Sommario. Volume 1. Volume 2. Evoluzione e diversità microbica. Scopo della microbiologia. Fisiologia microbica: nutrizione e crescita

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1 Sommario Volume 1 Parte I Scopo della microbiologia Capitolo 1 Evoluzione, vita microbica e biosfera Capitolo 2 Storia della microbiologia Capitolo 3 Le basi chimiche della cellula Capitolo 4 Struttura e funzione di Bacteria e Archaea Parte II Fisiologia microbica: nutrizione e crescita Capitolo 5 Isolamento, nutrizione e coltura dei microrganismi Capitolo 6 Crescita microbica Capitolo 7 Controllo della crescita microbica Parte III Fisiologia microbica: metabolismo Capitolo 8 Energia cellulare derivata dalle sostanze chimiche Capitolo 9 Energia cellulare derivata dalla luce Capitolo 10 Biosintesi dei monomeri Capitolo 11 Assemblaggio delle strutture cellulari dei batteri Capitolo 12 Ruolo dei microbi nella biodegradazione Parte IV Genetica microbica e virologia di base Capitolo 13 Principi di genetica microbica Capitolo 14 I virus Capitolo 15 Trasferimento genico Capitolo 16 Genomica microbica Parte V Evoluzione e diversità microbica Capitolo 17 Tassonomia di Bacteria e Archaea Capitolo 18 Archaea Capitolo 19 Proteobatteri non fotosintetici Capitolo 20 Batteri gram-positivi: Firmicutes e Actinobacteria Capitolo 21 Batteri fototrofi Capitolo 22 Altri phyla dei batteri Capitolo 23 Microrganismi eucariotici Volume 2 Parte VI Ecologia microbica Capitolo 24 Microrganismi ed ecosistemi Capitolo 25 Associazioni simbiotiche benefiche Capitolo 26 Interazione uomo-microrganismi Parte VII Immunologia e microbiologia medica Capitolo 27 Immunologia Capitolo 28 Malattie microbiche Capitolo 29 Malattie virali Capitolo 30 Epidemiologia e microbiologia clinica Parte VIII Microbiologia applicata Capitolo 31 Microbiologia industriale Capitolo 32 Microbiologia ambientale

2 Indice Parte I Scopo della microbiologia Capitolo 1 Evoluzione, vita microbica e biosfera Origini della Terra e della vita 2 Testimonianze fossili dei microrganismi 3 Box 1.1 Pietre miliari La scoperta dei microrganismi fossili 4 Origine della vita sulla Terra 6 Alla scoperta dell evoluzione biologica 7 Teoria cellulare: una definizione della vita 7 L albero della vita 8 Confronto fra microrganismi eucariotici e procariotici 8 Box 1.2 Pietre miliari Suddivisione degli organismi della Terra in due categorie sulla base della struttura cellulare 11 Altre differenze morfologiche 11 Differenze nella riproduzione 12 Box 1.3 Tappe salienti della ricerca Non è possibile riconoscere un batterio solo dalle sue dimensioni! 14 Dimensioni delle cellule: volume e area di superficie 14 Nutrizione microbica 14 Evoluzione dei microbi e cicli biogeochimici 15 Probabili tipi metabolici primitivi 15 Cianobatteri e produzione di ossigeno 16 Impatto dei Bacteria e degli Archaea sui cicli biogeochimici 17 Evoluzione degli eucarioti 17 Impatto dell ossigeno sulla evoluzione delle piante e degli animali 17 Evoluzione endosimbiontica 18 Origine dello strato di ozono 19 Sequenza dei principali eventi nell evoluzione biologica 19 Astrobiologia 20 Riassunto del capitolo 22 Domande di verifica 23 Bibliografia 23 Capitolo 2 Storia della microbiologia Effetti delle malattie sulla civiltà 24 Box 2.1 Pietre miliari La diffusione della Peste Nera in Europa 25 Perché studiare la storia di una scienza? 26 Conoscenze microbiologiche prima del La microbiologia dal 1650 al Antony van Leeuwenhoek 27 Da Leeuwenhoek a Pasteur 28 Sistemi di classificazione 30 Microbiologia medica e immunologia 30 La microbiologia dopo il 1850: l inizio della moderna microbiologia 31 La scuola di Pasteur 31 La scuola di Koch 34 Box 2.2 Pietre miliari Scoperta dell agar come agente solidificante 36 Microbi come agenti di cambiamenti ambientali 37 Microbi e malattie delle piante 39 Passaggio all era moderna 39 Riassunto del capitolo 40 Domande di verifica 41 Bibliografia 41 Capitolo 3 Le basi chimiche della cellula Atomi 42 Configurazione elettronica delle molecole 43 Box 3.1 Pietre miliari Fissazione del CO 2 ed era nucleare 44 Molecole 44 Legami chimici 46 Legami ionici 46 Legami covalenti 46 Legami a idrogeno 47 Forze di Van der Waals 48 Forze idrofobiche 49 L acqua 49 Acidi, basi e tamponi 50 I costituenti chimici della cellula 51 I monomeri più importanti 51 Carboidrati 51 Lipidi 51 Aminoacidi e proteine 52 Acidi nucleici 54 Composti isomerici 54 Box 3.2 Pietre miliari Louis Pasteur e la cristallografia 55 Riassunto del capitolo 56 Domande di verifica 56 Bibliografia 56 Capitolo 4 Struttura e funzione di Bacteria e Archaea Microscopia 57 Microscopio semplice 57

3 X Indice Microscopio composto 58 Microscopi in campo chiaro e in campo scuro 61 Microscopio a contrasto di fase 61 Box 4.1 Metodi e tecniche Il microscopio in campo oscuro 61 Microscopio a fluorescenza 62 Microscopio a scansione confocale 62 Microscopio elettronico a trasmissione (TEM) 63 Microscopio elettronico a scansione (SEM) 65 Morfologia di Bacteria ed Archaea 66 Organismi unicellulari 66 Procarioti pluricellulari 67 Divisione cellulare in Bacteria e Archaea 68 Scissione binaria trasversa 68 Gemmazione 69 Frammentazione 69 Ultrastruttura, composizione e funzione in Bacteria e Archaea 69 Box 4.2 Metodi e tecniche Frazionamento, separazione ed analisi chimiche delle strutture cellulari 70 Strutture interne 71 Box 4.3 Pietre miliari L esperimento del martello, del tappo e della bottiglia 75 Membrane cellulari 76 Strati extracellulari 78 Parete cellulare 82 Box 4.4 Pietre miliari La colorazione di Gram 84 Periplasma 89 Appendici della cellula 89 Riassunto del capitolo 93 Domande di verifica 94 Bibliografia 94 Parte II Fisiologia microbica: nutrizione e crescita Capitolo 5 Isolamento, nutrizione e coltura dei microrganismi Aspetti fondamentali della diversità 96 Evoluzione della diversità metabolica 97 Tipi di nutrizione tra i Bacteria 97 Box 5.1 Pietre miliari Caratteristiche di Bacteria e Archaea 97 Box 5.2 Pietre miliari Versatilità microbica: confronto fra organismi obbligati e facoltativi 98 Costituenti del substrato necessari per la crescita 99 Carbonio 99 Idrogeno 99 Azoto 100 Zolfo 101 Fosforo 101 Ossigeno 101 Cationi 101 Fattori di crescita 102 Assimilazione dei nutrienti nella cellula 103 Diffusione 103 Trasporto attivo 104 Traslocazione di gruppo 105 Assunzione del ferro 105 Coltura dei microrganismi 106 Terreno di coltura 106 Isolamento in coltura pura 106 Sterilizzazione dei terreni 106 Condizioni per l incubazione 107 Metodo dello striscio su piastra 107 Metodo di diffusione su piastra 108 Metodo di inclusione in piastra 108 Mantenimento di colture stock 108 Isolamento di microrganismi selezionati mediante coltura di arricchimento 109 Origini del metodo della coltura di arricchimento 110 Applicazioni del terreno di arricchimento 110 Metodi di arricchimento in generale 111 Arricchimento aerobico 111 Arricchimento anaerobico 111 Arricchimento per specifici tipi metabolici 112 Batteri aerobi chemioeterotrofi 112 Batteri anaerobi chemioeterotrofi 113 Box 5.3 Metodi e tecniche Arricchimento particolare Colonna di Winogradsky 114 Batteri chemioautotrofi 114 Batteri fototrofi 115 Riassunto del capitolo 117 Domande di verifica 117 Bibliografia 118 Capitolo 6 Crescita microbica Crescita di una popolazione batterica 119 Box 6.1 Tappe salienti della ricerca Il ciclo cellulare nei Bacteria 120 Box 6.2 Metodi e tecniche Calcolo del tempo di generazione 121 Box 6.3 Pietre miliari La crescita Una materia di grande potenzialità 121 Ciclo di crescita di una popolazione batterica 121 Fase di latenza 122 Fase esponenziale 122 Fase stazionaria 122 Fase di morte 123 Misurazione della crescita 123 Peso totale delle cellule 123 Analisi chimica di un costituente cellulare 123 Conta diretta delle cellule 123 Conta vitale 124 Turbidimetria: dispersione della luce e densità cellulare 125

4 Indice XI Effetto della concentrazione dei nutrienti sulla velocità di crescita 126 Crescita sincrona delle cellule in coltura 127 Efficienza della crescita: rese di crescita 128 Colture continue dei batteri 128 Effetti delle condizioni ambientali sulla crescita microbica 130 Acidità ed alcalinità 130 Presenza dell ossigeno (O 2 ) 130 Forme tossiche dell ossigeno 131 Tossicità di O 2 e crescita degli anaerobi 131 Effetto della temperatura 132 Intervalli di temperatura di crescita 132 Limitazioni poste dalla temperatura 134 Disponibilità di biossido di carbonio 135 Disponibilità di acqua 135 Riassunto del capitolo 136 Domande di verifica 137 Bibliografia 137 Capitolo 7 Controllo della crescita microbica Cenni storici 138 Sterilizzazione con il calore e pastorizzazione 139 Tecniche di sterilizzazione con il calore 139 Pastorizzazione 141 Sterilizzazione mediante irradiazione 141 Radiazione ionizzante 141 Radiazioni ultraviolette 142 Sterilizzazione per filtrazione 142 Sterilizzazione o controllo con agenti chimici tossici 144 Tipi di agenti antimicrobici 144 Test di misurazione dell attività antimicrobica 145 Agenti chemioterapici 146 Chemioterapici di sintesi 146 Antibiotici come agenti chemioterapici 147 Azione degli antibiotici: siti e modalità 148 Box 7.1 Pietre miliari L era degli antibiotici 148 Resistenza agli antibiotici 151 Riassunto del capitolo 151 Domande di verifica 152 Bibliografia 152 Parte III Fisiologia microbica: metabolismo Capitolo 8 Energia cellulare derivata dalle sostanze chimiche Principi di base della generazione di energia 154 Reazioni di ossido-riduzione 155 Box 8.1 Metodi e tecniche Ossido-riduzione 156 Conservazione dell energia nel mondo microbico 158 Fermentazione 158 Fermentazione degli aminoacidi nei clostridi 160 Generazione dell energia per mezzo della respirazione 160 Membrane che trasducono energia 161 Box 8.2 Metodi e tecniche L efficienza dell energia nei sistemi viventi 162 Generazione della forza proto-motrice 163 Componenti delle catene di trasporto di elettroni 164 Flavoproteine 164 Proteine ferro-zolfo 164 Chinoni 164 Citocromo 165 Orientamento nella catena di trasporto degli elettroni 166 Teoria della chemiosmosi sulla conservazione dell energia 167 Box 8.3 Pietre miliari Evoluzione di un concetto: la chemiosmosi 168 Sistema dell ATP sintetasi 169 Riassunto del capitolo 170 Domande di verifica 171 Bibliografia 171 Capitolo 9 Energia cellulare derivata dalla luce Organismi fotosintetici 172 Prime tappe dell evoluzione 172 Origine e tipi di organismi fotosintetici 173 Box 9.1 Pietre miliari La corrente della vita 174 Box 9.2 Tappe salienti della ricerca Formazioni ferrose stratificate 176 Aspetti comuni dei procarioti fotosintetici 177 Fotosintesi nei batteri purpurei non sulfurei 177 Fotosintesi nei solfobatteri verdi 179 Fotosintesi negli eliobatteri 181 Fotosintesi nei cianobatteri 181 Fotosintesi in assenza di clorofilla 183 Box 9.3 Tappe salienti della ricerca Archaea, bovini e chemiosmosi 185 Riassunto del capitolo 185 Domande di verifica 186 Bibliografia 186 Capitolo 10 Biosintesi dei monomeri Sintesi delle macromolecole dai substrati con un atomo di carbonio 187 Box 10.1 Pietre miliari I microbi come paradigma 188

5 XII Indice Box 10.2 Pietre miliari Economia nella crescita microbica 189 Principali reazioni che generano i precursori biosintetici 190 Ruolo del piruvato nella sintesi dei precursori metabolici 192 Il ciclo degli acidi tricarbossilici 192 Il ciclo di Calvin fissazione della CO Vie alternative dell assimilazione di 1-carbonio 194 Assimilazione dell azoto 199 Riduzione del nitrato 200 Fissazione dell azoto 200 Assimilazione dello zolfo 201 Biosintesi di aminoacidi, purine e pirimidine 202 Biosintesi degli aminoacidi 202 Biosintesi delle purine e delle pirimidine 202 Biosintesi dei composti lipidici 202 Biosintesi degli acidi grassi 203 Biosintesi delle catene ramificate 205 Riassunto del capitolo 207 Domande di verifica 207 Bibliografia 208 Capitolo 11 Assemblaggio delle strutture cellulari dei batteri Assemblaggio, struttura e funzione delle proteine 210 Sintesi delle proteine 210 Disposizioni strutturali delle proteine 211 Box 11.1 Pietre miliari Conformazione delle proteine 213 Assemblaggio della membrana citoplasmatica 214 Biosintesi del peptidoglicano 216 Formazione della parete cellulare dei gram-positivi 216 Parete cellulare dei gram-negativi 217 Riassunto del capitolo 219 Domande di verifica 219 Bibliografia 220 Capitolo 12 Ruolo dei microbi nella biodegradazione Ciclo del carbonio 222 Catabolismo dei polisaccaridi 223 Cellulosa 223 Amido 223 Xilani 225 Glicogeno 226 Chitina 226 Catabolismo dei lipidi 226 Acidi grassi a catena lunga e n-alcani 226 Fosfolipidi 228 Catabolismo delle proteine e dell acido urico 228 Proteine 228 Acido urico 229 Catabolismo dei composti aromatici 229 Lignina 229 Idrocarburi aromatici 231 Box 12.1 Pietre miliari Molecole recalcitranti alla biodegradazione 232 Riassunto del capitolo 233 Domande di verifica 234 Bibliografia 234 Parte IV Genetica microbica e virologia di base Capitolo 13 Principi di genetica microbica La natura dell informazione genetica nei batteri 236 Struttura del DNA 236 Replicazione del DNA 238 Modello di sintesi del DNA 238 Meccanismo di replicazione del DNA 239 Meccanismo di riparazione del DNA: correzione di bozze 243 Trascrizione del DNA e regolazione della trascrizione 244 Passaggi della sintesi dell RNA 244 Promotori e fattori sigma 246 Regolazione dell espressione genica 246 Regolazione negativa 247 Regolazione positiva 247 Sintesi proteica 250 Componenti dell apparato della sintesi proteica 250 Box 13.1 Pietre miliari Gli antibiotici possono inibire la sintesi proteica nei batteri 252 Meccanismo della sintesi proteica 253 Inizio della sintesi proteica 253 Allungamento della proteina 254 Terminazione della sintesi proteica 254 Le mutazioni 254 Test di fluttuazione 254 Tipologie di mutazioni 256 Conseguenze delle mutazioni 256 I mutageni 258 Mutagenesi mediante analoghi delle basi 258 Mutagenesi con agenti che modificano il DNA 258 Box 13.2 Metodi e tecniche Test di Ames 259 Mutagenesi con agenti intercalanti 259 Danneggiamento da radiazioni 259 Riparazione del DNA 260 Riassunto del capitolo 261 Domande di verifica 262 Bibliografia 263

6 Indice XIII Capitolo 14 I virus Origine dei virus 264 Coevoluzione 265 Evoluzione retrograda 265 Teoria della evasione dei geni 266 Dimensioni e struttura dei virus 266 Ciclo di moltiplicazione virale 267 Coltivazione dei virus 269 Titolazione dei virus 269 Purificazione delle particelle virali 270 Il genoma virale e la sua riproduzione 270 Virus batterici 271 Tassonomia 272 Virus lisogeni e temperati 272 Conversione lisogena 272 Fago lambda (λ) 273 Fago M Fago T4 276 Restrizione virale e modificazione 278 Virus eucariotici 278 Classificazione, dimensioni e struttura 279 Virus animali 280 Virus a DNA 281 Herpesvirus 282 Poxvirus 283 Virus a RNA 283 Poliovirus 283 Retrovirus 284 Virus degli insetti 286 Virus delle piante 286 Virus dei funghi e delle alghe 287 Viroidi 287 Riassunto del capitolo 288 Domande di verifica 289 Bibliografia 289 Capitolo 15 Trasferimento genico Plasmidi e batteriofagi 290 I plasmidi 290 Plasmidi che conferiscono resistenza agli antibiotici 291 Plasmidi di virulenza 292 Plasmidi contenenti geni per funzioni metaboliche specializzate 292 La replicazione dei plasmidi 293 I batteriofagi 293 La ricombinazione 294 Ricombinazione omologa 294 Box 15.1 Pietre miliari Ricombinazione tra batteri 295 Ricombinazione sito-specifica 296 Trasferimento genico tra batteri 298 Trasformazione 299 Coniugazione 301 Trasferimento di geni cromosomici mediato da plasmidi 302 Trasduzione 304 Trasduzione generalizzata 304 Trasduzione ristretta 304 Elementi genetici mobili e trasposoni 305 Classificazione dei trasposoni 306 Meccanismo di trasposizione 306 Riassunto del capitolo 307 Domande di verifica 307 Bibliografia 308 Capitolo 16 Genomica microbica Principi di ingegneria genetica 309 Sistemi di restrizione e modificazione 309 Analisi del DNA sottoposto a restrizione enzimatica 310 Costruzione di plasmidi ricombinanti 313 Box 16.1 Metodi e tecniche La reazione a catena della polimerasi (PCR) 313 Identificazione dei cloni ricombinanti 316 Espressione genica in ospiti eterologhi 316 Analisi dei cloni ricombinanti con sonde anticorpali o di DNA 318 Clonaggio di geni eucariotici nei batteri 319 Box 16.2 Pietre miliari Ingegneria genetica nelle piante utilizzando Agrobacterium tumefaciens e il plasmide Ti 319 Applicazioni pratiche della tecnologia del DNA ricombinante 320 Box 16.3 Metodi e tecniche Determinazione della sequenza nucleotidica di un gene 320 Genomica microbica 322 Box 16.4 Metodi e tecniche Allineamento delle sequenze proteiche dedotte dal sequenziamento del genoma 324 Genomica funzionale 327 DNA microarray e analisi trascrizionali 327 Riassunto del capitolo 331 Domande di verifica 332 Bibliografia 333 Parte V Evoluzione e diversità microbica Capitolo 17 Tassonomia di Bacteria e Archaea Nomenclatura 336 Classificazione 337 Classificazione filogenetica e classificazione artificiale 338

7 XIV Indice Proprietà fenotipiche e classificazione artificiale 338 Box 17.1 Pietre miliari Il Manuale di Bergey, punto di riferimento nel campo della tassonomia dei procarioti 338 Classificazione filogenetica 339 Box 17.2 Metodi e tecniche Determinazione dei coefficienti di similarità 340 Speciazione 346 Unità tassonomiche 348 La specie 349 Box 17.3 Metodi e tecniche Ibridazione DNA/DNA 351 Il genere 352 Taxa superiori 352 Gruppi più importanti di Archaea e Bacteria 352 Box Tappe salienti della ricerca La scoperta degli Archaea 353 Dominio Archaea 353 Dominio Bacteria 353 Box 17.5 Tappe salienti della ricerca Nuovi phyla scoperti con analisi molecolari di habitat naturali 354 Firmicutes ed Actinobacteria 355 Identificazione 356 Saggi fenotipici 356 Sonde di acidi nucleici ed antisiero fluorescente 357 Collezioni di colture 358 Riassunto del capitolo 358 Domande di verifica 359 Bibliografia 359 Siti Internet 359 Capitolo 18 Archaea Perché studiare gli Archaea? 360 Modelli di vita primitiva 361 Box 18.1 Tappe salienti della ricerca Un mondo ad RNA 361 Diversità degli Archaea 362 Differenze biochimiche e somiglianze con altri organismi 363 Membrane degli archea 364 Pareti cellulari degli archea 364 RNA polimerasi degli archea 365 Replicazione del DNA 365 Sensibilità degli archea agli antibiotici 365 Somiglianze con gli altri organismi 366 I principali gruppi degli Archaea 366 Gli Archaea metanogeni o Methanoarchaea 366 Archea alofili estremi 374 Termofili estremi 377 Riassunto del capitolo 382 Domande di verifica 382 Bibliografia 383 Capitolo 19 Proteobatteri non fotosintetici Bastoncelli e vibrioni fermentanti 384 Batteri enterici 385 Vibrio e generi correlati 389 Box 19.1 Tappe salienti della ricerca I batteri marini sono unici nel loro genere? 389 Pasteurella ed Haemophilus 390 Zymomonas 390 Chromobacterium 390 Bastoncelli e cocchi ossidativi 390 Pseudomonadi 391 Box 19.2 Tappe salienti della ricerca Formazione di nuclei di ghiaccio 392 Azotobacter ed altri batteri azoto fissatori a vita libera 393 Rhizobium e Bradyrhizobium: batteri azoto-fissatori simbiotici 394 Box 19.3 Pietre miliari Storia della fissazione simbiotica di azoto 394 Agrobacterium 395 Batteri acetici: Acetobacter e Gluconobacter 396 Legionella 397 Neisseria e generi correlati 397 Rickettsia 398 Batteri guainati 399 Batteri prostecati 401 Caulobatteri 401 Hyphomicrobia 402 Box 19.4 Tappe salienti della ricerca Caulobacter crescentus, un modello procariotico per studiare la morfogenesi cellulare o la differenziazione 404 Batteri poliprostecati 405 Bdellovibrio: il predatore batterico 407 Spirilli e Magnetospirillum 408 Mixobatteri: batteri fruttificanti, scivolatori 409 Batteri solfato- e solfo-riduttori 412 Proteobatteri chemiolitotrofi 413 Batteri nitrificanti 413 Solfo- e ferro-ossidanti 416 Box 19.5 Pietre miliari Winogradsky ed il concetto di chemiolitotrofia 419 Idrogeno-batteri mesofili 421 Batteri metilotrofi 422 Metanotrofi 422 Altri metilotrofi 424 Riassunto del capitolo 425 Domande di verifica 426 Bibliografia 426 Capitolo 20 Batteri gram-positivi: Firmicutes e Actinobacteria Phylum Firmicutes 427 Batteri acido-lattici 427

8 Indice XV Listeria 434 Renibacterium 434 Staphylococcus 434 Batteri formanti endospore 435 Box 20.1 Pietre miliari Guerra biologica (o batteriologica) e bioterrorismo 439 Box 20.2 Tappe salienti della ricerca Pesticidi biologici 440 Box 20.3 Pietre miliari Cibo gustoso da morire! 443 Batteri acetogeni 444 Mollicutes, batteri senza parete cellulare 444 Phylum actinobacteria 446 Micrococcus 446 Arthrobacter 446 Geodermatophilus 446 Frankia 446 Batteri corineformi 447 Actinobacteria altamente ramificati e miceliali 451 Heliobacteria 453 Riassunto del capitolo 454 Domande di verifica 455 Bibliografia 455 Capitolo 21 Batteri fototrofi Reazioni alla luce e al buio 456 Phyla fototrofi 457 Proteobacteria 457 Box 21.1 Tappe salienti della ricerca Bacteria aerobi produttori di batterioclorofilla a 464 Chlorobi 464 Chloroflexi 467 Firmicutes 469 Cianobatteri 469 Box 21.2 Tappe salienti della ricerca Spettri di assorbimento cellulare di gruppi batterici fotosintetici 472 Box 21.3 Tappe salienti della ricerca Scitonemina, un antico composto procariotico che è uno schermo solare biologico 473 Box 21.4 Tappe salienti della ricerca L eterocisti dei cianobatteri 477 Il cloroplasto 478 Riassunto del capitolo 478 Domande di verifica 479 Bibliografia 479 Capitolo 22 Altri phyla dei batteri Phyla contenenti batteri termofili 480 Aquificae 480 Thermodesulfobacteria 481 Thermotogae 481 Nitrospirae 481 Deferribacteres 482 Thermomicrobia 482 Dictyoglomus 482 Deinococcus e Thermus 482 I restanti phyla 483 Bacteroidetes 483 Fibrobacteres 486 Spirochete 486 Planctomycetes 488 Chlamydiae 489 Box 22.1 Tappe salienti della ricerca Miliardi di anni di evoluzione e solo 5000 specie? 491 Verrucomicrobia 491 Chrysiogenetes 492 Acidobacteria 492 Fusobacteria 493 Riassunto del capitolo 494 Domande di verifica 494 Bibliografia 494 Capitolo 23 Microrganismi eucariotici Caratteristiche delle cellule eucariotiche 495 Citoscheletro e motilità 496 Il nucleo 498 Mitosi 499 Ricombinazione sessuale 500 Sistemi delle membrane interne 502 Mitocondri e cloroplasti 502 Gruppi dei protisti: alghe e protozoi 504 Parabasaliani 504 Diplomonadi 505 Protisti discocrestati 506 Alveolati 509 Box 23.1 Pietre miliari Importanza di E. coli e Tetrahymena nella biologia sperimentale 512 Eteroconti 513 Criptomonadi 514 Alghe rosse 515 Alghe verdi 516 Muffe mucillaginose 516 Entamoebe 516 Altre amebe 518 Funghi 518 Chitridi 520 Microsporidi 523 Coanoflagellati 524 Eucarioti e pluricellularità 525 Riassunto del capitolo 526 Domande di verifica 527 Bibliografia 527 Glossario G-1 Indice analitico I-1

9 Indice Parte VI Ecologia microbica Capitolo 24 Microrganismi ed ecosistemi Il microambiente 531 Box 24.1 Tappe salienti della ricerca Pensando in piccolo: un mondo di microbi all interno di una particella di neve marina 531 Autoecologia: ecologia della specie 532 Identificazione della specie nell ambiente 532 Conta dei microrganismi nell ambiente 532 L anomalia della conta batterica 533 Microautoradiografia 534 Riduzione dell INT 534 Accrescimento cellulare mediante acido nalidixico 535 Campionamento ambientale e valutazione degli habitat di una specie 535 Comunità microbiche 538 Comunità microbiche a tappeto e biofilm 538 Biomassa e biomarcatori 539 Box 24.2 Tappe salienti della ricerca Effetto dell eruzione del monte St. Helens sui laghi della zona di esplosione 540 È un processo chimico o microbico? 541 Misurazione della velocità 542 Box 24.3 Metodi e tecniche Misurazione chimica della produzione primaria 543 Box 24.4 Metodi e tecniche Metodo radioisotopico per la misurazione della produzione primaria: esempio della tecnica dei traccianti 544 Box 24.5 Metodi e tecniche Procedura radioisotopica per determinare la velocità dell attività eterotrofa o metabolismo dei composti organici disciolti negli habitat acquatici 545 Gli ambienti principali 546 Gli habitat d acqua dolce 546 Ambienti marini 549 Ambienti terrestri 551 Ambienti estremi 552 Box 24.6 Tappe salienti della ricerca Microrganismi endolitici dell Antartide 555 Cicli biogeochimici 556 Effetto dei cicli dei nutrienti sull atmosfera 556 Ciclo del carbonio 557 Ciclo dell azoto 559 Ciclo dello zolfo 561 Altri cicli 562 Dispersione, colonizzazione e successione 562 Biogeografia dei batteri 563 Riassunto del capitolo 564 Domande di verifica 564 Bibliografia 565 Capitolo 25 Associazioni simbiotiche benefiche Funzioni delle relazioni simbiotiche 566 Protezione 567 Accesso a nuovi habitat 567 Aiuto per il riconoscimento 567 Nutrizione 567 Formazione delle simbiosi 567 Tipi di simbiosi 568 Simbiosi microbo-microbo 568 Chlorochromatium aggregatum 568 Bacteria-Archaea 568 Archaea-Protista 568 Licheni 569 Simbiosi microbo-pianta 569 Rizosfera 570 Micorrize 571 Frankia-pianta 572 Rhizobium-legume 573 Azorhizobium-legume 576 Cianobatteri-pianta 576 Batteri-foglia 577 Simbiosi microbo-animale 577 Invertebrati simbionti 577 Termiti-microbi 580 Afide-microbo 580 Microbo-pseudococco (cocciniglia farinosa) 581 Wolbachia-animali 581 Batteri bioluminescenti-pesci 581 Batteri-uccelli 582 Simbiosi nei ruminanti 583 Riassunto del capitolo 585 Domande di verifica 586 Bibliografia 586 Capitolo 26 Interazione uomo-microrganismi Microbiota normale dell uomo 587 Box 26.1 Pietre miliari Evoluzione della virulenza 588

10 X Indice Cute 588 Tratto respiratorio 589 Box 26.2 Tappe salienti della ricerca Stafilococchi cutanei 590 Tratto gastrointestinale 590 Tratto genitourinario 591 Difese innate dell ospite 591 Barriere fisiche 591 Difese chimiche 592 Il processo infiammatorio 592 Fagociti e fagocitosi 593 Monociti (macrofagi) 595 Il sistema linfatico 595 Meccanismi della patogenesi 597 Adesione e penetrazione 597 Colonizzazione e fattori di virulenza 598 Interazioni fra patogeni e cellule fagocitarie 600 Tossine 600 Endotossine 601 Esotossine 601 Tossine e febbre 602 Riassunto del capitolo 603 Domande di verifica 604 Bibliografia 604 Parte VII Immunologia e microbiologia medica Capitolo 27 Immunologia Immunità di barriera 606 Barriere fisiche 606 Barriere meccaniche 607 Barriere chimiche 607 Barriere microbiche 607 Come gli agenti infettivi superano le barriere 607 Infiammazione ed immunità innata 608 Eventi precoci nell infiammazione 608 Attivazione del complemento 609 Reclutamento dei fagociti nei siti di infezione 610 Marcatori molecolari facilitano la fagocitosi 612 I segnali veicolati dalle citochine provocano deperimento, febbre e la risposta della fase acuta 613 Fagocitosi ed uccisione degli agenti infettivi 613 I macrofagi tissutali originano dai monociti 615 Come sopravvivere alla fagocitosi microbi intracellulari 615 Recettori di riconoscimento del profilo espressi dai macrofagi e difese non fagocitarie 616 Immunità acquisita 616 Avvio della risposta immunitaria acquisita 617 Sviluppo delle cellule T 617 Sviluppo delle cellule B 619 Recettori delle cellule T αβ 620 Presentazione dell antigene alle cellule T CD4 621 Molecole effettrici delle cellule T CD4: citochine 621 Presentazione dell antigene alle cellule T CD8 622 Funzione effettrice delle cellule T CD8: citotossicità e citochine 624 Memoria immunologica 625 Cellule B e anticorpi 625 Attivazione delle cellule B 627 Maturazione delle cellule B, memoria e risposte immunitarie secondarie 628 Funzioni delle classi anticorpali: IgG, IgA, IgM e IgE 630 Box 27.1 Tappe salienti della ricerca Produzione degli anticorpi monoclonali 633 Risposte immunitarie a ponte 634 Cellule T primitive: cellule NK 634 Cellule linfoidi con recettori antigene-specifici: cellule B B Cellule linfoidi con recettori antigene-specifici: cellule T γδ 636 Cellule linfoidi con recettori antigene-specifici: cellule T CD1-reattive 637 Vaccini 637 Immunità passiva e attiva 637 Disfunzioni del sistema immunitario 640 Allergia 640 Sindrome da shock tossico ed endotossiemia 641 Autoimmunità 641 Immunodeficienze 642 Riassunto del capitolo 643 Domande di verifica 644 Bibliografia 644 Capitolo 28 Malattie microbiche Infezioni cutanee 645 Malattie respiratorie 648 Difterite 648 Pertosse 649 Polmonite 650 Infezioni streptococciche 651 Lebbra 654 Psittacosi (ornitosi) 655 Malattie da funghi 655 Istoplasmosi 655 Coccidioidomicosi 656 Aspergillosi 656 Candidosi 656 Criptococcosi 656 Malattie batteriche del tratto gastrointestinale 656 Ulcere 657 Intossicazioni alimentari 658 Infezioni veicolate da acqua ed alimenti 660 Infezioni del tratto urinario 662 Malattie a trasmissione sessuale 663 Gonorrea 663 Sifilide 664

11 Indice XI Clamidie 665 Malattie trasmesse da vettori 666 Peste 666 Box 28.1 Pietre miliari Un triste girotondo 667 Malattia di Lyme 668 Febbre maculosa delle Montagne Rocciose 669 Tifo 670 Febbre fluviale del Giappone 670 Febbre Q 670 Febbre ricorrente 670 Tularemia 671 Febbre delle trincee 671 Malattia da graffio di gatto 671 Protozoi come agenti di malattia 671 Amebiasi 671 Box 28.2 Tappe salienti della ricerca L acqua che beviamo: sicura o no 672 Giardiasi 672 Malaria 673 Zoonosi 673 Box 28.3 Tappe salienti della ricerca Microrganismi patogeni come arma di guerra biologica e bioterrorismo 674 Riassunto del capitolo 675 Domande di verifica 676 Bibliografia 676 Capitolo 29 Malattie virali Infezioni virali trasmesse attraverso l apparato respiratorio 677 Varicella 678 Rosolia 679 Morbillo 679 Vaiolo 680 Box 29.1 Pietre miliari Epidemie di vaiolo nel Nuovo Mondo 681 Box 29.2 Pietre miliari Conservare o distruggere? 682 Parotite 682 Influenza 683 Virus del raffreddore 685 Patogeni virali che hanno l uomo come riserva di infezione 685 Leucemia linfocitica acuta a cellule T 686 Sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS) 686 Herpes labiale 689 Herpes genitale 690 Mononucleosi infettiva 690 Poliomielite 690 Box 29.3 Pietre miliari Vittoria sulla poliomielite 691 Epatite 691 Verruche 693 Gastroenterite virale 693 Malattie virali in cui la riserva di infezione non è l uomo 693 Febbre da zecche del Colorado 694 Encefalite 695 Rabbia 695 Febbre gialla 696 Ebola e Marburg 696 Virus emergenti 696 Riassunto del capitolo 697 Domande di verifica 698 Bibliografia 698 Capitolo 30 Epidemiologia e microbiologia clinica Epidemiologia 699 Terminologia 699 Box 30.1 Pietre miliari Le principali cause di morte negli Stati Uniti nel XX secolo 700 Box 30.2 Pietre miliari La grande peste a Londra 700 Mortalità e morbosità 701 Portatori e serbatoi 701 Box 30.3 Pietre miliari Mary la tifoide 701 Box 30.4 Pietre miliari John Snow ed il colera 702 Modalità di trasmissione delle malattie infettive 702 Malattie da contatto interumano e trasmesse per via aerea 704 Infezioni trasmesse per via idrica, alimentare e attraverso il suolo 704 Malattie a trasmissione sessuale 704 Malattie trasmesse da pidocchi e interumane 705 Infezioni trasmesse da vettori 705 Malattie da contatto con animali (zoonosi) 705 Infezioni nosocomiali 706 Le più importanti infezioni nosocomiali 706 Misure di sanità pubblica 706 Box 30.5 Pietre miliari Interventi di Sanità Pubblica e condizioni di salute dell uomo 707 Misure di controllo per le malattie trasmissibili 707 Controllo delle riserve di infezione 708 Quarantena 709 Misure di controllo per gli alimenti e le acque 709 Vaccinazione dell uomo e degli animali 709 Resistenza dei patogeni agli antibiotici 710 Organizzazione Mondiale della Sanità 710 Problemi nei paesi in via di sviluppo 710 Box 30.6 Pietre miliari La storia di un successo: l eradicazione del vaiolo 711 Problemi nei paesi industrializzati 711 Problemi per i viaggiatori 711 Metodi clinici e diagnostici 712 Ricerca del patogeno 712

12 XII Indice Metodi per ottenere i campioni clinici 712 Identificazione dei patogeni 714 Identificazione basata sul tipo di crescita 715 Identificazione sierologica 716 Sistemi di identificazione automatizzati 717 Metodi che si avvalgono di antigeni/anticorpi 719 Individuazione mediante immunofluorescenza 721 Reazione di agglutinazione 722 Fingerprinting plasmidico 722 Tipizzazione fagica 723 Indagini diagnostiche basate sugli acidi nucleici 723 Sensibilità agli antibiotici 724 Riassunto del capitolo 726 Domande di verifica 727 Bibliografia 727 Parte VIII Microbiologia applicata Capitolo 31 Microbiologia industriale I microbi 730 Metaboliti primari e secondari 731 Principali prodotti industriali 732 Alimenti, aromi e integratori alimentari, vitamine e bevande 732 Alimenti Pietre miliari I batteri come alimenti 733 Formaggio e yogurt 734 Box 31.2 Pietre miliari Il pane, sostegno della vita 736 Aromi e integratori alimentari 738 Bevande contenenti alcool 742 Acidi organici 746 Enzimi, trasformazioni microbiche e inoculi 746 Enzimi 746 Trasformazioni microbiche 748 Inoculi 748 Inibitori 749 Biocidi 749 Antibiotici 749 Microrganismi geneticamente ingegnerizzati 755 Insulina umana 756 Ormone somatotropo 756 Vaccini 756 Riassunto del capitolo 757 Domande di verifica 758 Bibliografia 759 Capitolo 32 Microbiologia ambientale Il trattamento delle acque reflue e dei liquami 760 Impatto ecologico sui corpi idrici riceventi i liquami non trattati 760 Impatto sulla salute pubblica dello scarico dei liquami 761 Trattamento primario delle acque reflue 762 Trattamento secondario 762 Problemi dei trattamenti che prevedono l impiego di microrganismi 764 Trattamento terziario dei reflui 764 Box 32.1 Tappe salienti della ricerca Eutrofizzazione del lago Washington 764 Trattamenti per la potabilizzazione delle acque 765 Determinazione dei batteri coliformi totali 766 Determinazione dei batteri coliformi fecali 768 Tecniche microbiologiche alternative per l analisi di un acqua potabile 768 Discariche e compostaggio 769 Discariche 769 Compostaggio 769 Pesticidi 770 Alternative all uso di pesticidi persistenti 771 Microrganismi e biorisanamento ambientale 771 Organismi biodegradativi 772 Box 32.2 Tappe salienti della ricerca Alcuni batteri traggono benefici dal TNT 773 Box 32.3 Tappe salienti della ricerca Il ruolo dei batteri nella concentrazione dei rifiuti radioattivi 764 Vantaggi del biorisanamento 774 Problemi associati al biorisanamento 774 Metodologie di biorisanamento 774 Box 32.4 Tappe salienti della ricerca Degradazione dei bifenili policlorurati (PCB) 775 Il futuro del biorisanamento 776 Drenaggi acidi di miniera e piogge acide 776 Riassunto del capitolo 777 Domande di verifica 778 Bibliografia 778 Glossario G-1 Indice analitico I-1

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