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Dinamica delle Popolazioni BattericheLaboratorio di Microbiologia Sperimentale ed Epidemiologia
Lezioni di Microbiologia
Informazioni:Prof Eugenio A. Debbia
Università di Genova Scuola di Scienze Mediche e Farmaceutiche
DISC-Sezione di Microbiologia,
Viale Benedetto XV, 6, 16132 Genova
Tel: 010-33 51047
329 260 5218
Dinamica delle Popolazioni Batterichehttp://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htm
e-mail: [email protected]
W. Churchill
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La Placa Microbiologia Medica. Edises 2014
Jawetz et al. Microbiologia Medica. Piccin 2017
Wessner et al. Microbiologia. CEA, 2015
Brock- 3 Biologia dei microorganismi Pearson 2016
Dehò Biologia dei Microrganismi CEA 2016
Sherris et al. Microbiologia Medica .EMSI 2017
Murray et al. Microbiologia Medica EMSI
Mims et al. Microbiologia clinica EMSI
Harvey et al. Le basi della Microbiologia (con
approfondimenti clinici) Zanichelli
Microbiologia Clinica Esculapio 2018
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Con il microscopio si incomincia a pensare all’invisibileE ciò permette la scoperta dei microrganismi
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Olanda 1674
Anton van Leeuwenhoek
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Il microscopio a lente singola di Leeuwenhoek5
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Germania 1840
Friedrich Henle
Teoria del “germe”
I microorganismi sono
responsabili di
MALATTIA nell’uomo
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Vienna 1850-1860
I.F. Semmelweis
Tentò di dimostrare che igermi dalla sala di anatomiagiungevano alla sala parto,tramite i medici e gli studentiSuggerì la disinfezione dellemani prima di interveniresulla puerpera.Non fu mai ascoltato
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1870-1880
Francia e Germaniaviene dimostrato che alcuni microorganismi sono i
responsabili di carbonchio, rabbia, peste, colera e tubercolosi
Pasteur Koch
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MICROBIOLOGIA
• Batteri
• Virus
• Miceti
• Protozoi e altri parassiti9
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MicrorganismiOrganismi unicellulari
EucariotiNucleo evidente con
membrana
Batteri Nucleo non evidente
AlgheProtozoiMiceti
EubatteriClamidie
SpirocheteRickettsie
Micoplasmi 10
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Only a minute fraction of the Earth’s bacteria have been identified
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Yim et al. Phil. Trans. R. Soc. B (2007) 362, 1195–1200
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Enterobacterales (Enterobacteriaceae)
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Cellula Eucariotica
Nucleo
Cellula
procariotica
BATTERIdimensioni
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Citoplasma Nucleoide Ribosomi
Parete
cellulareMembrana
citoplasmatica
Membrana
citoplasmatica
Reticolo
endoplasmatico
Ribosomi
Nucleo
Nucleolo
Membrana
nucleare
Citoplasma
Mitocondrio
Cloroplasto
STRUTTURA INTERNA DELLA CELLULA MICROBICA
a) CELLULA PROCARIOTICA b) CELLULA EUCARIOTICA
plasmide
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Proteine
Acidi
nucleiciLipidi
Polisaccaridi
Nucleoide Ribosomi
Granuli
D’accumulo
Parete
CitoplasmaFlagello
Membrana
Composizione: H2O (80%), K, Na, Mg, Ca, Fe,
Zn, P, S e macromolecole organiche
localizzazione delle macromolecole nella cellula batterica
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1. Cocchi, 2. Diplococchi,
3. Streptococchi, 4. Stafilococchi
5.Tetradi di cocchi, 6. Coccobacilli
7. Clostridi, 8. Bastoncini,
9. Carbonchi, 10. Fusobatteri
11. Vibrioni, 12. Spirilli
13. Borrelie, 14. Treponemi
15. Leptospira
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COLORAZIONE semplice DELLE
CELLULE PER L’OSSERVAZIONE
MICROSCOPICA
Strisciare la coltura su un vetrino
Formando uno strato sottile
Asciugare all’aria
Passare il vetrino sulla fiamma per fissare il campione
Ricoprire il vetrino con colorante
Risciacquare e asciugare
Porre una goccia d’olio (da immersione)
sul vetrino; osservare con l’obiettivo 100x
Vetrino Olio
100x
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Hans Joachim Christian Gram
Il suo nome è legato all'importante
scoperta della colorazione di Gram
da lui effettuata nel 1884 a Berlino:
mentre esaminava del tessuto
polmonare di pazienti deceduti per
polmonite notò che le cellule
batteriche si coloravano più
intensamente con cristal violetto e
soluzione di lugol
Tale colorazione è tutt'oggi
essenziale nella classificazione dei
batteri22
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COLORAZIONE DI GRAM (complessa o
differenziale)
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 4
Ricoprire lo striscio fissato al calore
con cristal-violetto per 2-3 minuti
Tutte le cellule si coloreranno di viola
Aggiungere soluzione iodata per 1 minuto
Le cellule rimarranno viola
Decolorare in alcool per circa 1-2 minuti
Le cellule Gram-positive risulteranno
viola, quelle Gram-negative incolori
Colorare con fucsina per 1-2 minutiG-
G+
Le cellule Gram-positive (G+)
risulteranno viola, quelle Gram-negative
(G-) avranno una tonalità da rosa a rosso23
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La colorazione di Gram
Un Gram positivo Un Gram negativo Un Gram positivo
Bastoncelli Gram negativi
misti a cocchi Gram positivi
Cocchi Gram
positiviCocchi Gram
positivi24
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Colorazione di Ziehl-Neelsen(bacilli alcool-acido resistenti)
Fucsina fenicata a caldo 5 m
Acido solforico (20%) 30’’
Alcool 30’’
Blu di metilene 1 m
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Batteri alcool-acido resistenti: rossi
su fondo blu azzurro
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Osservazione a contrasto di fase
Un batterio (L. sakei),
400x
Un lievito (S. cerevisiae),
400xUna muffa (G. candidum),
400x
Un attinomicete
400x
Un lievito (Y. lipolytica)
400x
Una muffa (R. oligosporus),
400x28
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Osservazione in campo scuro
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Anatomia della cellula batterica
Schematicamente dall'esterno verso l'interno i batteri presentano:
a) glicocalice o slimeb) capsulac) flagelli, pili o fimbried) involucro (parete in generale) totalmente diverso tra gram-positivi e gram-negativi (tale differenza è messa in rilievo proprio dalla colorazione di Gram)e) membrana citoplasmaticaf) mesosomig) citoplasma cromosoma o altro materiale genetico accessorio: es. plasmidi. ribosomicorpi inclusi
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Glicocalice
Materiale stratificato intorno alla cellula
Strato S: distribuzione regolare (cristallina)
di sub-unità glicoproteiche piuttosto
gommoso
Capsula: matrice fibrosa costituita da
polimeri di carboidrati. Più comsistente.
Possono intrappolare acqua e gli antibiotici
senza dare impermeabilità
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FIGURA 2.34. Le capsule forniscono protezione per le cellule.
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Flagelli
Moto browniano
Movimento attivo
Flagello: unico filamento sprovvisto
di membrana – flagellina-
(diversa in specie batteriche diverse)
Chemiotassi positiva e negativa
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STRUTTURA
DI UN FLAGELLO
BATTERICO
Membrana
citoplasmatica
Proteina
Mot
Periplasma
Proteina Fli
invertitore
del motore
Anello MS
Peptidoglicano
Anello P
Anello L
Uncino
Flagellina
Filamento
Membrana
Esterna
LPS
Richiede molta energia
ATP
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Bacteria…
…are innumerable
…live in organized communities
…can communicate
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Are they « intelligent »?
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Intelligence in living beingsAdaptation to new situations
Robert, Dictionnaire de la Langue Française 2002
Intelligence in animalsAbility to form association links
between events or objects of which
it has had noprevious experienceOxford Dictionary of Science 2000
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Swimm
Tumble
s t
s
t
st
s
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Direct swim to the
source, up to a certain
concentration.
Swimming for food in E. coli
Then tumbling/swimming
again
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FIGURA 2.28. La mobilità indirizzata permette ai batteri di rispondere a segnali chimici esterni.
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FIGURA 2.30. Proteus mirabilis iperflagellato.
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Pili o Fimbrie
Le fimbrie sono appendici diverse dai flagelli,sono costituite da una proteina detta pilina chegioca un ruolo fondamentale nel processo diadesione dei batteri ad altre cellule(patogenicità). Spesso sono codificati daiplasmidi (vedi oltre) sia come fimbrie perl'adesività sia come pilo detto sessuale percreare un ponte citoplasmatico tra due cellulebatteriche nei processi di coniugazione.
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Type IV fimbriae (= bundle forming pilus)
Type I fimbriaeAfimbrial adhesin
Curli
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La Parete (Cell-Wall)
E’ lo strato compreso tra la membrana citoplasmatica e la capsula
Gram+: peptidoglicano e ac. teicoici
Gram-: peptiglicano, lipoproteine, membrana esterna e lipolisaccaride (LPS)
Fornisce protezione osmotica (5-20 atm) entra in gioco nella divisione non ha permeabilità selettiva
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Gram positivi Gram negativi
Peptidoglicano
Membrana
citoplasmatica
Peptidoglicano
Membrana
Periplasma
Membrana esterna
Lipopolisaccaridi e
proteine
RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA
DELLA PARETE CELLULAREDEI GRAM POSITIVI E NEGATIVI
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PARETE CELLULARE DEI GRAM
POSITIVI
Acido teicoicoProteina associata
alla pareteAcido
lipoteicoico
Peptidoglicano
Membrana
citoplasmatica
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BATTERIO GRAM NEGATIVO
Membrana esterna
Membrana
citoplasmatica
Peptidoglicano
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PARETE CELLULARE DEI
GRAM NEGATIVI
Membrana
esterna
Periplasma
Membrana
citoplasmastica Interno
FosfolipidePeptidoglicano
Lipoproteina
Polisaccaride O-specifico Core polisaccaridico
Lipide APorina
Esterno
Lipopolisaccaride
(LPS)
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G. Antonelli, M. Clementi, G. Pozzi, G.M. Rossolini Principi di Microbiologia medica, II ed. Copyright 2011 C.E.A. Casa Editrice Ambrosiana51
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Enzimi attivi sulla parete
Lisozima, contenuto nella saliva, lacrime e
mucosa nasale,
Autolisine, contenute negli stessi batteri:
glicosidasi, amidasi e peptidasi
(enzimi che intervengono sulla sintesi di
parete).
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Membrana citoplasmatica
Costituita da fosfolipidi e proteine, non
contiene steroli (negli eucarioti) presenta
invaginazioni: i mesosomi importanti nella
formazione del setto vi è attaccato il DNA in
certe specie su altri mesosomi vi è un sistema
di trasporto attivo (fotosintesi, azoto)
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Doppio strato fosfolipidico della
Membrana Citoplasmatica batterica
Regione
idrofila
Regione
idrofobica
Acidi grassi
H2O
FosfatoGlicerolo
Lipidi 40% (steroli assenti, fosfolipidi ++)
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STRUTTURA DELLA
MEMBRANA
CITOPLASMATICA
Molecola
fosfolipidicaProteine integrali
di membrana
FosfolipidiEsterno Gruppi
idrofilici
Gruppi
idrofobici
Interno
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Membrana citoplasmaticaFunzioni
permeabilità selettiva e trasporto,
trasporto elettroni e fosforilasi ossidativa
escrezione enzimi idrolitici
contiene enzimi e proteine (carrier) deputate alla sintesi del DNA, polimeri della parete, lipidi di membrana contiene recettori e proteine necessarie alla chemiotassi
Il 50% della membrana si presenta in uno stato semifluido dovuto alla grande attività per la crescita batterica
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FUNZIONI DELLA MEMBRANA CITOPLASMATICA
Barriera
di permeabilità
Sito di ancoraggio
Produzione dell’energia
Previene dispersioni e funziona come centro di transito
per il trasporto di nutrienti da e verso la cellula
Siti di molte proteine coinvolte nel trasporto, nelle
vie biosintetiche e nella chemiotassi
Enzimi della catena respiratoria
Mesosomi ?57
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Forza motrice protonica: le reazioni biochimiche a livello di MC creano un eccesso di H+ all’esterno (gradiente) che tendono a rientrare. Attraverso ATPasi la cellulagenera ATP.
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Lo spazio periplasmico
E’ compreso tra la membrana interna e quellaesterna, è riempito da un gel formato dapeptidoglicano idratato. Diffusi nel gel vi sonoinoltre proteine ed oligosaccaridi nonché proteineleganti specifici substrati, enzimi come la fosfatasialcalina che reagendo con substrati li rendonotrasportabili all’interno. Molti di questi compostiintervengono nella regolazione della pressioneosmotica, per esempio, cellule che crescono inambiente ipotonico aumentano la sintesi dioligosaccaridi.
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LPS, Endotossina: LIPIDE A
Dimero di N acetil
glucosamina
fosforilata ed
esterificata con acidi
grassi saturi
Ripetizione di unità diverse nelle
diverse specie
Contribuisce alla tossicità del
Lipide A influenzandone
l’idrosolubilità e la struttura
La struttura del lipide A è molto conservata; in particolare, è
praticamente identica in tutte le Enterobacteriaceae
Presenza costante di alcuni
zuccheri particolari come
l’acido cheto-deossioctonico
(KDO) e un eptoso
rappresentato in genere da
L-glicero-D-mannoeptoso
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Struttura
UNITA’ BASALE
Gruppo
N-acetile
N-acetilglucosamina (G) Acido N-acetilmuramico (M)
Legami
peptidici
Acido Meso
diaminopimelico
Legame sensibile
Al lisozima
L-alanina
Acido D-glutammico
D-alanina62
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FIGURA 2.15. I legami crociati tra le catene peptidiche danno resistenza al peptidoglicano.
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Sistemi di secrezione(Gram-negativi)
Sono NOTI SEI (sette) SISTEMI di esportazione di molecole
effettrici nella membrana e citoplasma della cellula ospite della
quale modulano ed alterano le funzioni per favorire la propria
sopravvivenza e replicazione nei tessuti dell.ospite. L’energia
necessaria per il trasporto del substrato è fornita da ATP per
azione di ATPasi (tranne che nel sistema IV) situata nella
faccia interna della membrana citoplasmica. Alla
secrezione di molte proteine batteriche partecipano delle
chaperonine che legano il substrato, ne impediscono la
degradazione e ne orientano il passaggio attraverso i vari
sistemi
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Sistemi di secrezione(Gram-negativi)
Tipo I: la proteina è direttamente liberata nell’ambiente attraverso una porina
Tipo II: la proteina viene immessa nello spazio periplasmico quindi un vettore la porta all’esterno
TipoIII: la proteina è introdotta nella cellula bersaglio direttamente con un meccanismo tipo siringa
TipoIV: il prodotto è inserito in un altro microorganismo o cellula mediante un ponte citoplasmatico (donatore e ricevente)
Tipo V: la proteina è portata all’esterno mediante se stessa (autotrasporto)
Tipo VI: la proteina è direttamente iniettata nella cellula bersaglio (eu-procariota) mediante meccanismo attivo (coda di fago)
Tipo VII: (MT) la proteina è immessa fuori dalla membrana interna e portata all’esterno attraverso un meccanismo non ancora noto
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Fig. 4. Model for type VII secretion. Both Esx and PE/PPE proteins are exported as dimers
by the T7S secretion machinery. Substrate recognition occurs via a C-terminal secretion motif on one of the dimer subunits (indicated by a
red box). The cytosolic component EspG specifically recognizes PE/PPE proteins and possibly targets these substrates to the putative
membrane channel that consists of EccB, EccC, EccD and EccE. The three nucleotide binding domains of EccC are likely involved in
energizing translocation of substrates through this channel. In this model, T7S is a two-step process, in which the channel in the outer
membrane refers to a hypothetical, so far unidentified pore.
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Sistemi di secrezione(Gram-positivi)
Le proteine elaborate nel citoplasma sono
trasferite a livello di membrana citoplasmatica
qui alcune proteine vettore (chaperone)
mediano il passaggio attraverso la parete
durante il quale la proteina si trasforma nella
versione funzionale con meccanismo non noto
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FUNZIONI DEL CROMOSOMA
Il cromosoma consiste di circa 3,8-4,5 milioni di basiappaiate, esso è diviso funzionalmente in segmenti,ciascuno dei quali determina una sequenza diaminoacidi e quindi la struttura di una proteina.Queste proteine, enzimi, componenti dellamembrana ecc. costituiscono le proprietà delmicrorganismo. Un segmento di DNA che determinaun prodotto funzionale è chiamato gene. Gli eventiattraverso i quali una sequenza di nucleotidi di ungene determina una proteina sono i seguenti:
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L’enzima RNApolimerasi, usando il DNA
come modello, forma una singola catena
poliribonucleotidica chiamata RNA
messaggero (mRNA). Questo processo è noto
come trascrizione. Questo mRNA ha una
sequenza nucleotidica che è complementare
con una delle catene della doppia elica di
DNA.
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Gli aminoacidi sono attivati enzimaticamente e
trasferiti ad una molecola particolare di RNA
chiamato RNA transfer (tRNA). Questi tRNA hanno
una struttura che presenta ad una estremità una
tripletta di basi sul mRNA, ed all’altra estremità
hanno legato l’aminoacido corrispondente. La
tripletta posta sul mRNA si chiama codon.
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mRNA ed il tRNA vanno insieme sulla
superficie del ribosoma. Il tRNA trova la
tripletta complementare sul mRNA. Il
ribosoma si muove sul mRNA e la sintesi
procede. Il processo è noto come traduzione.
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PLASMIDI
I plasmidi sono piccoli elementi di DNA circolare
che si replicano autonomamente (replicon, fattori R,
elementi genetici extracromosomici, geni aggiunti,
episomi, profagi non integrati). Codificano per
funzioni non indispensabili per la cellula, ma che
possono essere fondamentali in particolari ambienti.
Diffusione della resistenza agli antibiotici
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Plasmidi o Fattori R
• Scoperti in Giappone nel 1955
• Coniugativi e non
• Codificano resistenza per uno o più antibiotici
• Possono quindi essere selezionati da uno qualsiasi degli antibiotici inefficaci
• Possono codificare anche resistenza ai metalli pesanti
• Spesso codificano per enzimi inattivanti
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Origine dei Fattori R
Esistevano prima dell’era antibiotica
Veicolati spesso da microorganismi produttori di antibiotici
e/o
occupanti le stesse nicchie dei germi produttori di antibiotici
Ceppi produttori di antibiotici sintetizzano enzimi simili a quelli specificati dai Fattori R
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PLASMIDI
Elementi genetici extracromosomici DNA
circolare, doppia elica replicazione autonoma
( da 1.5 a 400 Kb 1-1,5 Kb = 1 gene
4500 Kb = cromosoma
1 Mdal = 1 milione dalt = 3 Kb
1ųm = 2 Mdal
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PLASMIDI
ClassificazioneFenotipo
Numero di copie
Peso molecolare
Frammenti di restrizione
Gruppo di compatibilità
Genetico e biochimico
Fattori R coniugativi e non
Amplificazione dei geni
Batteriocine
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ENDOSPORE
Diversi microorganismi (gram+), quando lecondizioni ambientali diventano sfavorevoli,sono in grado di formare endospore (Bacillus,Clostridium, Sporosarcina ecc.) che poi sonoliberate nell’ambiente.
La spora è una cellula in fase di riposo,altamente resistente al calore, all’essiccamento,e agenti chimici, quando le condizioni risultanonuovamente favorevoli la spora germina eproduce una cellula vegetativa.
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Sporulazione
La sporulazione comporta la produzione di nuovestrutture, enzimi e metaboliti. Circa 200 geni strutturalisono attivati durante il processo. Inizia con unainvaginazione della MC sino a racchiudere il nucleo. Laprespora si trova così racchiusa tra due membranecapaci di sintetizzare parete nella parte compresa traloro. La prima struttura che appare si chiama corteccia,con internamente la parete della spora, all’esterno delledue membrane si costituisce la tunica sporale(mantello), ed oltre la tunica l’esosporio. Tutto richiedeuna gran quantità di calcio e sintesi di ac. dipicolinico.All’interno ove è contenuto il nucleo (core), gli enzimivegetativi sono degradati e rimpiazzati da costituentidella spora.
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STADI DI FORMAZIONE
DELL’ENDOSPORA
Stadio 0
Stadio 1
Stadio 2
Stadio 3 Stadio 4
Stadio 5
Stadio 6
Stadio 7
Cellula
vegetativa
Parete
Membrana
citoplasmatica
DNA
Spora in via di sviluppo
Membrana
interna della spora
Membrana
esterna
della spora
Core
Nucleo
centrale
Disidratazione
Esosporio
Corteccia iniziale
Strati corticali
Esosporio
Core
Spora libera
7-10h
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Proprietà
Core: contiene il nucleo, tutti icomponenti della sintesi proteica ed unsistema per generare energia basato sullaglicolisi. L’energia per la germinazione èconservata in 3-fosfoglicerato piuttostoche ATP. La resistenza è dovuta in parteallo stato disidratato e alla presenza nelcore di dipicolinato di calcio (intermedionella sintesi della lisina)
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Proprietà
Parete della spora
E’ lo strato più interno di parete checirconda la MI della spora, composta dipeptidoglicano (diventerà parete nellacellula quando germinerà)
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Proprietà
Cortex
E’ lo strato più spesso dell’involucrodella spora, contiene peptidoglicano macon meno legami crociati di quello usuale.Sensibile al lisozima, la sua autolisi èimportante durante la germinazione.
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Proprietà
Mantello
E’ composto da proteine di tipocheratinoso aventi molti legami disolfuro.Impermeabile agli agenti chimici.
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Proprietà
Esosporio
Lipoproteina contenente alcuni carboidrati.
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Fisiologia della spora
Nessun consumo di O2
Attività enzimatiche assenti
Assenza di sintesi macromolecolari
Resistenti agli UV e all’essiccazione
Termoresistenza: stabilità proteine(particolare stabilizzazione della struttura2aria e 3aria), Ca, acido dipicolinico problemasterilizzazione
Possono sopravvivere per decine di anni
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GERMINAZIONE
Avviene in tre stadi: attivazione, iniziazione e crescita.AttivazioneAnche se posta in ambienti favorevoli la spora nongermina se non vi è danno al mantello: calore, abrasione,acidità e composti contenenti gruppi sulfidrici liberi.IniziazioneUna volta attivata la spora, la germinazione avviene secerti effettori sono legati (L-alanina, adenosina). Questomette in azione l’autolisina che degrada il cortex. E’assunta acqua, è liberato il dipicolinato di calcio e sonodegradati gli altri costituenti della spora.CrescitaSi osserva un rigonfiamento all’interno (core) e quindisintesi di nuova parete su quella già presente (parete dellaspora) con successiva divisione cellulare.
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Resistenza Inattivazione
Batteri non
sporigeni
80°C, 5-10 min
Sporigeni
C. botulinum
C. tetani
Clostridi
gangrena
gassosa
Bollitura
330 min
90 min
30 min
Vapor acqueo
20 min, 121°C,
1 atmosfera
Calore secco
90 min, 170°C
DIFFERENZE PRINCIPALI TRA
ENDOSPORA E CELLULA ORIGINARIA
Morfologia e dimensioni
Composizione
Resistenza agenti chimici e fisici
Attività metaboliche
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