Riassunto Brock Biology of Microorganisms - Madigan Michael T.; Martinko John M.; Bender Kelly S.; Buckley Daniel H.; Stahl David Allan PDF

Preview

Summary

Riassunto - Libro "Brock Biology of Microorganisms" - Madigan Michael T.; Martinko John M.; Bender Kelly S.; Buckley Daniel H.; Stahl David Allan...

Description

1

2

Capitolo 1: MICRORGANISMI E MICROBIOLOGIA La microbiologia è lo studio dei microrganismi, grande gruppo di organismi microscopici unicellulari e virus. Le cellule microbiche si distinguono poiché sono autonome e portano avanti i loro processi vitali indipendentemente da altre cellule, al contrario di piante ed animali che esistono solo come parte di strutture multicellulari. La microbiologia si occupa di studiare e comprendere come funziona il mondo microbico (es. batteri che collettivamente hanno grande importanza applicativa), la diversità e l’evoluzione delle cellule microbiche ed il ruolo che i microrganismi svolgono nell’ambiente, nel suolo (1% individuati), nelle acque (0,1% individuati), nel corpo umano, negli animali e nelle piante, infatti i microrganismi influenzano e supportano tutte le altre forme di vita. Introduzione alla microbiologia Microbiologia Scienza che ruota attorno a due temi fondamentali: . Comprendere i fenomeni del mondo microbico; . Applicare la nostra comprensione dei processi della vita microbica a beneficio delle necessità dell’uomo e del nostro pianeta. Come scienza biologica generale, utilizza e sviluppa strumenti per sondare la natura dei processi vitali. I microrganismi infatti presentano delle caratteristiche che li rendono un eccellente modello per indagare i processi vitali comuni agli organismi multicellulari. Come scienza biologica applicata, è al centro di importanti aspetti della medicina umana/veterinaria, dell’agricoltura e dell’industria. Sebbene i microrganismi siano le più piccole forme di vita conosciute, collettivamente costituiscono la maggior parte della biomassa sulla Terra ed effettuano molte reazioni chimiche necessarie agli organismi superiori, i quali, in assenza di microrganismi non sarebbero mai esistiti. Ad esempio l’attività microbica ha reso possibile la presenza di ossigeno nell’ambiente, il riciclo di nutr ienti fondamentali e processi di degradazione della materia organica. Cellula microbica La cellula è l’unità fondamentale della vita, è un’entità isolata dalle altre per mezzo di una membrana e talvolta anche da una parete, rappresenta un sistema dinamico aperto, in grado di comunicare, muoversi e scambiare materiale con l’ambiente. La membrana è semipermeabile, definisce il compartimento cellulare, mantiene le corrette proporzioni dei componenti interni e ne previene la fuoriuscita, mentre la parete fornisce sostegno strutturale. Proprietà della vita microbica Caratteristiche condivise da tutte le cellule: . Compartimentazione e metabolismo: raccolgono nutrienti dall’ambiente e li trasformano in nuovo materiale di scarto. Durante queste trasformazioni, l’energia prodotta dalla cellula può essere utilizzata per supportare la sintesi di strutture essenziali. . Crescita: data dall’aumento del numero di microrganismi in seguito a divisione cellulare. Le sostanze chimiche assunte dall’ambiente sono utilizzate dalle cellule per fabbricarne di nuove. . Evoluzione: Processo di cambiamento in una linea di discendenti in cui nuove varianti genetiche sono selezionate in base al loro successo riproduttivo. Le cellule evolvono ed acquisiscono nuove proprietà biologiche. Generalmente è un processo lento, ma le cellule microbiche possono evolvere rapidamente in caso di forte pressione selettiva (es. antibiotici). Caratteristiche condivise da alcune cellule: . Motilità: sono in grado di muoversi autonomamente, in tal modo possono allontanarsi da condizioni pericolose o sfavorevoli e cercare nuove risorse ed opportunità. . Differenziazione: porta a cellule differenti specializzate per la crescita, la disseminazione o la sopravvivenza. . Comunicare: rispondono a segnali chimici presenti nell’ambiente, inclusi quelli prodotti da altre cellule, e la risposta può comportare nuove attività cellulari. Cellule come catalizzatori biochimici ed entità genetiche Le cellule possono essere presentate come: . Catalizzatori biochimici in grado di far avvenire le reazioni chimiche che costituiscono il metabolismo; . Strumenti genetici codificanti, capaci di replicare il DNA e processarlo per formare RNA (per trascrizione) e proteine (per traduzione) necessarie al mantenimento ed alla crescita della cellula nell’ambiente. Le cellule coordinano le loro funzioni catalitiche e genetiche al fine di sostenere la propria crescita, ad esempio utilizzando enzimi, in grado di fornire energia e precursori per la biosintesi dei componenti cellulari, ed il genoma che deve essere replicato. Microrganismi ed il loro ambiente naturale I microrganismi vivono in popolazioni di cellule in associazione con popolazioni di altre specie. Una popolazione vive in un ambiente detto habitat ed è composta da gruppi di cellule derivanti da una singola cellula parentale per successive divisioni cellulari. Diverse popolazioni interagiscono tra loro a formare comunità microbiche, la cui diversità ed abbondanza dipende dalle risorse (nutrienti) e dalle condizioni (temperatura, pH, ossigeno..) che caratterizzano l’habitat. Le popolazioni microbiche possono interagire tra loro in modo vantaggioso, neutrale o dannoso. Collettivamente, gli organismi viventi ed i componenti chimico-fisici del loro ambiente vengono definiti ecosistema, che può essere acquatico, terrestre oppure un organismo. L’ecosistema è influenzato dall’attività microbica che è responsabile delle componenti fisico-chimiche che caratterizzano l’ambiente (quantità di nutrienti o sostanze di rifiuto, presenza o meno di ossigeno..). Così come variano le risorse e le condizioni di un habitat, varia anche la popolazione microbica, modificando nuovamente l’habitat stesso.

3

Diffusione ed evoluzione della vita microbica I microrganismi furono i primi sistemi viventi della Terra ed i cianobatteri ebbero un ruolo fondamentale per l’evoluzione, in quanto come prodotto di scarto producevano l’ossigeno che preparò il pianeta ad ospitare altre forme di vita. Prime cellule ed inizio dell’evoluzione biologica Dato che le cellule sono strutturate in modo simile è stato ipotizzato che esse derivino da un antenato universale comune a tutti gli esseri viventi. Dallo sviluppo delle prime cellule da materiale non cellulare, si sono originate popolazioni cellulari che hanno cominciato ad interagire ed a formare comunità microbiche. L’evoluzione ha operato sulla selezione, migliorando e diversificando le prime forme ancestrali di vita, arrivando a strutture estremamente complesse e diversificate. Vita sulla Terra attraverso le ere La Terra ha 4,6 miliardi di anni ed è stato stimato che le prime cellule (esclusivamente microbiche) comparvero tra i 3,8 ed i 3,9 miliardi di anni fa. La Terra ha avuto un’atmosfera priva di ossigeno per i primi 2 miliardi di anni, infatti in quel periodo erano presenti solo N2, CO2 e pochi altri gas, condizioni favorevoli per il solo sviluppo di anaerobi. L’evoluzione, durata un miliardo di anni, di microrganismi fototrofi (in grado di ottenere energia dalla luce solare) anaerobi, ha portato alla presenza di fototrofi aerobi (cianobatteri), che hanno cominciato il lento processo d’immissione d’ossigeno nell’atmosfera terrestre. Stimolata dall’aumento di ossigeno atmosferico, la vita multicellulare ha cominciato ad evolversi ed a farsi sempre più complessa fino ad arrivare alle piante ed agli animali. Gli eventi che sono seguiti all’antenato ancestrale comune, hanno portato all’evoluzione di tre linee principali di cellule microbiche: Bacteria, Archea ed Eukarya. La ricostruzione della vita sulla Terra è stata resa possibile grazie all’utilizzo di marcatori biologici, molecole specifiche uniche presenti nei vari gruppi di microrganismi. Rilevando o meno la presenza di determinati marcatori biologici (ad esempio su rocce di milioni di anni), è possibile capire da quanto tempo un determinato microrganismo si è sviluppato sul pianeta. Diffusione della vita sulla Terra Nonostante le dimensioni ridotte, le cellule microbiche costituiscono la frazione più abbondante della biomassa della Terra ed una fondamentale riserva di nutrienti essenziali per la vita. La maggior parte dei microrganismi si trova sottoterra e nelle profondità oceaniche (entro 10Km dalla superficie terrestre). Impatto dei microrganismi sull’uomo La microbiologia, ha permesso di sfruttare al meglio gli effetti benefici apportati dai microrganismi ed a ridurre gli effetti dannosi. Lo studio del ruolo dei microrganismi nell’agricoltura, nell’alimentazione e come veicoli di malattie, ha contribuito a migliorare sia la salute sia la qualità di vita dell’uomo, inoltre mediante lo sfruttamento dell’attività microbica, è stato ed è possibile ottenere prodotti utili all’uomo, generare energia e pulire l’ambiente. Microrganismi come agenti di malattia All’inizio del XX secolo, la principale causa di mortalità (specialmente tra bambini ed anziani) era rappresentata dalle malattie infettive causate da microrganismi detti patogeni. Oggi il tasso di mortalità, almeno nei paesi industrializzati, è molto più basso e questo è dovuto alla comprensione del processo delle malattie infettive ( migliori pratiche sanitarie, utilizzo di agenti antimicrobici..). Nonostante le malattie infettive ora siano sotto controllo, i microrganismi possono ancora rivelarsi una grave minaccia, tuttavia la maggior parte dei microrganismi risulta essere vantaggiosa per l’uomo e per il pianeta. Microrganismi, processi digestivi ed agricoltura Il riciclo di nutrienti dovuto all’attività microbica è un grande vantaggio per l’agricoltura. Ad esempio le leguminose vivono in stretta associazione con batteri azoto-fissatori che formano alle radici dei noduli, in cui l’N 2 viene convertito in NH3, utilizzato dalle piante come fonte di azoto per la crescita. Altri batteri ossidano composti tossici come l’H2S in SO42-, un nutriente essenziale. Altri ancora intervengono nel processo digestivo dei ruminanti, animali dotati di uno speciale organo digestivo detto rumine, nel quale i microrganismi digeriscono la cellulosa. I microrganismi possono avere anche effetti dannosi su piante ed animali, causando ad esempio malattie o agendo come agenti contaminanti. Microrganismi, cibo, energia ed ambiente I microrganismi svolgono un ruolo importante in molte aree dell’industria alimentare, come nel deterioramento, nella sicurezza e nella produzione degli alimenti. La sicurezza degli alimenti necessita un costante monitoraggio dei prodotti per assicurare che non siano contaminati da patogeni e, nel caso di un episodio epidemico, per individuare ed eliminare la fonte d’infezione. Tuttavia non tutti i microrganismi presenti nei cibi sono dannosi per gli alimenti o per coloro che se ne nutrono, ad esempio molti prodotti caseari come il formaggio, lo yogurt, il burro e sott’aceti sono prodotti dall’attività microbica, così come alcolici e prodotti da forno sono il risultato dell’attività fermentativa dei lieviti. Alcuni microrganismi producono biocarburanti, come il metano ed il biodiesel, che, data la produzione di petrolio, in continuo calo, probabilmente assumeranno un ruolo sempre più importante nel quadro energetico mondiale. I microrganismi sono anche utilizzati nel trattamento di composti inquinanti generati dalle attività umane, processo chiamato biorisanamento, e per produrre beni di alto valore commerciale. Ad esempio per degradare il petrolio, solventi, pesticidi ed altri inquinanti tossici per l’ambiente. Il biorisanamento accelera la pulizia ed il recupero di un ambiente inquinato con: . L’introduzione nell’ambiente di microrganismi specifici per un determinato inquinante; . L’aggiunta di sostanze nutrienti che stimolano i microrganismi preesistenti a degradare gli inquinanti. Inoltre, grazie alle biotecnologie ed alla genomica (scienza che identifica ed analizza i geni), è possibile modificare geneticamente organismi, al fine di produrre farmaci come l’insulina e altre proteine ricombinanti o comunque farmaci per malattie complesse.

4

Scoperte in microbiologia La microbiologia ha cominciato a svilupparsi dal XIX secolo. Radici storiche della microbiologia: Hooke, van Leeuwenhoek e Cohn La scoperta di creature invisibili è legata all’invenzione del microscopio. . Hanssen (1590-1610), Costruì il primo microscopio (forse anche Galileo) . Hooke (1635-1723), matematico e naturalista inglese, fu anche un eccellente microscopista, che pubblicò il primo volume dedicato alla descrizione ed osservazioni al microscopio (con disegni) dei corpi fruttiferi delle muffe. . Van Leeuwenhoek (1632-1723), olandese mercante di tessuti e costruttore amatoriale di microscopi, fu lo scopritore del mondo microbico ed il primo ad osservare e descrivere i batteri e protozoi, contenuti in varie sostanze naturali (es. tessuti, sangue). È considerato il padre dell’istologia. Utilizzò un microscopio semplice, con un solo sistema ottico, dotato di 3 viti che permettevano, una volta messo il campione su un ago, di avvicinarlo ed allontanarlo dalla lente d’ingrandimento. Nel 1676, mentre studiava infusioni di acqua e pepe, notò degli esserini ancora più piccoli delle muffe che chiamò “animalcules”. Le sue osservazioni furono in seguito confermate da altri scienziati, ma i progressi nella comprensione dell’importanza e della natura dei microrganismi procedettero lentamente per i successivi 150 anni. Solo nel XIX secolo, quando si diffusero microscopi più potenti, fu possibile iniziare a studiare la loro natura e diffusione. . Cohn (1828-1898), contemporaneo di Pasteur e Koch, viene considerato il fondatore della batteriologia. Iniziò i suoi studi come botanico, diventando un eccellente microscopista ed iniziò a studiare le piante unicellulari (alghe) e successivamente i batteri. Essendo particolarmente interessato allo studio di forme batteriche resistenti al calore, scoprì il processo di formazione delle endospore. Egli descrisse l’intero ciclo vitale del batterio sporigeno Bacillus e dimostrò che, se bollite in acqua morivano solo le cellule vegetative, ma non le endospore. Introdusse accorgimenti tecnici per evitare contaminazioni in terreni di coltura sterili, come l’uso del cotone per chiudere tubi e fiasche. . Redi (1626-1697), pubblicò un importante testo confutando la generazione spontanea. Infatti vide che ponendo una garza con una trama molto sottile su un pezzo di carne non si sviluppavano le larve e quindi le mosche che costituivano una delle prove delle teorie di generazione spontanea. Nel frattempo cominciò a prendere piede la teoria cellulare (c’erano pensieri contrastanti). . Spallanzani (1729-1799), condusse esperimenti sulla sterilizzazione e fornì pubblica dimostrazione sulla sterilizzazione del brodo. Vide che sterilizzando un pezzo di carne e ponendolo in un barattolo sterilire, non si osservava la generazione di larve. Nonostante questi esperimenti che dimostrarono che la degradazione della carne era dovuta alla presenza di microorganismi, i chimici obiettarono che l’assenza della generazione spontanea era dovuta all’alterazione dovuta al calore dell’ossigeno provocata dalla sterilizzazione. . Appert (1749-1841), inventore francese che inventò il metodo per la conservazione ermetica dei cibi, chiamata appertizzazione. Nonostante non fosse ancora chiaro il possibile ruolo dei microrganismi come agenti delle malattie, importanti studi erano già stati impostati e compiuti. Continuò il dibattito sulla generazione spontanea (problema dell’ossigeno), ma si cominciò a cogliere il ruolo dei microrganismi come principio trasformatore. . Nel 1798 iniziarono ad essere riconosciuti i primi lavori di Jenner (1749-1823) sull’immunizzazione contro il vaiolo. E’ considerato il padre dell’immunizzazione. .Nel 1835 Bassi (1773-1856) pose le basi per la comprensione del fenomeno del contagio, teorizzando che tutte le patologie animali e vegetali, contagiose, sono causate da parassiti. . Nel 1836 Cagnard-Latour, Schwann e Kùtzing svolsero molti lavori sui lieviti e sul loro ruolo nella fermentazione di vino e birra. . Pasteur (1822-1895), svolse importanti studi sugli isomeri ottici, carbonchio e portò all’abbandono della generazione spontanea, inoltre scoprì la vita in assenza di ossigeno, la fermentazione. . Koch (1843-1910), è considerato il padre della microbiologia medica. Chiarì l’eziologia di molte malattie, tra le quali il carbonchio, la tubercolosi e la difertite, definendo la specificità biologica (4 postulati). . Lister (1827-1912) introdusse del metodo dell'antisepsi chirurgica rivoluzionando l'atteggiamento e l'approccio dei chirurghi alla pratica operatoria. . Tyndall e Cohn scoprirono l’esistenza di spore batteriche . Hesse: Fu il primo ad utilizzare l’agar. . Petri: Inventò le piastre di Petri. . Ehrlich (1854-1915) diede le basi dell’immunologia e della chemioterapia. . Kluyver (1888-1956) viene riconosciuto come il fondatore della biochimica comparata (“nelle reazioni biochimiche esiste unitarietà”). Effettuò studi fondamentali di biochimica e sul metabolismo, chiarì che la caratteristica di base di tutti i processi metabolici è il trasferimento di idrogeno (più modernamente di elettroni). es. Formula generale della respirazione: AH2+B→A+BH2 Formula generale della fotosintesi: CO2+2H2A→CH2O+H2O+2A. I suoi studi sono stati di fondamentale importanza perché la microbiologia fosse accettata come disciplina biologica. . Fleming, nel 1929, scoprì la penicillina; . Domagk, nel 1930, scoprì i sulfamidici; . Tatum e Lederberg , nel 1946, chiarirono la coniugazione batterica. . Monod e Jacob , costruirono il primo modello di regolazione di espressione genica n ei batteri. . Brock, nel 1967, isola i batteri ipertermofili, nel 1977 definiti Archea da Woese e Fox. . Temin, Baltimore e Dulbecco, nel 1969, scoprirono i retrovirus e la trascrittasi inversa. . Prusiner, nel 1981, fu il primo ad isolare i prioni, ovvero particelle infettive di natura proteica. . Mullis, nel 1985, inventò la PCR. . Venter e Smith, nel 1995, effettuarono il primo sequenziamento del genoma (dell’Haemophilus influenzae). 5

Pasteur ed il crollo della teoria della generazione spontanea Isomeri ottici e fermentazioni Pasteur, avendo una formazione da chimico, riconobbe l’importanza degli isomeri ottici. Una molecola è definita attiva otticamente, se è in grado di deviare la luce polarizzata in un’unica direzione. Egli studiò i cristalli di acido tartarico separando frammenti in grado di riflettere la luce polarizzata verso destra o verso sinistra. Scoprì che la muffa Aspergillus , metabolizzava solo l’acido D-tartarico, che deviava la luce verso destra, ma non era in grado di metabolizzare il suo isomero ottico, l’acido L-tartarico. Il fatto che la muffa era in grado di distinguere tra isomeri ottici, portò Pasteur a vedere gli organismi viventi come entità asimmetriche. Tempo dopo, fu invitato a studiare il processo di fermentazione alcolica della barbabietola, da un industriale che stava avendo problemi nella produzione di alcol e nonostante l’alcol etilico non producesse isomeri, Pasteur rilevò come prodotto secondario un isomero dell’alcol amilico. Prima di questo avvenimento si credeva che la fermentazione alcolica fosse un processo chimico, ma Pasteur iniziò a credere che si trattasse del risultato di attività microbiche, quindi di un processo biologico, e si convinse quando, dopo aver studiato a lungo le fermentazioni, scoprì che le cellule di lievito erano le responsabili del processo. Generazione spontanea Il concetto di generazione spontanea (es. cibo lasciato all’aria andava in putrefazione) continuò ad esistere fino ai tempi di Pasteur. Egli dimostrò che nell’aria erano presenti strutture molto simili ai microrganismi trovati nel materiale in putrefazione e concluse quindi che tali organismi derivavano dai microrganismi d ell’aria. Tali cellule erano depositate su tutti gli oggetti, di conseguenza trattando l’alimento in modo da distruggere ogni organismo vivente responsabile della sua contaminazione (rendendolo sterile) e proteggendolo da ulteriori contaminazioni, si sarebbe potuto ovviare alla putrefazione. A dimostrazione della sua teoria, nel 1864 allestì un esperimento che prevedeva l’utilizzo di una fiasca a collo di cigno all’interno della quale una soluzione nutriente poteva essere portata ad ebollizione. Tuttavia, dopo il raffreddamento, l’aria poteva rientrare, ma la curvatura del collo avrebbe impedito l’ingresso di materiale particolato ...