Cosa tratta la Microbiologia Delle cellule viventi e di come esse lavorano Dei microrganismi come organismi capaci di vita indipendente Della diversità microbica e della evoluzione; della insorgenza della diversità e del perché Del “cosa fanno” i microrganismi nel mondo, nella società umana, nel nostro corpo, ed in quello di animali e piante Del ruolo centrale che giocano i microrganismi nelle scienze biologiche di base Del fatto che, capendo i microrganismi, possiamo capire meglio la biologia degli organismi superiori, includendo l’uomo

I microrganismi fanno “girare il mondo”!!! Nella biosfera la diversità maggiore si trova tra I microrganismi Le specie microbiche guidano la maggior parte dei cicli biologoci e geologici I microrganismi riescono a vivere traendo energia da ogni fonte e con ogni strategia Microrganismi unicellulari presenti sulla terra > 90% Organismi multicellulari < 12% Microcosmi microbici: Grande diversità Piccole dimensioni Crescita rapida

Applicazioni della microbiologia La microbiologia ha un enorme impatto: in campo MEDICO, nell’IMMUNOLOGIA, in AGRICOLTURA, in campo ALIMENTARE, nell’ECOLOGIA, nella GENETICA, ed in altri MILLE settori!!

- Microbiologia medica: si occupa di ricercare le principali cause delle malattie infettive che colpiscono uomini ed animali; pianifica le misure di eradicazione degli agenti causa di infezioni - Immunologia: studia il sistema immune che protegge il nostro corpo dai patogeni (i germi che causano le infezioni)

CONTROLLO DELLE MALATTIE INFETTIVE 1900 - 2000

MALATTIE INFETTIVE RECENTI……. ”A VOLTE RITORNANO”!!!!

Microbiologia degli alimenti: studia i microrganismi pericolosi che causano il deterioramento dei cibi e le malattie che si trasmettono mediante gli alimenti (tossinfezioni alimentari, es: salmonellosi, gastroenteriti).

Diversi esempi di malattie trasmesse da prodotti alimentari deteriorati

Yougurt (Lactobacillus lactis)…………. Microbiologia degli alimenti e casearia: Alcui esempi di microrganismi “benefici” usati nell’industria alimentare perché i prodotti della loro fermentazione costituiscono alcuni tra gli alimenti e le bevande più “gradite” agli uomini: Yougurt (Lactobacillus lactis)………….

Il PANE , la BIRRA e il VINO………. Saccharomyces cerevisiae è forse il lievito più importante e il suo utilizzo è noto fin dall'antichità per la panificazione e la produzione di birra e vino.

Microbiologia agraria: studia l’impatto dei microrganismi nell’agricoltura; combatte le malattie delle piante che colpiscono intere coltivazioni. Un esempio Bacillus thuringensis: batterio sporigeno, ossia dotato della capacità di proteggersi in una spora in condizioni sfavorevoli. Dopo l'ingestione di vegetali contaminati, il batterio sporula nell'ospite liberando le tossine (innocue per gli esseri umani) che danneggiano il tratto digerente delle larve di zanzare. E’ impiegato per la creazione di piante transgeniche e nell'agricoltura biologica come insetticida. In apicoltura è utilizzato nella lotta biologica alla tarma della cera d'api.

Altri microrganismi importanti in agricoltura: I legumi possiedono dei noduli dove vivono batteri del genere Rhizobia, che fissano l’azoto in prodotti che la pianta usa per la sua crescita. simbiosi mutualistica = associazione vantaggiosa tra le radici e le popolazioni microbiche, necessaria alla sopravvivenza di entrambe le componenti Leguminose + Rizobi (batteri azotofissatori)

Microbiologia industriale: usa i microrganismi per ottenere da questi Prodotti di interesse medico quali antibiotici, vaccini, vitamine, aminoacidi. Un esempio Streptomyces coelicolor è la fonte di almeno due terzi degli antibiotici non sintetici presenti nel mondo.

Microbiologia industriale….altre applicazioni: Bonifica ambientale: detossificazione degli oli di scarto, dei solventi, dei pesticidi e di altre sostanze inquinanti, e loro trasformazione in sostanze innoque. Un esempio: Pseudomonas putida è un batterio in grado di metabolizzare solventi organici. Produzione di energia: biomassa convertita in metano (gas naturale); etanolo; idrogeno (dal lievito Zymomonas)

Biotecnologie: Microrganismi ingegnerizzati, cioè modificati, in grado di produrre ormoni, l’insulina, antibiotici, vaccini ed altri prodotti utili all’uomo. Inoltre, sono lo “strumento” necessario anche per lo studio delle malattie genetiche.

Microbiologia Studio dei microrganismi, un grande gruppo di organismi capaci di esistere come cellula singola o come gruppo di cellule (aggregazione)

Tutti gli organismi sono composti da cellule Tutte le cellule derivano da altri elementi cellulari (proteine, Ac.nucleici -DNA e RNA, lipidi, zuccheri..........)

Il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande Il ruolo dell’infinitamente piccolo è infinitamente grande! Louis Pasteur

E’ sempre un problema di dimensioni!!!

Organizzazioni cellulari Cellula procariotica (Procarioti) Archeobatteri, Eubatteri Cellula eucariotica (Eucarioti) Protisti, Funghi, Piante, Animali Nucleo Sistema di membrane interne: compartimentazione citoplasma

La cellula dei procarioti Apparentemente semplice.................... Flagelli Pili Parete I batteri possono essere statici o muoversi nell’ambiente circostante per mezzo di particolari appendici distribuite sulla superficie cellulare. Per conferire forma e rigidità alla cellula i batteri possiedono un rivestimento (parete batterica) che ricopre la membrana plasmatica

La cellula dei procarioti . Membrana plasmatica Citoplasma Nucleoide Barriera selettiva, semipermeabile, simile a quella delle cellule animali e vegetali Il citoplasma ha caratteristiche analoghe a quello degli altri organismi viventi e lo stesso vale per le reazioni biochimiche. Sprovvisti di un nucleo separato dal citoplasma per mezzo di membrana, e mancano anche di cromosomi morfologicamente identificabili: il cromosoma batterico è infatti un'unica molecola di DNA

La cellula dei procarioti Citoplasma Nucleoide Ribosomi Parete cellulare Pili Flagello

La membrana plasmatica La membrana cellulare si trova tra la parete e il citoplasma, ed è molto simile a quella delle cellule eucariotiche. È costituita da un doppio strato di molecole lipidiche,che rappresenta la struttura portante, tra la quali sono inserite delle molecole proteiche, responsabili delle diverse funzioni della membrana; sono infatti enzimi catalizzatori, recettori di stimoli e ancora sono proteine di trasporto di sostanze attraverso la membrana. doppio strato: molecole non covalentemente legate fluido bidimensionale La sua funzione non è solo quella di selezionare la direzione e l’entità degli scambi con l’esterno, ma è legata anche alla divisione cellulare e, nei batteri che producono ATP tramite la respirazione, è sede degli enzimi, dei vettori di idrogeno dei processi di fosforilazione ossidativa che nelle cellule eucariotiche si trovano nei mitocondri

Citoplasma Composizione: - Cytosol > Cytosol: - solvente acquoso - Particelle insolubili in sospensione > Cytosol: - solvente acquoso - soluti vari: ioni, micro e macromolecole

Caratterizzano i batteri Rivestimenti esterni Capsula Membrana Esterna Parete cellulare Membrana plasmatica Caratterizzano i batteri

Funzioni della parete cellulare Involucro rigido al di sopra della membrana citoplasmatica Anti lisi osmotica Forma (Bastoncini, cocchi, a virgola, a spirale) Caratteristiche tintoriali (Gram+ e Gram -) Virulenza e patogenicità Costituisce il bersaglio di molti antibiotici

Le diverse forme della cellula batterica Sferici Bastoncelli Spiralati Cocchi Vibrioni DiploCocchi Bacilli StreptoCocchi DiploBacilli Spirilli Tetradi-Sarcine StreptoBacilli CoccoBacilli Spirocheta StafiloCocchi

Staphylococcus epidermidis Str. thermophilus Cocchi Staphylococcus epidermidis

Bacilli Bacillus anthracis

Spirilli - Spirocheta Spirocheta: Leptospira Spiranthes Rich.

Vibrioni Vibrio cholerae

Costituzione della parete batterica Componente strutturale della parete: il peptidoglicano singola macromolecula lunghissimo polimero lineare, stabilizzato da fitti legami trasversi avvolge la cellula, formando un astuccio rigido e resistente determina la forma impedisce il rigonfiamento

Organizzazione della parete batterica Organizzazione diversa della parete nei Gram positivi Gram negativi

Organizzazione della parete batterica Gram positivi Strato unico Strato spesso di mureina con molti legami crociati nel contesto proteine, ac teicoici, ac lipoteicoici Gram negativi Strato doppio Strato più sottile di mureina con meno legami crociati al di sopra membrana esterna proteine, lipidi, lipoproteine, lipopolisaccaridi

P: peptidoglicano; ME: membrana esterna; MC: membrana citoplasmatica. Parete ME P MC P MC P: peptidoglicano; ME: membrana esterna; MC: membrana citoplasmatica.

Struttura del peptidoglicano Gram-positivi Membrana esterna Gram-negativi

Membrana Esterna Polisaccaridi e fosfolipidi Patogenicità Solo nei Gram-

Capsula Polisaccaridi o Polipeptidi Adesione al “substrato” Difesa (sistema immunitario, batteriofagi, disinfettanti chimici) Protezione dalla disidratazione Patogenicità (Streptococcus pneumoniae)

Capsula in Klebsiella pneumoniae

La riproduzione dei procarioti Scissione binaria Scissione in 2 cellule uguali Gemmazione Produzione cellule più piccole da una “madre” Ricombinazione genetica Scambio di DNA tra 2 cellule diverse

La riproduzione dei batteri è asessuata e avviene mediante la divisione di un individuo in due cellule figlie uguali tra loro e identiche alla progenitrice e viene definito scissione binaria, processo molto simile, ma molto più semplice della mitosi cellulare, e comprende anche la riorganizzazione del citoplasma e la costituzione di nuove strutture cellulari. Questo processo si ripete, ogni divisione impiega circa 30 minuti, e la coltura batterica cresce. La scissione binaria, o in due parti, può essere identica alla mitosi cellulare o

Nucleoide Porzione del citoplasma dove si concentra il DNA DNA procariotico: Unica molecola circolare Pochissime proteine legate Attaccato alla MP

L’informazione genica llllllllllllllllllllllllllllllllllllllll L’informazione genica nei batteri Nei batteri il programma viene registrato su di una lunga molecola di DNA, chiusa ad anello  cromosoma batterico Nella cellula batterica possono essere presenti altri piccoli anelli di DNA che portano poche informazioni -geni-  i plasmidi I plasmidi possono passare da una cellula batterica a un’altra  trasformazione batterica cromosoma batterico plasmide

STRUTTURA del DNA

Come vengono classificati i batteri?

Identikit Batteri Microrganismi Cosa fanno? Come si nutrono? Chi sono? Dove vivono? Batteri Gram+ Gram -

Cosa fanno?

Una singola cellula è capace di:

Una suddivisione molto importante è quella che raggruppa i batteri secondo il livello di temperatura a cui possono crescere: si hanno così, per questa suddivisione, tre sottoclassi che sono i batteri psicrofili, i batteri mesofili e i batteri termofili.

Un’ulteriore classificazione è basata sulle diverse modalità di respirazione in base alle quali distinguiamo:

In relazione alla fonte di nutrimento (molecole altamente energetiche) i batteri vengono classificati in..............................

Batteri autotrofi: sono gli organismi in grado di sintetizzare molecole biologiche ad alta energia a partire da molecole inorganiche a bassa energia.  Batteri eterotrofi: sono gli organismi che per il proprio metabolismo utilizzano molecole organiche complesse sintetizzate dagli organismi autotrofi.

I batteri autotrofi sono organismi che al pari delle piante verdi sono in grado di sintetizzare i propri costituenti cellulari utilizzando sostanze inorganiche semplici. Tra questi vi sono i batteri fotosintetici (utilizzano l’energia luminosa per produrre energia chimica utile per i processi vitali) e i chemiosintetici (utilizzano i composti inorganici per soddisfare il loro fabbisogno eneregetrico e sintetizzare i propri costituenti cellulari)

La sostanza vivente è soggetta a trasformazioni cicliche che costituiscono il METABOLISMO Metabolismo biosintetico: Costruzione da composti inorganici  sintesi di sostanza organici, fotosintesi - anabolismo Metabolismo energetico o catabolismo: Demolizione di sostanza organica ripristino dei composti inorganici mineralizzazione - catabolismo

I microrganismi sono in grado di fare quasi tutto, meglio dei biologi o dei chimici o di tutti! (Perlman, 1979) Cosa fanno? Sono soprattutto impegnati nelle decomposizioni biologiche, attraverso le quali il carbonio immagazzinato negli organismi viventi viene ossidato a CO2  Sono responsabili delle trasformazioni biologiche nei cicli biogeochimici, nei quali viene messa in evidenza la biodiversità microbica  Sono i “fornitori ufficiali” di sali minerali, azoto, vitamine, ormoni … per le piante, dalle quali ricevono zuccheri e aminoacidi

Dove vivono? OVUNQUE!!!!!! Si trovano in quasi tutti gli ambienti, aria, acqua, ghiaccio, sorgenti calde e perfino negli sbocchi idrotermali delle profondità oceaniche. Alcuni proliferano negli alimenti, mentre altri stabiliscono varie forme di simbiosi con piante, animali e altri organismi. Il suolo stesso è un organismo “vivente”

Organismi viventi e cicli degli elementi nutritivi Gli organismi viventi e l'ambiente sono legati tra loro in maniera inseparabile e interagiscono reciprocamente, in modo tale che un flusso di energia porta a una ben definita struttura trofica e ad una ciclizzazione degli elementi nutritivi.

Produttori, consumatori e decompositori I batteri, come tutti gli organismi viventi, sono divisi in tre grandi gruppi: Produttori primari organismi fotosintetici, autotrofi Consumatori organismi eterotrofi Decompositori Solo microrganismi : batteri e funghi

Ciclo della CO2 nella biosfera Ciclo del carbonio Ciclo della CO2 nella biosfera Il carbonio è l’elemento centrale nella struttura della materia vivente, ma è la CO2 il composto “chiave” coinvolto nel ciclo. Esso viene CO2 CO2 CO2 prelevato utilizzato restituito all’ambiente Produttori Consumatori Decompositori I produttori assimilano la CO2 e la forniscono a consumatori e decompositori. L’attività di fotosintesi globale è tale che la riserva dell'atmosfera si esaurirebbe in circa 20 anni I microrganismi decompositori compiono la mineralizzazione e sono altrettanto essenziali dei produttori primari perché rinnovano le riserve di CO2 dell'atmosfera

Ciclo del carbonio Il carbonio, elemento centrale nella struttura della materia vivente, viene prelevato come CO2 utilizzato e restituito all’ambiente come CO2 attraverso funzioni diverse e meccanismi di trasferimento che interessano tutti i livelli trofici e l’intera biosfera.

Ciclo dell’azoto L'azoto è il nutriente più richiesto da tutti gli organismi viventi che lo assumono generalmente sotto forma di ammonio, nitrati e composti organici. Queste forme azotate sono piuttosto scarse nelle acque e nel terreno per cui l'azoto diviene spesso il fattore limitante nello sviluppo e nella crescita di tutti gli organismi viventi.

Il lato artistico... …batteri, funghi e attinomiceti Dalla Biennale di Venezia, Padiglione francese, Nov. 2002