Sommario 1 Il mondo dei microrganismi Introduzione 4 1.1 I microrganismi 4 3.3 La replicazione dei microrganismi eucariotici 3.4 L’origine delle cellule eucariotiche Prospettiva 3.2 Sfruttare una storia condivisa con le piante per il 93 96 trattamento della malaria 100 101 16 3.5 Interazioni dei microrganismi eucariotici con gli animali, le piante e l’ambiente Sommario Prospettiva 1.2 Ribozimi: prove di un mondo a RNA 18 19 4 Gli archaea 1.3 Metabolismo microbico ed ecologia 24 1.4 Microrganismi e malattie 27 Sommario 34 Introduzione 4.1 Proprietà caratteristiche degli archaea 4.2 Struttura della cellula archeale Toolbox 1.1 Amplificazione dei geni rRNA con la reazione a catena della polimerasi Mini-Articolo I tre domini della vita 10 12 1.2 Genetica microbica Prospettiva 1.1 Creare materia organica da molecole inorganiche, in laboratorio: l’esperimento di Miller e Urey Toolbox 4.1 Strategie di somministrazione per i vaccini 2 I batteri 4.3 La diversità degli archaea Introduzione 38 2.1 Morfologia delle cellule batteriche Prospettiva 4.1 Estremofili e biotecnologia Mini-Articolo Il ruolo degli archaea nel nostro sistema digestivo 38 2.2 Il citoplasma 41 Sommario 2.3 Il citoscheletro della cellula batterica 44 2.4 L’involucro cellulare 45 Prospettiva 2.1 Gli straordinari magnetosomi! 46 Toolbox 2.1 La colorazione di Gram 55 Prospettiva 2.2 Gli involucri di protezione delle endospore 57 Mini-Articolo Nuovi metodi di microscopia rivelano un periplasma nei Gram positivi 60 2.5 La superficie della cellula batterica 62 2.6 Tassonomia batterica 68 Sommario 70 3 I microrganismi eucariotici Introduzione 3.1 L a morfologia tipica delle cellule eucariotiche Mini-Articolo Zattere lipidiche: raggruppamenti organizzati di lipidi 76 all’interno della membrana Toolbox 3.1 Utilizziamo la microscopia per esaminare la struttura cellulare Prospettiva 3.1 Dirottando il citoscheletro 82 3.2 La diversità dei microrganismi eucariotici 88 000_XX-XXIV_Sommario_Wessner.indd 20 84 87 110 110 112 117 120 122 124 129 5 I virus Introduzione 5.1 Un quadro generale dei virus 5.2 Origini dei virus 5.3 Coltivazione, purificazione e quantificazione dei virus 134 134 142 Toolbox 5.1 Tecniche di coltura cellulare Prospettiva 5.1 Determinazione della carica virale di HIV 143 145 148 5.4 Diversità dei virus 150 Toolbox 5.2 Reverse transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) 154 5.5 Particelle simili ai virus 5.6 Virologia oggi 155 Mini-Articolo Nuove scoperte sull’impaccamento del DNA nel 76 105 batteriofago modello T4 Sommario 157 158 161 6 Coltivazione dei microrganismi Introduzione 6.1 Esigenze nutrizionali dei microrganismi 166 166 05/11/15 10:49 XXI sommario ISBN 978-88-08-18100-8 6.2 Fattori che influiscono sulla crescita microbica Toolbox 6.1 Il sistema commerciale “phenotype microarrays” per analizzare le richieste nutrizionali dei microrganismi 6.3 Coltivare microrganismi in laboratorio Prospettiva 6.1 La scoperta di Helicobacter pylori Toolbox 6.2 Andando a pesca (“FISHing”) di batteri non coltivati Mini-Articolo Ottenere la crescita di microrganismi finora non 168 9.3 Enzimi di restrizione, vettori e clonaggio 278 9.4 Ricombinazione e trasferimento del DNA 285 169 Prospettiva 9.1 Plasmidi che inducono patogenicità Mini-Articolo La scoperta della trasduzione 290 298 Sommario 302 173 178 181 coltivabili, con il sistema delle membrane su substrato di suolo (SSMS – Soil Substrate Membrane System) 182 6.4 Misurare la crescita della popolazione batterica Prospettiva 6.2 Mycobacterium leprae, un patogeno dalla crescita straordinariamente lenta Prospettiva 6.3 L’intestino umano, una coltura continua 7.4 Traduzione 7.5 Gli effetti delle mutazioni Mini-Articolo I telomeri che agiscono da promotori Prospettiva 7.1 Utilizzo delle mutazioni per il controllo delle infezioni virali Sommario 10.2 Analisi genomica dell’espressione genica 314 10.3 Genomica comparata 320 204 204 211 217 219 223 229 232 235 236 8 Strategie di replicazione virale Introduzione 8.1 Riconoscimento delle cellule ospiti Toolbox 8.1 Western blot 8.2 Ingresso e spoliazione virale 8.3 Replicazione virale 8.4 Assemblaggio e uscita virale 8.5 Farmaci antivirali 240 240 242 244 248 255 Prospettiva 8.1 Il DNA microarray e il virus della SARS Mini-Articolo La scoperta della trascrittasi inversa 256 258 260 Sommario 262 9 Analisi genetica nei batteri Introduzione 9.1 I batteri come soggetti della ricerca genetica 9.2 Ceppi, mutanti e mutazioni Toolbox 9.1 Isolamento di mutanti nutrizionali 000_XX-XXIV_Sommario_Wessner.indd 21 306 310 312 191 193 genica le proteine che si legano al DNA 306 184 7 Replicazione del DNA ed espressione Toolbox 7.1 Esperimenti di ritardo elettroforetico per identificare Introduzione 10.1 Sequenziamento genomico Prospettiva 10.1 Velocità di sequenziamento del DNA Toolbox 10.1 Database genomici 6.5 Eliminare i batteri o prevenirne la crescita 193 Sommario 199 Introduzione 7.1 Il ruolo del DNA 7.2 Replicazione del DNA 7.3 Trascrizione 10 Genomica dei microrganismi 268 Prospettiva 10.2 Il genoma minimo Mini-Articolo Sequenza genomica di un batterio killer 321 322 10.4 Metagenomica Sommario 325 327 11 Regolazione dell’espressione genica Introduzione 11.1 Espressione genica differenziale 11.2 L’operone 11.3 Regolazione globale Mini-Articolo Modulazione dei promotori per la synthetic biology Prospettiva 11.1 Uso di analoghi del lattosio in studi di espressione genica 11.4 Controllo post-trascrizionale dell’espressione genica Toolbox 11.1 Uso di RNA per diminuire l’espressione genica 11.5 Quorum sensing 11.6 Sistemi di regolazione a due componenti 11.7 Chemiotassi Sommario 332 332 334 339 340 344 347 349 350 354 356 360 12 Biotecnologie microbiche Introduzione 12.1 I microrganismi e le biotecnologie Prospettiva 12.1 Bioprospezione: a chi appartengono i microrganismi? 12.2 Modificazioni genetiche Toolbox 12.1 Mutagenesi sito-diretta Toolbox 12.2 Purificazione di proteine di fusione Mini-Articolo Costruzione di un genoma sintetico 12.3 Biotecnologie rosse 12.4 Biotecnologie bianche Prospettiva 12.2 Biocarburanti: biodiesel e alghe 364 365 366 369 371 376 378 380 382 386 268 12.5 Biotecnologie verdi 272 274 Toolbox 12.3 Trasformazione di piante mediante batteri 392 394 Sommario 398 09/11/15 17:21 XXII sommario ISBN 978-88-08-18100-8 13 Metabolismo Introduzione 13.1 Energia, enzimi e ATP Prospettiva 13.1 A chi servono le vitamine? 13.2 Processi centrali nella sintesi di ATP 13.3 Uso del carbonio tra i microrganismi 13.4 La respirazione e il sistema di trasporto degli elettroni Prospettiva 13.2 Batteri elettrogeni e celle microbiche a combustibile 13.5 Metabolismo delle fonti di carbonio diverse dal glucosio Toolbox 13.1 Il metabolismo e l’identificazione rapida dei batteri 13.6 Fototrofia e fotosintesi 13.7 Metabolismo dello zolfo e dell’azoto 13.8 Biosintesi dei componenti cellulari Mini-Articolo Sequenza genomica di un simbionte di acque marine abissali Sommario 404 404 407 408 413 424 428 431 433 Toolbox 14.1 Utilizzo di microarray per esaminare le comunità microbiche: il GeoChip 14.2 Cicli guidati dal metabolismo del carbonio Prospettiva 14.1 CO2 come gas serra e la sua influenza sul cambiamento climatico 14.3 Cicli guidati dal metabolismo dell’azoto Mini-Articolo Il primo isolamento e coltivazione di un in librerie metagenomiche, basato sull’analisi dell’espressione genica Prospettiva 15.1 Classificazione dei batteri “non coltivabili” e “non caratterizzati” Introduzione 528 16.1 Il deterioramento degli alimenti 528 16.2 La conservazione degli alimenti 532 16.3 La fermentazione alimentare 538 16.4 Malattie di origine alimentare 544 16.5 Gli aspetti microbiologici della qualità dell’acqua 561 455 17 Simbionti microbici 460 461 463 465 466 475 482 484 15 Ecosistemi microbici Toolbox 15.1 Citometria a flusso Mini-Articolo Un metodo per l’identificazione di geni catabolici e dell’acqua Sommario 480 Introduzione 15.1 I microrganismi nell’ambiente 15.2 Struttura delle comunità microbiche 16 La microbiologia degli alimenti 452 14.4 L’interconnessione dei cicli Sommario 523 449 444 478 per l’ambiente provenienti dalle miniere Sommario 546 552 553 554 558 archea marino Prospettiva 14.2 La microbiologia dei drenaggi acidi e tossici 515 Prospettiva 16.1 Le implicazioni del bulking nei fanghi attivi Toolbox 16.1 Misurare la domanda biochimica di ossigeno (BOD) Mini-Articolo Rimozione biologica del fosforo potenziata Toolbox 16.2 Il metodo MPN (Most Probable Number) 435 14 Cicli biogeochimici Introduzione 14.1 Cicli dei nutrienti 15.5 Ecosistemi profondi del sottosuolo e di aree geotermiche 488 488 492 497 Introduzione 566 17.1 Le tipologie d’interazione microrganismo-ospite 567 17.2 I simbionti delle piante 568 17.3 Licheni 573 17.4 I simbionti dei vertebrati 575 575 581 584 591 Toolbox 17.1 Animali axenici e gnotobiotici Prospettiva 17.1 I probiotici funzionano? Mini-Articolo I microrganismi causano obesità? Prospettiva 17.2 I bovini contribuiscono al cambiamento climatico 17.5 I simbionti degli invertebrati Prospettiva 17.3 Midichlorians: non solo per Jedi Prospettiva 17.4 La morte delle barriere coralline 591 596 599 Sommario 601 18 Introduzione alle malattie infettive Introduzione 606 18.1 Microrganismi patogeni 607 610 Toolbox 18.1 Misurare la virulenza di un patogeno 18.2 Strategie di virulenza dei microrganismi 612 Prospettiva 18.1 Difese dell’ospite nei batteri 616 18.3 La trasmissione delle malattie infettive 617 498 18.4 Cause comprovate ed effetti delle infezioni microbiche 501 Prospettiva 18.2 L’armadillo: un modello animale ideale? 501 503 18.5 L’evoluzione dei patogeni Prospettiva 15.2 “Le zone morte” Mini-Articolo Epidemiologia di una malattia infettiva 629 630 15.4 Ecosistemi terrestri 509 Sommario 637 15.3 Ecosistemi acquatici 000_XX-XXIV_Sommario_Wessner.indd 22 625 628 09/11/15 17:21 19 Difese innate e adattative nei confronti Prospettiva 21.3 SV40 e i tumori umani Mini-Articolo I virus che causano il cancro influenzando 767 642 21.4 Evoluzione dei patogeni virali 772 642 Prospettiva 21.4 Problemi etici relativi alla ricerca dell’invasione microbica Immunità innata: Introduzione 19.1 Immunità 19.2 Barriere contro l’infezione 19.3 La risposta infiammatoria 19.4 Le molecole del sistema innato 19.5 Le cellule dell’immunità innata 19.6 Le difese degli invertebrati Immunità adattativa: Introduzione 19.7 Caratteristiche dell’immunità adattativa 19.8 I linfociti T 19.9 Processamento dell’antigene 19.10 Cellule presentanti l’antigene 19.11 Risposta immunitaria umorale e cellulo-mediata 19.12 I linfociti B e la produzione di anticorpi Sommario la proliferazione cellulare 643 646 648 656 664 666 667 669 673 678 682 683 694 20 Patogenesi delle infezioni batteriche Introduzione 20.1 Fattori di virulenza dei batteri Mini-Articolo E. coli inietta il suo stesso recettore nelle cellule bersaglio Toolbox 20.1 Sierotipizzazione Prospettiva 20.1 Il lato buono, quello brutto e quello cattivo della tossina botulinica Prospettiva 20.2 Tamponi super assorbenti e superantigeni 20.2 Sopravvivenza nell’ospite: strategie e conseguenze 702 702 708 710 716 723 Prospettiva 20.3 Ferro, vampiri, moda e la peste bianca Toolbox 20.2 Il test della tubercolina per la tubercolosi 728 729 736 20.3 Evoluzione dei batteri patogeni 737 Prospettiva 20.4 Gli antibiotici inducono la produzione delle tossine? Sommario 740 744 21 Patogenesi virale Introduzione 21.1 Temi ricorrenti nella patogenesi virale Prospettiva 21.1 Trasmissione verticale di HIV 21.2 Interazioni con l’ospite: strategie e conseguenze Prospettiva 21.2 Induzione virale dell’apoptosi 21.3 Infezioni virali e cancro Toolbox 21.1 Immunoprecipitazione 000_XX-XXIV_Sommario_Wessner.indd 23 XXIII sommario ISBN 978-88-08-18100-8 750 750 755 sull’influenza aviaria Sommario 768 778 778 22 Patogenesi delle infezioni da microrganismi eucariotici Introduzione 22.1 Meccanismi di patogenesi dei microrganismi eucariotici Mini-Articolo Un sistema sperimentale per lo studio della genomica della grafiosi Prospettiva 22.1 Pneumocystis jirovecii o carinii: la tassonomia in continua evoluzione Prospettiva 22.2 I funghi allucinogeni 22.2 Studio di un patogeno: Plasmodium falciparum Toolbox 22.1 Test per la malaria 23.3 I patogeni eucariotici macroscopici 22.4 Evoluzione dei patogeni eucariotici 782 782 786 789 795 797 800 802 Prospettiva 22.3 I chitridi: patogeni fungini emergenti 804 806 Sommario 808 23 Controllo delle malattie infettive Introduzione 23.1 Aspetti storici del trattamento e controllo delle malattie infettive 23.2 Farmaci antimicrobici 23.3 Resistenza ai farmaci antimicrobici Toolbox 23.1 Test di sensibilità agli antibiotici e CMI Mini-Articolo I microrganismi del suolo possiedono un’estesa resistenza agli antibiotici Prospettiva 23.1 La ricerca di nuovi antibiotici: perché preoccuparsi? Prospettiva 23.2 Infezioni associate all’assistenza sanitaria: un modo sicuro per andare incontro a resistenze Prospettiva 23.3 Terapia fagica: controllo biologico delle infezioni 812 812 813 824 828 832 835 836 837 23.4 Prevenzione e controllo delle epidemie 838 23.5 Immunizzazione e vaccini 841 Prospettiva 23.4 Variolizzazione: infezione intenzionale col virus del vaiolo Sommario 842 852 758 760 Appendici857 762 766 Indice analitico871 09/11/15 17:22