati vivi), la Regione Europea la più bassa (19 casi per 100.000 nati vivi).

Il Treponema Pallidum

Il Treponema pallidum, agente eziologico della sifilide o Lue*, è un batterio Gram negativo appartenente alla famiglia delle Spirochaetaceae, che termina con flagelli. È difficilmente coltivabile su comuni terreni di coltura e ha scarsissima capacità di sopravvivere al di fuori del corpo umano. L'indagine sierologica rappresenta, fin dal primo stadio della malattia, il pilastro diagnostico della lue. Possibile dimostrare la comparsa di anticorpi IgM a partire dalla seconda settimana dopo l'infezione e di anticorpi IgG a partire dalla quarta settimana. Nella sifilide congenita, gli anticorpi materni presenti nel neonato vengono eliminati tra il 5° ed il 6° mese, quando questi poi vengono sostituiti dai propri con inizio di produzione a partire dal 3º, 4º mese.

Le finalità per le quali vengono effettuati i test sierologici sono fondamentalmente tre:

• Screening
• Conferma diagnostica
• Valutazione dell'attività dell'infezione e della risposta al trattamento

I test utilizzati nella diagnosi sierologica di lue si dividono in test non treponemici e test treponemici. I test non treponemici (RPR, VDRL) sono correlati direttamente con l'attività della malattia. Solitamente questi test si negativizzano dopo la terapia, anche se in alcuni pazienti possono persistere a lungo (in rari casi tutta la vita). I test treponemici (TPHA/TPPA, FTA-Abs, EIA, Immunoblotting, etc) sono più specifici, rimangono generalmente positivi tutta la vita, indipendentemente dalla terapia e dall'attività dell'infezione. I test non treponemici sono diretti contro un antigene lipidico che deriva dal batterio o dalla sua interazione con l'ospite (danno cellulare). I test treponemici, ricercano gli anticorpi contro antigeni del treponema e la loro positività di solito persiste per tutta la vita.