C.d.L. Scienze Biosanitarie e Farmaceutiche Corso di Microbiologia e Biotecnologie dei Microrganismi AA 2007 2008 1 SCOPI DELLA MICROBIOLOGIA La microbiologia studia gli organismi che sono troppo piccoli per essere visti a occhio nudo; fa uso di tecniche come la sterilizzazione e i mezzi di coltura, necessari per isolare e moltiplicare questi organismi. I microrganismi non si generano spontaneamente dalla materia inanimata ma derivano da altri microrganismi. Molte malattie hanno origine da infezioni virali batteriche fungine o protozoarie, per determinare il nesso tra malattia e mo sospetto possono esser e utilizzati i postulati di Kock. Lo sviluppo della microbiologia come scienza è dipeso dalla disponibilità delle tecniche microscopiche e dalla capacità di isolare e mantenere le colture pure di mo. I mo sono responsabili di molti cambiamenti a carico della materia organica e inorganica. I mo possono essere sia di tipo eucariotico che procariotico. 2 3 GLI ALBORI DELLA MICROBIOLOGIA Fin dai tempi antichi era conosciuto l’uso di strumenti come sfere di vetro o vetri di forma lenticolare. Ci vollero mille anni affinché fossero sviluppati cannocchiali e microscopi. Il primo osservatore del mondo microbico fu Anton Van Leeuwenhoek, fu in grado di costruire una lente capace di 300 ingrandimenti sufficiente a osservare semi, globuli rossi, e altre cellule. In una goccia d’acqua aveva scoperto microrganismi microscopici. 4 5 6 BIOGENESI E GENERAZIONE SPONTANEA Dopo la scoperta di Leeuwenhoek gli studiosi cominciarono a ipotizzare quale fosse l’origine di questi microrganismi. Due furono le teorie una affidava la presenza dei microrganismi a una crescita spontanea da materiale non vivente a seguito di reazioni chimiche (teoria della generazione spontanea) altri ipotizzarono che la loro origine derivasse da semi o germi che fossero presenti nell’aria e in tutte l e sostanze. Francesco Redi, Lazzaro Spallanzani, il primo dimostra che pezzi di carne in putrefazione contengono vermi che sono mosche in fase larvale non si formano se tenute ben chiuse, il secondo che scaldando infusi organici si previene la formazione dei microrganismi, tenendo anche i contenitori ben chiusi in caso contrario venivano contaminati, dimostrando come fosse l’aria a contaminare i preparati. A questi esperimenti seguirono anche le prove di Pasteur che dimostrarono come i mo si generassero in seguito a contaminazioni dei materiali impiegati. 7 8 BIOGENESI E GENERAZIONE SPONTANEA Altri esperimenti furono fatti da Luis Pasteur che dimostravano come l’aria fosse il veicolo di contaminazione delle preparazioni organiche. (esperimento del collo di bottiglia). Ruolo dei microorganismi nei cambiamenti chimici della materia organica: L’attività può essere di due tipi o di tipo putrefattivo o fermentativo, nel primo caso si hanno prodotti maleodoranti per l’attività microbica, nel secondo i fenomeni chimici sono a carico di zuccheri con formazione di alcoli e acidi per demolizione dei carboidrati, questi fenomeni fermentativi possono comunque rappresentare un vantaggio economico se si pensa a lla produzione di vino, latte o dei formaggi. 9 10 11 EZIOLOGIA DELLE MALATTIE E RUOLO DEI MICROORGANISMI Sin dal 1847 si aveva il sospetto che i microrganismi fossero causa di malattia, era elevatissimo il tasso di mortalità tra le puerpere, responsabili gli operatori che non applicavano nessuna pratica igienica. Si manifesto così il problema (Ignaz Semmelweiss 1818 – 65 ) della sepsi inzialmente si cerco di migliorare le condizioni igieniche nella pratica chirurgica quindi il problema fu definitivamente risolto da Lister, che propose l’impiego di un agente disinfettante l’acido carbolico, la sepsi venne ridotta e si dimostro definitivamente come le malattie infettive erano da mettere in relazione con la moltiplicazione dei microrganismi nei tessuti. Davaine dimostrazione che forme bastoncellari di microrganismi erano presenti negli animali ammalati e non in quelli sani. Robert Kock dimostrazione che col materiale di un bovino ammalato si può infettare una cavia in laboratorio. 12 13 EZIOLOGIA DELLE MALATTIE E RUOLO DEI MICROORGANISMI Kock fu poi in grado di far crescere l’agente infettivo su un apposito terreno di coltura (gocce di siero sterile), dimostro la presenza all’interno dei microorganismi delle spore, che potevano essere fatte germinare e i batteri che si formavano provocare di nuovo la malattia. La scoperta dei virus filtrabili: un contributo importante dato da Pasteur fu l’impiego di filtri che permettevano la separazione dei batteri presenti all’interno di un fluido, nel 1892 un batteriologo russo dimostro che il filtrato di foglie macerate della pianta di tabacco colpita dal mosaico se pur sottoposte a filtrazione mantenevano la loro capacità infettante, questa nuova classe di microorganismi infettanti era costituita dai virus. 14 15 COLTURE PURE Vennero quindi sviluppati dei metodi in grado di garantire la presenza di una colonia pura. Aggiunta di gelatina a terreni liquidi i modo da solidificarli, questo metodo era limitato ai 28° di temperatura. (inservibile per i batteri che crescono a 37°). Furono impiegate diversi supporti patate, pasta d’amido, o albume d’uovo si potevano ottenere colture isolate, questi sistemi comportavano degli svantaggi che furono superati con l’introduzione dell’agar-agar. (polisaccaride complesso estratto dalle alghe). 16 GENERALITÀ SUI MICROORGANISMI Il nostro mondo è popolato da un vastissimo ed enorme gruppo di organismi invisibili ad occhio nudo. Le cellule microbiche sono in grado di vivere in maniera autonoma in modo differente rispetto alle cellule degli organismi superiori, che fanno parte di organismi multicellulari. Una singola cellula microbica è in genere capace di produrre energia e riprodursi in maniera autonoma rispetto a cellule dello stesso tipo. La cellula è l’unità fondamentale di tutta la materia vivente. Le cellule variano notevolmente per dimensioni (uovo di struzzo 13x17 cm) 17 18 19 DIVERSITÀ DEI MICROORGANISMI EUCARIOTI E PROCARIOTI, VIRUS I microrganismi vengono divisi in sei gruppi batteri, funghi, protozoi, alghe, cianobatteri e virus. La maggior parte di questi è unicellulare mentre alcuni funghi e alghe sono pluricellulari, i virus sono strutture più semplici sono agenti infettivi. La più importante differenza esistente tra eucarioti e procarioti è rappresentata da una diversa struttura del nucleo contenuto all’interno di una membrana negli eucarioti (membrana plasmatica) mentre nei procarioti il materiale genetico è disciolto nel citoplasma. 20 TIPO ENERGIA CARBONIO MICROORGANISMI FOTOAUTOTROFI LUCE CO2 ALGHE BLU VERDI FOTOETEROTROFI LUCE COMPOSTI ORGANICI BATTERI NON SULFUREI , FOTOSINTETICI CHEMIOAUTOTROFI COMPOSTI INORGANICI CO2 BATTERI SOLFO AMMONIO FERRO BATTERI METANOPRODUTTORI CHEMIOETEROTROFI COMPOSTI ORGANICI COMPOSTI ORGANICI PROTOZOI, FUUNGHI, BATTERI DI INTERESSE MEDICO FOTOSINTETICI CHEMIOSINTETICI 21 EUCARIOTI Protozoi Organismi unicellulari, mancanza di parete cellulare e incapacità a realizzare la fotosintesi, la maggior parte dei protozoi è mobile per flagelli o ciglia o pseudopodi. Responsabili di molte malattie tra cui la malaria. Funghi Presenza di parete cellulare mancanza di mobilità assenza della fotosintesi, per la loro crescita dipendono da fonti esterne di composti organici alcuni funghi possono utilizzare tessuti viventi e sono causa di malattia. Lieviti sono rappresentati da singole cellule, le muffe producono invece strutture multicellulari. Sono responsabili di malattie persistenti e sfiguranti. (numerosi tipi di infezione). 22 23 24 25 26 27 28 Alghe Popolano tutto il mondo sia con forme unicellulari microscopiche che multicellulari sono fotosintetizzanti e contengono nel loro citoplasma numerosi cloroplasti. Possono rilasciare prodotti tossici e contaminare l’ambiente con manifestazioni nei pesci e negli animali superiori. 29 DISTRIBUZIONE DEI MICROORGANISMI IN NATURA I microrganismi sono presenti virtualmente ovunque , la loro enorme varietà ne consente la sopravvivenza in condizioni molto disparate. La loro presenza è maggiore là dove trovano migliori condizioni di vivibilità nutrienti, umidità adatte al loro accrescimento. Tali condizioni sono quelle in cui vivono ordinariamente animali e uomini, ci si spiega perché sono rintracciabili sulle superfici dei tessuti di organismi animali e vegetali. Sono abbondanti nel cavo orale, tratto respiratorio. I microorganismi presenti nei corpi di animali superiori sono in funzione simbiontica e costituiscono la flora microbica. 30 RUOLO DEI MICROORGANISMI Microbiologia ambientale Microbiologia dell’aria Microbiologia del suolo Microbiologia degli alimenti Microbiologia industriale Microbiologia medica (che si occupa dei microbi patogeni cioè capaci di causare malattie) 31 ATTIVITÀ BENEFICHE DEI MICROORGANISMI Sono essenziali per il ciclo biogeochimico terrestre perché sono capaci di decomporre ogni materiale organico in metaboliti semplici che possono esser e poi riutilizzati, in questo modo è possibile mantenere la vita in continuità sulla terra. Alcuni batteri contribuiscono alla fertilità del suolo in quanto sono capaci ad esempio di fissare l’azoto atmosferico, sebbene l’azoto sia presente nell’atmosfera molti microrganismi non sono in grado di utilizzarlo, esistono alcune specie di batteri genere rhizobium che sono in grado di fissano l’azoto e lo convertono in ammoniaca che vien poi trasformata in sostanza organica dalle piante. La pianta quindi che viene infettata dal batterio fornisce carbonio ed energia al batterio e il batterio fornisce composti azotati. 32 33 ATTIVITÀ BENEFICHE La produzione carnea dipende dai microrganismi in quanto i ruminanti non sono in grado di digerire cellulosa, amido, pectina queste sostanze possono essere sfruttate grazie alla presenza nel loro digerente di microrganismi che digeriscono la cellulosa. Alcuni nostri cibi sono ottenuti mediante azione dei microorganismi che trasformano il latte in formaggi o la lievitazione dle pane, o la produzione di bevande alcoliche che è possibile produrre grazie all’intervento dei lieviti. Vengono sfruttati anche per la produzione di energia e demolizione di rifiuti dell’industria chimica e farmaceutica. Ingegneria genetica 34 ATTIVITÀ NOCIVE La moltiplicazione batterica non sempre porta ad eventi benefici Azioni nocive sono la decomposizione dei cibi contaminazione di piante e ovviamente le numerose malattie dell’uomo degli animali e delle piante. Non esiste sostanza che non possa essere modificata dall’intervento microbico. I microorganismi come causa di malattia In anni recenti i progressi della ricerca hanno notevolmente ridotto l’impatto delle malattie infettive, d’altra parte oggi viene segnalata la comparsa di malattie virali prima sconosciute come AIDS e BSE e inoltre è possibile verificare la persistenza di infezioni tradizionali. (TBC, febbre gialla,colera, malaria). 35 36 I MICROORGANISMI COME CAUSA DI CONTAMINAZIONE DEGLI ALIMENTI Gli alimenti sono particolarmente esposti alla contaminazione per la ricchezza delle sostanze nutritive presenti che costituiscono un ottimo terreno colturale. I cibi contaminati sono immangiabili o peggio rappresentano una fonte di malattie Le tossinfezioni alimentari Sono causate dall’ ingestione di alimenti contaminati e cibo contaminato da parte di batteri tossine batteriche parassiti e virus. La crescita di questi microorganismo è consentita dalle condizioni in cui sono tenuti gli alimenti che consentono la proliferazione dei microorganismi e la produzione delle loro tossine. 37 38 In genere le tossinfezioni hanno breve periodo di incubazione con nausea diarrea vomito. A lungo periodo di incubazione si presentano le infezioni di Salmonella con febbre, brividi e disturbi dell’ultimo tratto dell’intestino. 39