4 La pressione osmotica La presenza di sali o zuccheri in acqua determina l’aumento della pressione osmotica con conseguente perdita di acqua da parte della cellula batterica (disidratazione o avvizzimento cellulare) I batteri capaci di resistere ad alte concentrazioni di sale sono definiti ALOTOLLERANTI, ALOFILI o ALOFILI ESTREMI: I batteri capaci di resistere ad alte concentrazioni di zuccheri sono invece definiti OSMOFILI 1 OSMOSI Diffusione di acqua attraverso una membrana a permeabilità selettiva o una qualsiasi altra cellula priva di parete 2 Alla pressione osmotica è strettamente connessa la disponibilità dell’acqua (attività dell’acqua, aw) L’attività dell’acqua (Aw) rappresenta il rapporto tra la pressione di vapore del substrato considerato (per es. un alimento) e la pressione di vapore dell’acqua pura nelle stesse condizioni: aw = Palimento/Pacqua (è una misura dell'acqua disponibile per la crescita di un microrganismo) Il valore dell’Aw va da 0 a 1 (1 = acqua pura) L’Aw è utilizzata per prevedere la crescita dei microrganismi negli alimenti Microrganismo Minima aw necessaria per la crescita Caulobacter (G -) 1.00 Spirillum (G -) 1.00 Pseudomonas (G -) 0.91 Salmonella/E. coli (G -) 0.91 Lactobacillus (G +) 0.90 Bacillus (G +) 0.90 Staphylococcus (G +) 0.85 Halococcus (Archea) 0.75 Il valore di aw si può abbassare privando il substrato (ad es. un alimento) di acqua o aggiungendo sostanze come il sale o lo zucchero 3 La riproduzione della cellula batterica I batteri si riproducono per SCISSIONE BINARIA (processo cellulare di MITOSI). In questo processo si verifica: - la duplicazione del cromosoma batterico - l’allungamento della cellula - la formazione di un setto trasverso in posizione centrale - la suddivisione di una copia del cromosoma e del citoplasma nelle due cellule figlie Formazione del setto divisorio La SCISSIONE BINARIA è un processo di riproduzione asessuata. I batteri non si riproducono sessualmente (sebbene sia possibile un processo di scambio di informazioni genetiche tra due cellule batteriche noto come CONIUGAZIONE BATTERICA, che rappresenta una forma di sessualità, come vedremo in una prossima lezione) In seguito a scissione binaria si verifica un aumento del numero degli individui con costituzione di una COLTURA BATTERICA o POPOLAZIONE 4 Studiare la CRESCITA BATTERICA significa analizzare come il numero degli individui in una popolazione varia rispetto al tempo 5 La curva di crescita batterica numero di batteri vivi In coltura in batch (cioè in un sistema chiuso) → esaurimento nutrienti accumulo prodotti di rifiuto 1 – Fase di LATENZA (lag): fase di adattamento dei microrganismi al mezzo di coltura (sintesi di proteine, ATP, enzimi); la velocità di crescita è considerata pari a zero Tempo (ore) 2 – Fase ESPONENZIALE (log): fase in cui i batteri si riproducono alla velocità massima. Il numero di batteri raddoppia ad intervalli regolari di tempo (= velocità costante) 3 – Fase STAZIONARIA: la mancanza di nutrienti e l’accumulo di metaboliti tossici rallentano la crescita fino ad azzerarla (v = 0). Numero di microrganismi costante 4 – Fase di MORTE: il numero di cellule vitali decresce in modo esponenziale (il numero di microrganismi dimezza ad intervalli costanti di tempo) 6 Fattori che influenzano la presenza e la durata della fase di latenza Fase di latenza: non sempre è presente e la sua presenza è influenzata da: 1. stato fisiologico delle cellule 2. tipo di terreno colturale 3. modalità di inoculo Inoculi abbondanti riducono la fase di latenza e inoculi diluiti la allungano Talvolta si possono osservare fasi di latenza multiple, alternate a fasi di crescita, se il mezzo contiene fonti di carbonio diversificate. Tale fenomeno, detto DIAUXIA, è dovuto al fatto che, esaurita una delle fonti, la cellula deve risistemare il proprio corredo di enzimi per metabolizzare il nuovo substrato (questi enzimi sono dunque definiti ENZIMI INDUCIBILI) numero di batteri consumo del secondo zucchero (per esempio LATTOSIO o XILOSIO o MALTOSIO) seconda fase di latenza esaurimento del primo zucchero (tipicamente GLUCOSIO) tempo (ore) 7 Fattori che influenzano la fase esponenziale Diversi fattori possono influenzare la velocità di crescita di una coltura batterica e il suo TEMPO DI GENERAZIONE (tempo che intercorre tra due generazioni successive) 1. FATTORI GENETICI BATTERIO T ottimale TEMPO MEDIO DI GENERAZIONE (h) 2. FATTORI AMBIENTALI - sostanze nutritive - temperatura - pH - forza ionica (pressione osmotica) 8 Aspetti quantitativi della crescita in fase esponenziale La crescita batterica segue una progressione geometrica in base 2: 1 → 2 → 22 → 23 → 24 → → → 2n Nt = N0 × 2 n log Nt = log N0 + n log 2 - N0 = numero di batteri inoculati - Nt = numero di batteri al tempo t - n = numero di generazioni n = 3,3 log (Nt / N0) n = (log Nt – log N0) / log 2 Tempo medio di generazione (o di duplicazione) Tgen = t / n = t / [3,3 log (Nt / N0)] - t = intervallo di tempo Costante media del tasso di crescita k = n / t = 1 / Tgen 9 Il ciclo cellulare di Saccharomyces cerevisiae Fase stazionaria 0 G1 S S M G1 ac G1 = fase pre-sintetica M S = fase di sintesi del DNA M = fase mitotica G1 Si forma il fuso mitotico L’inizio della replicazione è ritardato nella cellula figlia poiché è necessario un tempo per l’accrescimento della cellula (ac); per questo, a S. cerevisiae non possono essere applicate le formule prima descritte per i batteri xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 10 I cromosomi in diversi organismi I procarioti possiedono nella maggior parte dei casi (ma non in tutti) un unico cromosoma circolare, mentre gli eucarioti presentano un numero molto vario di cromosomi lineari Organismo Numero di Numero coppie Tipo di cromosomi di cromosomi Dimensione (Mb = milioni di paia di basi) Mycoplasma genitalium 1 1 circolare 0,58 Escherichia coli 1 1 circolare 4,6 Agrobacterium tumefaciens 4 1 3 circolari 1 lineare 5,67 Sinorhizobium meliloti (batterio azotofissatore Gram negativo) 3 1 circolare 6,7 Saccharomyces cerevisiae 16 1o2 lineare 12,1 Schizosaccharomyces pombe 3 1o2 lineare 12,5 Caenorhabditis elegans 6 2 lineare 97 Drosophila melanogaster 4 2 lineare 180 Fugu rubripes (pesce palla) Mus musculus (topo) Homo sapiens 22 19+X+Y 22+(X o Y) 2 2 2 lineare lineare lineare 365 2500 2900 11 La coltivazione dei microrganismi 12 TERRENO DI COLTURA Miscela di composti biologici o sintetici, organici o minerali, capace di fornire un ambiente adatto alla crescita di un particolare tipo di microrganismo A) In base allo stato fisico 1) TERRENI LIQUIDI 2) TERRENI SOLIDI B) In base alla composizione chimica Classificazione dei terreni di coltura 1) TERRENI MINIMI: contengono in composizione nota solo sali inorganici 2) TERRENI SINTETICI: contengono in composizione nota sia composti organici sia inorganici 3) TERRENI COMPLESSI (RICCHI): ricchi di substrati organici di cui non tutti I componenti sono noti (estratti di lievito o di organo). Sono usati per l’isolamento di microrganismi nutrizionalmente esigenti C) In base alla funzione 1) TERRENI SELETTIVI 2) TERRENI DISCRIMINATIVI 3) TERRENI (COLTURE) DI ARRICCHIMENTO 13 TERRENI DI COLTURA: classificazione in base allo stato fisico LIQUIDI: sono chiamati BRODI (BROTH) SOLIDI: contengono AGAR L’AGAR è estratto dall’alga marina agar-agar ed è costituito dal polisaccaride AGAROSIO L’AGAROSIO è un polimero lineare con peso molecolare di 120 kDa, costituito da D-galattosio e 3,6-anidro-Lgalactopiranoside alternati e uniti da legami glicosidici α-(1→3) e β-(1→4) - Non è un nutriente, ma viene utilizzato come agente solidificante nei terreni di coltura - L’agar è ottimale per la preparazione dei terreni di coltura solidi perché ha una temperatura di liquefazione di 100°C e di solidificazione a 45°C 14