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Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Trasformazioni.

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Presentazione sul tema: "Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Trasformazioni."— Transcript della presentazione:

1 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Trasformazioni chimiche e chimico-fisiche il cui scopo finale è la creazione di una nuova cellula Metabolismo Batterico Funzioni genetiche Per tutte le funzioni replicazione trascrizionetraduzione DNA RNA proteine riproduzione 2. precursori delle macromolecole (zuccheri, aa, acidi grassi) 1. energia ATP

2 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

3 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Metabolismo Batterico Per produrre energia i batteri sfruttano : 1 Energia solare  batteri fotosintetici 2 Energia da sostanze chimiche  batteri chemiosintetici Processi di fosforilazione: ADP  ATP 1 fotosintesi 2 -fermentazione (ossidazione parziale del substrato), - -respirazione aerobia (accettore finale O 2 ) ed anaerobia (accettore finale nitrati, solfati, CO 2 )

4 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Classificazione Fotoautotrofi (fotosintesi) C da anidride carbonica Fotoeterotrofi (energia da luce) C da composti organici Chemoautotrofi (energia da ox-red) C da anidride carbonica Chemeoeterotrofi (energia da ox-red) C da composti organici

5 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO Peptidoglicano Punto di crescita della parete cellulare Membrana citoplasmatica Esterno Interno Bactoprenolo Pentapeptide

6 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO D-Ala Transpeptidazione

7 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Protoplasti e sferoplasti La sintesi di parete può essere inibita (es. lisozima o antibiotici) Protoplasti parete totalmente assente Sferoplasti parete parzialmente assente

8 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Le sintesi macromolecolari la replicazione del DNA Le due catene parentali non si separano completamente La polimerizzazione dei nucleosidi trifosfati avviene per opera della polimerasi Nei batteri: polimerasi I, II e III. Polimerasi III più importante La separazione delle due eliche è catalizzata da topoisomerasi I e girasi La duplicazione comincia dal sito oriC (V=40  m/min) ed è semiconservativa

9 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Cellula 1-1,5  m; DNA lunghezza 1mm; Cellula 1mm, DNA 1m

10 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Le sintesi macromolecolari la sintesi proteica Codon di inizio m-RNA- 30S + t-RNA - f-Met + 50S Codon terminatore Sintesi di proteine costitutiva o inducibile. Regolazione della sintesi proteica

11 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Limiti dell’esistenza batterica pH 5-9: maggioranza batteri Thiobacillus thiooxidans pH 0.5 ox H 2 S  acido solforico E.faecalis, Bacillus circulans pH 10-11

12 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DI NaCl SULLA CRESCITA Non alofilo Esempio: Escherichia coli Velocità di crescita AlotolleranteAlofilo estremo Esempio: Staphylococcus Esempio: Vibrio fischeri Esempio: Halobacterium salinarum 0.9% 15% 7%30% aureus

13 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONDIZIONI DI CRESCITA Ossigeno Anaerobiosi Co 2 Ioni inorganici Temperatura pH NaCl Esoenzimi Terreni liquidi/solidi

14 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Limiti dell’esistenza batterica Umidità: è condizione favorente liofilizzazione Temperatura: 20-45°C mesofili 45-75°C termofili facoltativi 50-75°C termofili obbligati inibiti a 30°C psicrofili NO meccanismi di termoregolazione

15 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Limiti dell’esistenza batterica Pressione atmosferica: batteri barofili? adattati a crescere a pressioni elevate (fondali oceanici) Concentrazione sali: NaCl 0.85% fisiologica 7-8% Stafilococchi 15-25% alofili Pressione osmotica: pochissimi batteri osmofili crescono in presenza di pressione osmotica elevata

16 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Terreni di coltura solidi Agar:polisaccaride estratto da alcune alghe 1-2% gelificazione > 80°C  liquido < 45°C  solido Terreni sintetici Terreni di base addizionati con sostanze naturali

17 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Condizioni di incubazione Temperatura ottimale CO 2, aerobiosi o anaerobiosi

18 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Terreni di coltura liquidi Stessa composizione dei terreni solidi (non contiene agar) Intorbidamento del terreno

19 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CURVA DI CRESCITA DI UNA POPOLAZIONE BATTERICA Fasi della crescita Latenza Esponenziale StazionariaMorte Conta vitale Torbidità Densità ottica

20 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

21 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Rappresentazione schematica della divisione di cellule bastoncellari o coccoidi I batteri si dividono per scissione binaria Il tempo di divisione (generazione) della cellula batterica è molto variabile e dipende dalla specie e dal terreno di coltura Ad es. E. coli può dividersi ogni 20 min, in una notte oltre 20 generazioni (circa 500 anni per un uomo) M. tuberculosis ha un tempo di generazione di circa 24 ore

22 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia In un sistema chiuso, la crescita esponenziale non può continuare per un tempo indefinito. Una singola cellula batterica con un tempo di generazione di 20 minuti produrrebbe, se continuasse a crescere in modo esponenziale per 48 ore, una popolazione il cui peso sarebbe circa 4000 volte il peso della terra, dato particolarmente impressionante se si considera che il peso di una singola cellula batterica è circa g.

23 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia RIPRODUZIONE PER SCISSIONE SEMPLICE Generazione cellulare DNA Replicazione del DNA Allungamento della cellula Formazione del setto Completamento del setto con formazione di pareti distinte Separazione della cellula

24 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

25 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Le colture isolanti Per disseminazione sul terreno Per diluizione nel terreno (agar-batteri) Mezzi selettivi di isolamento

26 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia isolamento

27 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA ’ Eredità: stabilità e la variabilità nel vasto assortimento di funzioni fisiologiche che formano le proprietà dei microorganismi. Gene: sequenza di DNA che codifica per un prodotto funzionale o controlla le proprietà di un microorganismo (caratteristiche biochimiche, di patogenicità, di resistenza agli antibiotici, ecc.,). I geni sono localizzati sul cromosoma. Il cromosoma è duplicato prima della divisione cellulare così le cellule figlie ricevono un corredo identico di geni. I geni nel loro insieme costituiscono il genoma e formano il cosiddetto genotipo.

28 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA ’ La replicazione del cromosoma è un processo preciso, molto raramente si hanno errori durante la sintesi, (mutazioni, cioè variazioni permanenti della sequenza originale del gene). Nell’ Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons (>4000 Kbp). E’ una doppia elica fatta da due sequenze complementari di basi puriniche e pirimidiniche tenute insieme da legami idrogeno (G- C) (T-A). Struttura circolare (lunghezza ~ 1mm)

29 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Mutazioni Mutazione: modifica permanente della sequenza nucleotidica di un gene. Gli alleli sono diverse forme di un gene mutato. Mutageni Agenti chimici e fisici che aumentano la frequenza di mutazione. Fisici: radiazioni, UV, calore Chimici: diretta reazione col DNA, composti nitrosi, agenti alchilanti, analoghi delle basi e composti che richiedono l’attivazione di enzimi cellulari. Mutazioni indotte: molti agenti chimici causano mutazione perché aumentano gli errori di appaiamento tra le due catene di DNA. Altri composti si intercalano tra le eliche (acridine), creano distacchi e complementazioni intracatenarie.

30 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Mutazioni Riparazione dei danni: sistema senza errori (error-free) e sistema con errori (error-prone). Una lesione sul DNA scatena nella cellula la produzione di enzimi deputati alla riparazione (sistema SOS). Gli errori sono rimossi da nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella complementare ancora intatta (template). Se anche l’altra catena è danneggiata allora il sistema ripara ma causa errori. Sequenze non senso (UAG, UAA e UGA) sono il segnale di fine traduzione del mRNA, quando per mutazione si crea un non senso la traduzione si interrompe in quel punto.

31 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia RICOMBINAZIONE DEL DNA Due tipi di ricombinazione Generalizzata (mediata dal gene recA) Specializzata (recA-indipendente )

32 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICO NEI BATTERI CONIUGAZIONE mediata da F o altri plasmidi coniugativi sexduzione TRASDUZIONE generalizzata o specializzata TRASFORMAZIONE

33 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONIUGAZIONE Scambio di materiale genetico mediante contatto tra due cellule DONATORE > RICEVENTE Plasmide F Apparato coniugativo per trasferire se stesso – spesso ad alta frequenza Il plasmide F può integrarsi sul cromosoma >> Hfr High frequency of recombination

34 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONIUGAZIONE F codifica per un pilo sessuale che identifica un recettore (ompA) sulla superficie esterna del ricevente molti plasmidi codificano per un repressore che blocca la formazione del pilo (espresso temporaneamente) dopo contatto con il ricevente il pilo si ritrae e le due cellule sono in comunicazione per via di un ponte citoplasmatico

35 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

36 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia TRASFERIMENTO DI DNA PLASMIDICO PER CONIUGAZIONE Cromosoma plasmide batterico F Pilo Cellula F+Il Pilo si ritrae Cellula F- Coppia di cellule stabilizzata Il plasmide F è tagliato su un’elica Trasferimento di un’elica di DNA di F da una cellula F+ a una F-. Il plasmide F si replica simultaneamente nelle cellule F+ Nella cellula ricevente comincia la sintesi dell’elica complementare Compimento del trasferimentodel DNA e sintesi le cellule si separano Cellula F+ F+

37 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONIUGAZIONE I geni sono trasferiti in ordine fisso Esiste un gradiente di trasmissione Hfr diversi hanno origine diversa Attraverso le frequenze di ricombinazione circolarità del cromosoma Distanze dei geni sul cromosoma (tempo)

38 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

39 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONIUGAZIONE F’ Originano da F che nel distacco dal cromosoma catturano segmenti di DNA può replicarsi autonomamente può ricombinarsi nel ricevente può integrarsi sul cromosoma

40 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia CONIUGAZIONE Gram-positivi il donatore forma una proteina sulla superficie della cellula (adesina) che media l’aggregazione con le cellule riceventi le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM 1000) che stimolano la produzione di adesina fusione di protoplasti naturale o mediante glicole etilenico

41 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Trasduzione E' un meccanismo di scambio di materiale genetico mediato da batteriofagi I virus batterici o batteriofagi sono classificati in tre grossi gruppi: Virulenti autonomi: infettano le cellule batteriche e si sviluppano senza richiedere alcuna funzione cellulare (vi sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la uccidono). Virulenti dipendenti: per il loro sviluppo necessitano di funzioni cellulari e quindi la cellula non muore sino a che il virus non giunge a maturazione Temperati: sono virus che solo occasionalmente uccidono la cellula spesso entrano in simbiosi con essa come fanno alcuni plasmidi duplicandosi insieme alla cellula.

42 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

43 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia The T4 infectious cycle

44 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

45 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Lysogeny Temperate phages can convert host to lysogen Establishment likely with high level of infection of bacterial culture, starvation Stable association of phage DNA with bacterial cell (prophage) Normal growth and division of lysogen Environmental cues may induce lytic cycle

46 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

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50 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

51 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Cellula batterica Fago Ciclo litico Fago Particella trasducente Cellula batterica Particella trasducente (DNA dell’ospite dentro l’involucro virale) TrasduzioneRicombinazione genetica con il DNA dell’ospite Cellula trasdotta TRASDUZIONE generalizzata

52 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia galbio gal bio TRASDUZIONE specializzata

53 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

54 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

55 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia TRASFORMAZIONE Tre meccanismi distinti Pneumococchi legano DNA doppia elica non specifico entra un solo filamento Haemophilus DNA doppia elica specifico artificiale sferoplasti elettroporazione

56 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Cromosoma batterico DNA trasformante Proteina di legame al DNA Proteina specifica della competenza che lega il DNA a singola elica Nucleasi Nucleotidi liberi Proteina RecA TRASFORMAZIONE

57 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

58 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia TRANSPOSIZIONE Sequenza bersaglio duplicata Elemento Transponibile inserito Elemento transponibile

59 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

60 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

61 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia

62 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Specificità d’ospite del DNA ( Enzimi di restrizione modificazione del DNA) Il materiale genetico (DNA) sintetizzato dai batteri subisce un processo di metilazione che è specifico di ogni specie batterica La modificazione del DNA è come un’ identità del materiale genetico che è riconosciuto da enzimi (nucleasi) detti di restrizione, in quanto degradano ogni DNA che è stato prodotto in altre specie batteriche (estraneo)

63 Dinamica delle Popolazioni Batteriche Laboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia Specificità d’ospite del DNA ( Enzimi di restrizione modificazione del DNA) Ogni volta che una cellula batterica riceve DNA da altre specie questo è riconosciuto come estraneo e quindi degradato L’efficienza di questo meccanismo varia da specie a specie (0- 1x10 -4 ) Gli enzimi di restrizioni sono utilizzati in Biologia Molecolare (ingegneria genetica, mappe di restrizione ecc)


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