La segreteria ricorda a tutti i docenti del primo quadrimestre che le lezioni del I ANNO inizieranno martedì 13 settembre e si terranno per la settimana che va dal 13 al 16 settembre nell'aula III di economia. Le lezioni del II ANNO inzieranno lunedì 12 settembre e si terranno (sempre per la prima settimana)nell'aula 108 (primo piano) Le lezioni del III ANNO inizieranno lunedì 12 settembre e si terranno nell'aula 413 (IV piano). Durante questa settimana di lezione comunicheremo ai docenti eventuali spostamenti per le settimane successive ( dal 19 settembre in poi) La segreteria didattica
Microbiologia generale BROCK Thomas D., MADIGAN Michael D., MARTINKO John M., PARKER Jack BIOLOGIA DEI MICRORGANISMI Vol 1 - Microbiologia Generale CasaEditriceAmbrosiana STANIER R.Y., INGRAHAM J.L., WHEELIS M.L., PAINTER P.R. IL MONDO DEI MICRORGANISMI Zanichelli PELCZAR M.J., REID R.D., CHAN E.C.S. MICROBIOLOGIA Zanichelli PRESCOTT L.M., HARLEY J.P., KLEIN D.A. MICROBIOLOGIA Zanichelli SALIERS A.A., WHITT D.D. MICROBIOLOGIA Zanichelli PERRY J.J., STALEY J.T., LORY S. MICROBIOLOGIA vol1 Zanichelli Prof. Cristina Mazzoni
Programma del corso Storia e scopi della microbiologia Caratteristiche strutturali e funzionali della cellula procariotica Caratteristiche dei microrganismi eucariotici Tecniche microbiologiche Tecniche di sterilizzazione Esigenze nutrizionali dei microrganismi Crescita dei microrganismi Metodi di determinazione del numero di cellule I virus Genetica dei microrganismi procariotici Genetica dei microrganismi eucariotici Elementi mobili del genoma Sistemi di regolazione Gram + sporigeni: genere Bacillus Gram + con elevato contenuto di G+C: attinomiceti (arthrobacter, corynebacterium, propionibacterium, streptomyces) Gli Archaea Il lievito Elementi di immunologia
Perché studiare la microbiologia La Microbiologia è lo studio dei microrganismi, un ampio gruppo di esseri viventi che include i virus, i batteri, i funghi, le alghe ed i protozoi. I microrganismi sono presenti nel nostro ambiente e nel nostro corpo; i loro effetti possono essere molto utili o molto dannosi! Nella microbiologia di base, le tecniche di biologia molecolare, genetica, chimica, biochimica, fisiologia, fisica ecologia e patologia sono combinate insieme per fornire alcuni dei più utili sistemi di ricerca per lo studio della natura e dei processi vitali. La microbiologia applicata inoltre, tratta problemi di enorme importanza pratica nel campo della medicina, dell agricoltura e dell industria. Le malattie causate da microbi patogeni può avere dei profondi effetti sull uomo, gli animali e le piante e possono seriamente limitare la produttività di animali e piante.
Perché studiare la microbiologia I microbi hanno anche un grande impatto sull ambiente a causa dei loro ruoli nei processi ecologici, e le loro capacità di riciclo sono essenziali per la bioremediation. I microbi e le loro attività sono anche la base di molti processi industriali e ci forniscono del cibo, bevande alcoliche, antibiotici, enzimi, vitamine e aminoacidi. La microbiologia è infine la base per molte delle nuove opportunità forniteci dalla biotecnologia.
I microrganismi hanno ruoli chiave nell'ambiente in quanto regolano le popolazioni di organismi infestanti, nel riciclo di nutrienti minerali e nella decomposizione dei materiali organici, inclusa la decomposizione del legno ed il trattamento degli scarti umani. E' stato stimato che un terzo di tutto l'azoto "fissato" che supporta la crescita delle piante (e quindi anche degli animali) cresciuti sulla terra (azoto sotto forma di nitrati, composti a base di ammonio e amminoacidi ecc.) è perso all'atmosfera ogni anno come il risultato di una denitrificazione ad opera dell'attività microbiologica. Ma, allo stesso tempo, ogni anno una simile quantità di azoto atmosferico gassoso (N 2 ) è fissato nelle piante in forma disponibile dai molti tipi di batteri azotofissatori. Se queste stime sono corrette, si può affermare che effettivamente sono i microbi che mantengono il nostro mondo in attività.
Diversità di fisiologia e metabolismo Si trovano funghi in ambienti troppo secchi per poter supportare ogni altra forma di vita. Si trovano archaea che crescono a temperature superiori a 100 C. Altri archaea crescono solamente in ambienti con alte concentrazioni di sale, dove nessuna altra forma di vita crescerebbe Alcuni batteri - i chemoautotrofi - crescono nel modo più semplice di tutte le condizioni che supportano la vita: essi ricavano la loro energia mediante l'ossidazione dell'idrogeno od altre sostanze inorganiche, l'azoto mediante fissazione del gas N 2, e i composti del carbonio dall'anidride carbonica CO 2
Es.: gli ultimi passeggeri del Titanic Il Titanic giace sul fondo dell oceano, ad una profondità alla quale la tensione di ossigeno è talmente bassa da ritardare la corrosione del ferro. Per questo motivo era stato previsto che sarebbe rimasto intatto per secoli. In realtà alcuni batteri e Archaea sono in grado di ottenere energia combinando l O 2 ed il ferro per formare ossido di ferro. Questi microrganismi preferiscono un ambiente a basso livello di O 2 in quanto alle concentrazioni normali non sono in grado di competere con la formazione spontanea della ruggine.
La terra primordiale, l origine della vita e la diversificazione biologica In tutte le branche della biologia, e in particolare in microbiologia, un fondamentale tema di studio è rappresentato dall enorme diversità degli organismi che vivono sulla terra. STROMATOLITI: fossili stratificati di natura microbica che risultano formati da particelle di sedimento intrappolate in strati di procarioti filamentosi.
Comunità complesse formate da diatomee, cianobatteri e alghe verdi, alle quali sono ancorati vari tipi di alghe macroscopiche Stromatoliti viventi nelle Shark Bay http://www.dme.wa.gov.au/comandenvir/ancientfossils
http://www.dme.wa.gov.au/comandenvir/ancientfossils
Probabilmente le stromatoliti antiche erano formate da batteri fototrofi filamentosi Stromatoliti Antiche http://www.dme.wa.gov.au/comandenvir/ancientfossils
microfossili datati 3.4 miliardi di anni Apex Chert, Australia Occidentale Solo 1 miliardo di anni dopo la nascita del pianeta Terra! Schopf, J.W. 1993. Microfossils of the early Archaean Apex Chert: new evidence of the antiquity of life. Science 260:640-646
Storia della vita sulla terra Fig. 11.4
Terra primordiale H 2 O CH 4 NH 3 idrogeno H 2 S CO H 2 monossido di carbonio metano ammoniaca acido sulfidrico CO 2 anidride carbonica FeS solfuro ferroso HCN acido cianidrico
Produzione di energia in cellule Reazione di tipo esoergonico primitive La maggior parte degli Archea ipertermofili è in grado di ridurre S in presenza di H 2 formando H 2 S Figura 11.5
Storia della vita sulla terra Una storia approssimativa della vita sulla terra è mostrata nella seguente tabella. Le evidenze sulla quale è basata sono frammentarie e sono state ottenute essenzialmente da tre maggiori fonti. la registrazione dei fossili, che consiste dei resti preservati degli organismi stessi (di valore limitato per i microrganismi) i depositi geologici che si pensa siano il risultato delle attività biologiche i cambiamenti dello stato di ossidazione dei sedimenti, che indicano lo sviluppo progressivo di un'atmosfera a base di ossigeno.
Figura 11.6
Origine degli eucarioti: endosimbionte (Lynn Margulis) Figura 11.7
I Cinque Regni Monera (batteri e organismi batterio-simile) che rappresentano i procarioti piante animali funghi protisti (organismi essenzialmente unicellulari e nucleati)
Gli orologi evolutivi Alcune macromolecole cellulari possono servire come orologi dell evoluzione in quanto il numero delle differenze nella sequenza nucleotidica o aminoacidica è proporzionale al numero di cambiamenti mutazionali che si sono stabilizzati nel DNA codificante quella molecola. L evoluzione biologica avviene quando le mutazioni diventano stabili in popolazioni diverse, generando così la BIODIVERSITA
La scelta dell orologio migliore 1. La molecola deve essere distribuita universalmente in tutti i gruppi in esame. 2. La molecola deve essere deve essere funzionalmente omologa (= che svolge la stessa funzione). 3. E fondamentale poter allineare le molecole da confrontare. 4. Tale molecola deve variare con una velocità commisurata alla distanza evolutiva da misurare.
La sequenza di DNA 1) Tutti gli organismi hanno un genoma 2) I geni che codificano per attività vitali per le funzioni cellulari sono conservati in grado notevole durante l'evoluzione 3) Anche questi geni accumulano cambiamenti casuali con il tempo (di solito in regioni che non sono vitali per la funzione). Da questo punto di vista i cambiamenti nei geni sono come cicatrici sulla faccia di un pugile - una registrazione degli impatti accumulati nel tempo. Quindi, mediante la comparazione di geni che codificano per funzioni vitali di tutti gli organismi viventi, dovrebbe essere possibile assegnare la relatività di differenti organismi.
ribosomi 70S Sequencing of Small SUbunit (SSU) Ribosomal Database Project (RDP) circa 24000 Figura 11.8 RNA ribosomale
Analisi della sequenza dell rrna Figure 11.9
Organismo 1 Organismo 2 Regione variabile AATTCTGTCCTGCTCGTTTGC AATTCTGAAGTCCTCGTTTGC Regione conservata Regione conservata A B C AATTCTGTCCTG AATTGTGTCCTG AAATTTGTGGTG A 1/12 = 0,83 B Metodo della DISTANZA : viene considerato il numero di basi diverse in una data posizione; si tiene conto che esiste una possibilità che due basi uguali abbiano in una data posizione possano essere il risultato di due mutazioni, una per cambiarla ed un altra per ristabilirla Metodo della PARSIMONIA : la divergenza di due linee, a partire da un antenato comune, si è prodotta in seguito alla quantità minima di modificazioni necessarie C
Sequenze tipizzanti Tabella 11.1 Sonde filogenetiche
Rilevazione di batteri nitrificanti in fanghi attivati tramite FISH (fluorescent insitu hybridization) Rosso: specifico per batteri che ossidano l ammonio Verde: specifico per i batteri che ossidano i nitriti Figura 11.12
L albero filogenetico basato sul confronto delle sequenze del rrna 16S Figura 11.13
Caratteristica dei Regni primari Parete cellulare Lipidi RNA Polimerasi Sintesi proteica (Tabella 11.2) Sommario (Tabella 11.3)
Acidi grassi Fitanili e bifitanili Figura 11.15
L RNA polimerasi Figura 11.6
Sintesi proteica Batteri Archaea ed eucarioti formilmetionina metionina La tossina difterica inibisce l allungamento della sintesi proteica degli eucarioti ed archaea, ma non dei batteri La cicloesimide blocca la sintesi proteica negli eucarioti, ma non ha effetto nei batteri e negli archaea
Tabella 11.3
Una rivoluzione in microbiologia 1. Comprensione della relazione evoluzionistica (= filogenia) tra organismi molte più differenze di quelle pensate originariamente 2. Ecologia microbica possibilità di studiare comunità microbiche senza la necessità di coltivarle.
Caratteristiche fenotipiche usate nella tassonomia convenzionale Morfologia, reazione Gram, esigenze nutritionali, parete, lipidi, inclusioni cellulari e prodotti di stoccaggio, pigmenti, utilizzazione di fonti di carbonio, utilizzazione di fonti di azoto, utilizzazione di fonti di zolfo, prodotti di fermentazione, esigenze gassose, temperature ottimali, ph, patogenicità, relazioni simbiotiche, habitat. Spesso viene usato il rapporto GC del DNA.! se 2 organismi che sembrano strettamente correlati sulla base di criteri fenotipici non hanno un valore GC simile, in realtà non sono strettamente correlati.
Tassonomia convenzionale Caratteristiche fenotipiche: morfologia, nutrizione e fisiologia,altri fattori Figura 11.17
Figura 11.18
Tassonomia molecolare Ibridizzazione DNA-DNA ribotyping analisi dei lipidi
Il rapporto in basi GC non fornisce nessun informazione riguardo alla sequenza nucleotidica Figura 11.19
Ribotyping: molecular fingerprinting Non prevede sequenziamento Basato sul pattern di restrizione dell rrna 1- Amplificazione PCR 2- digestione con enzimi di restrizione 3- separazione elettroforetica dei frammenti e ibridazione con sonde rrna Impiegato in diagnostica
Analisi degli acidi grassi: FAME (fatty acid methyl ester) Figura 11.21
Analisi degli acidi grassi: FAME
Il concetto di specie! Non è possibile usare le stesse definizioni usate per piante ed animali (possibilità di incrocio e progenie fertile)! Tassonomia polifasica: sequenziamento SSU, ibridazione genomica! Proposta: usare il 97% di identità della sequenza 16S come cutoff.! Bergey's Manual contiene le informazioni sistematiche su tutte le specie note
Relazione tra la somiglianza della sequenza dell RNA ribosomale 16S e l ibridizzazione del DNA genomico tra differenti coppie di organismi Specie diverse o stessa specie? Sicuramente stessa specie Sicuramente specie diverse Figura 11.22