LEZIONE 2.

Tutte le cellule, in particolare quelle microbiche, basano il loro essere cellula sul concetto di

capacità di riprodursi grazie a un metabolismo proprio.

Questo concetto è molto importante in microbiologia, perché a differenza dei macrorganismi

formati da più cellule, i microrganismi non contano in quanto individui, cioè non conta il singolo

organismo ma conta la popolazione, il numero. I macrorganismi invece agiscono individualmente e

a livello biologico le loro attività sono focalizzate sul singolo essere vivente. Invece per i batteri

questo non vale perché sono così piccoli che l’unico loro modo di avere un ruolo, da tutti i punti di

vista, è come popolazione. Contano in quanto numero elevato. A partire dai processi patologici,

noi non ci ammaliamo quando veniamo in contatto con un batterio patologico, la malattia la

patologia infettiva nasce quando quel patogeno è in grado di replicarsi all’interno dell’ospite. Nella

maggior parte dei casi molti patogeni sono già dentro di noi ma solo quando si sviluppano e

crescono possono causare una malattia tanto che il sistema immunitario funziona proprio per

tenere sotto controllo il numero dei batteri. Tanto che gli antibiotici funzionano proprio

impedendo la riproduzione del batterio, la maggioranza degli antibiotici funzionano perché

impediscono la riproduzione non perché uccidono il batterio. Quindi è intuitivo che in questo

schema, si abbia la centralità della riproduzione, che è in realtà una cosa importante per tutta la

biologia, per tutta la vita, lo scopo della vita è riprodursi. La linea di demarcazione tra vita e non

vita non è la capacità di riprodursi ma è la capacità di riprodursi grazie a un metabolismo

autonomo.

In questo schema la cellula vivente va vista come un insieme di funzione e informazione. Per

questa materia ci focalizzeremo sulla cellula procariotica. La microbiologia non studia solo i

procarioti, ma anche i microrganismi eucariotici come funghi, miceti e alcuni protozoi. Però i

batteri sono peculiari di questo corso e li studieremo più approfonditamente.

Ora noteremo le principali differenze tra cellula procariotica ed eucariotica. La cellula eucariotica è

in media dieci volte più grande della cellula procariotica. Se i batteri sono piccoli c’è un preciso

motivo, un motivo evoluzionistico (ma ne parleremo dopo). La grandezza di un batterio

solitamente non scende oltre 0.5 micron. Un’eccezione sono i micoplasmi che sono ancora più

piccoli ma perché hanno perso strutture vitali e sono parassiti obbligati in altre cellule. I batteri a

bastoncello possono essere lunghi anche 4-5 micron. Un’altra differenza facile da notare tra cellula

eucariotica e procariotica è che quest’ultima è molto più semplice al suo interno. Cioè La cellula

eucariotica ha una varietà interna di strutture che la cellula procariotica non ha. Una delle

strutture che è presente nella cellula eucariotica e che manca in quella procariotica è il nucleo

(chiamato anche carion, dal greco, dà il nome a questi due tipi di cellule)

La cosa importante da capire è che la maggioranza di queste strutture presenti negli eucarioti e

assenti nei procarioti svolgono funzioni che sono comuni a entrambe le cellule. È sbagliato pensare

che non essendoci questi organelli nei procarioti le funzioni che essi svolgono negli eucarioti non

esistano nei procarioti. Mancano le strutture ma la cellula ha trovato il modo di svolgere le

medesime funzioni in altro modo.

Le strutture assenti nei procarioti e presenti negli eucarioti sono strutture che presentano la

membrana.

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LEZIONE 2.

Tutte le cellule, in particolare quelle microbiche, basano il loro essere cellula sul concetto di capacità di riprodursi grazie a un metabolismo proprio. Questo concetto è molto importante in microbiologia, perché a differenza dei macrorganismi formati da più cellule, i microrganismi non contano in quanto individui, cioè non conta il singolo organismo ma conta la popolazione, il numero. I macrorganismi invece agiscono individualmente e a livello biologico le loro attività sono focalizzate sul singolo essere vivente. Invece per i batteri questo non vale perché sono così piccoli che l’unico loro modo di avere un ruolo, da tutti i punti di vista, è come popolazione. Contano in quanto numero elevato. A partire dai processi patologici, noi non ci ammaliamo quando veniamo in contatto con un batterio patologico, la malattia la patologia infettiva nasce quando quel patogeno è in grado di replicarsi all’interno dell’ospite. Nella maggior parte dei casi molti patogeni sono già dentro di noi ma solo quando si sviluppano e crescono possono causare una malattia tanto che il sistema immunitario funziona proprio per tenere sotto controllo il numero dei batteri. Tanto che gli antibiotici funzionano proprio impedendo la riproduzione del batterio, la maggioranza degli antibiotici funzionano perché impediscono la riproduzione non perché uccidono il batterio. Quindi è intuitivo che in questo schema, si abbia la centralità della riproduzione, che è in realtà una cosa importante per tutta la biologia, per tutta la vita, lo scopo della vita è riprodursi. La linea di demarcazione tra vita e non vita non è la capacità di riprodursi ma è la capacità di riprodursi grazie a un metabolismo autonomo. In questo schema la cellula vivente va vista come un insieme di funzione e informazione. Per questa materia ci focalizzeremo sulla cellula procariotica. La microbiologia non studia solo i procarioti, ma anche i microrganismi eucariotici come funghi, miceti e alcuni protozoi. Però i batteri sono peculiari di questo corso e li studieremo più approfonditamente. Ora noteremo le principali differenze tra cellula procariotica ed eucariotica. La cellula eucariotica è in media dieci volte più grande della cellula procariotica. Se i batteri sono piccoli c’è un preciso motivo, un motivo evoluzionistico (ma ne parleremo dopo). La grandezza di un batterio solitamente non scende oltre 0.5 micron. Un’eccezione sono i micoplasmi che sono ancora più piccoli ma perché hanno perso strutture vitali e sono parassiti obbligati in altre cellule. I batteri a bastoncello possono essere lunghi anche 4-5 micron. Un’altra differenza facile da notare tra cellula eucariotica e procariotica è che quest’ultima è molto più semplice al suo interno. Cioè La cellula eucariotica ha una varietà interna di strutture che la cellula procariotica non ha. Una delle strutture che è presente nella cellula eucariotica e che manca in quella procariotica è il nucleo (chiamato anche carion, dal greco, dà il nome a questi due tipi di cellule) La cosa importante da capire è che la maggioranza di queste strutture presenti negli eucarioti e assenti nei procarioti svolgono funzioni che sono comuni a entrambe le cellule. È sbagliato pensare che non essendoci questi organelli nei procarioti le funzioni che essi svolgono negli eucarioti non esistano nei procarioti. Mancano le strutture ma la cellula ha trovato il modo di svolgere le medesime funzioni in altro modo. Le strutture assenti nei procarioti e presenti negli eucarioti sono strutture che presentano la membrana.

La differenza fondamentale non è nell’assenza o presenza di nucleo ma è nella presenza o assenza di qualsiasi divisione del citoplasma in comparti, manca la cosiddetta compartimentalizzazione. Il citoplasma all’interno dei procarioti salvo precise eccezione è un continuum e la divisione in questi compartimenti nella cellula eucariotica è attuato da membrane. La cellula procariotica riassumendo è una cellula più piccola, più semplice, con un citoplasma non compartimentalizzato e caratterizzata dalla mancanza di un nucleo vero e proprio con una membrana che contenga il genoma (non bisogna dire DNA perché è la molecola di cui è fatto il genoma, si deve parlare di genoma in questo caso) Il genoma batterico è disperso nel citoplasma non è in un comparto nucleare. La zona in cui questo DNA si trova è denominato come nucleoide. Il nucleoide però non è una struttura ma una zona, il nucleo è una struttura perché ha una membrana. Manca l’apparato di Golgi, manca il RER e mancano gli organelli che funzionano soprattutto grazie alla presenza di membrane. Perché l’assenza o presenza di membrane è motivata da delle funzioni, qual è l’organello più importante della cellula eucariotica la cui funzione è fondamentalmente basata dalla presenza di membrane? I mitocondri. I mitocondri sono gli organelli che attuano la respirazione cellulare. Attuano la respirazione cellulare utilizzando proprio le membrane nella catena di trasporto di elettroni. Non è solo il nucleo quindi a fare la differenza ma tutti questi comparti delimitati da membrane. Infatti il meccanismo più importante per la cellula eucariotica viene svolto proprio tramite membrane. Anche i batteri respirano, solo che non hanno i mitocondri, realizzano lo stesso processo ma da un’altra parte. La tabella con le differenze, si focalizza sul fatto che non ci sono membrane. Un’altra differenza importante riguarda la composizione del genoma. Il genoma procariotico è molto diverso dal genoma eucariotico (non ho detto DNA il DNA invece è identico ecco perché non mi piace quando qualcuno utilizza la parola DNA come sinonimo di cromosoma o come sinonimo di genoma, è importante usare le parole giuste) Il genoma dei batteri è molto diverso nella sua organizzazione, la molecola è la stessa è DNA, ma le similarità finiscono a partire dal fatto che i batteri sono aploidi e la maggior parte degli eucarioti sono diploidi. Ciò influisce anche il modo in cui si riproducono che ha a cascata grandissime conseguenze dal punto di vista evoluzionistico, sui meccanismi evolutivi. La differenza tra aploidi e diploidi è una differenza molto importante. Nella stra maggioranza dei casi i procarioti non solo sono aploidi ma a differenza degli eucarioti hanno anche un solo cromosoma. I batteri hanno un solo cromosoma presente in singola copia. Il genoma batterico non è fatto ovviamente solo dal cromosoma ma ci sono altre strutture, componenti accessorie del genoma, extracromosomiche, che vengono chiamate plasmidi, anche loro formati da DNA e contenenti informazione genetica, però non fanno parte del cromosoma. •Spesso si usa come sinonimi questi tre termini (DNA, genoma e cromosoma) ma è sbagliato. L’ordine gerarchico è DNA-cromosoma-genoma. Perché il genoma è fatto, nel caso dei batteri, dal cromosomA ma non solo ci sono anche i plasmidi, quindi per intenderci il genoma è l’insieme più grosso. Il cromosoma è un sottoinsieme del genoma. Quindi dire cromosoma come sinonimo di genoma è parziale. È vero che il cromosoma è fatto di DNA ma è semplicemente la molecola che lo compone, dire DNA per indicare il cromosoma è troppo generico, perché è la molecola non è la struttura. Il DNA è la molecola che compone il genoma e questo è composto principalmente dal cromosoma e in alcuni casi anche dai plasmidi (plurale perché ce ne sono di più)• Altra differenza fondamentale sul genoma è che il cromosoma e i plasmidi sono sì fatti di DNA ma mentre la molecola eucariotica è lineare quella procariotica è circolare.

grande biodiversità), che ci si è resi conto che se si riesce a capire bene la filogenesi si possiede l’arma migliore per poter studiare la diversità e quindi per studiare la tassonomia. Tanto che la moderna tassonomia, la moderna sistematica si basano proprio sulla filogenesi, per tutti gli esseri viventi e in particolare per i microrganismi. Perché in particolare per i microrganismi? Perché per gli esseri superiori è importante la filogenesi, ma anche ad occhio è semplice distinguere una zebra da un cavallo o una giraffa da un leone. Nel caso dei batteri invece la filogenesi è ancora più importante perché non è così semplice distinguerli. Il problema nel fare la tassonomia batterica nel modo corretto nasce proprio dal concetto di specie, cioè negli animali nelle piante negli organismi superiori è più facile distinguere la specie, nei batteri no. Per gli animali si può parlare di interfecondità, una specie si riproduce solo con esseri della propria specie, ma i batteri non si riproducono sessualmente. Il concetto di specie nei batteri, fino a pochi anni fa, era quello di dire è una specie differente fatta da un gruppo di organismi che hanno caratteristiche comuni ma sono abbastanza differenti tra loro. Si distinguevano solo da poche caratteristiche osservabili. Qui nasce un altro problema perché osservare le caratteristiche degli animali era semplice, mentre quelle dei batteri no. Perché per le caratteristiche fenotipiche dei batteri non si potevano considerare le caratteristiche morfologiche perché sono poche. A livello interno sono tutti molto simili e quindi la microbiologia è sempre andata a considerare le caratteristiche fenotipiche metaboliche. Prendiamo due batteri, sono uguali, ma si può osservare se fanno cose differenti. Su questo principio è basata la cosiddetta classificazione fenetica che è ancora valida in alcuni casi. 20-30 anni fa però ha cominciato a mostrare un sacco di limiti. La microbiologia è una scienza giovane. Le caratteristiche metaboliche che noi osserviamo nei batteri sono difficili da notare e sono in qualche modo artificiali cioè siamo noi osservatori che decidiamo quali caratteristiche metaboliche, biochimiche, misurare e osservare. Quindi è una classificazione falsata dall’osservazione dell’osservatore, è artificiale. Soprattutto c’è ancora un altro problema. Per osservare le caratteristiche metaboliche dei batteri e usarle come discriminazione fra specie e specie, c’è bisogno di coltivare i batteri, bisogna portarli in un ambiente artificiale e chi ci assicura che le caratteristiche che osserviamo siano le stesse che hanno nel loro ambiente naturale? O che non siano state acquisite nuove caratteristiche derivanti dall’ambiente artificiale? Quindi non solo si perdono un sacco di caratteristiche ma rischio di mutare il batterio perché le caratteristiche fenotipiche metaboliche dipendono dall’ambiente in cui cresce il batterio. Insomma, era un metodo che mostrava un sacco di limiti. Allora riassumendo si è detto che per i batteri non si poteva usare il discriminante dell’interfecondità perché loro non fanno sesso, e quindi tocca limitarsi alle caratteristiche osservabili (limite). Qual è l’unica caratteristica che possono avere i batteri che sicuramente non cambia e non viene modificata dall’osservatore? Il genoma. Ciò vale per tutti gli esseri viventi non è che più sono simili, più sono parenti vicini, per essere ancora più precisi, più il loro genoma è simile più sono vicini filogeneticamente. Quindi confrontando i genomi si ha una classificazione non artificiale, biologica, naturale. Mi interessa farvi capire bene il passaggio dalla classificazione fenetica, che è ancora ampiamente utilizzata, alla classificazione basata sul genoma.

Ecco perché per i batteri è molto importante la filogenesi perché i batteri non avevano un altro modo per essere differenziati naturalmente. Inoltre questo modo di utilizzare il genoma, di mettere le relazioni evolutive all’interno del concetto di tassonomia è l’unico modo che abbiamo per essere obbiettivi. Ma dal punto di vista pratico come si fa a confrontare i genomi? È molto complicato sequenziare genomi interi e per questo motivo questo metodo non è stato utilizzato ancora a tappeto per tutti gli organismi viventi ma la ricerca sta andando sempre più avanti e tra poco ciò sarà possibile. Ci saranno magari anche nuovi metodi diversi da quello del confronto dei genomi. Quello che voglio che capiate affondo è l’importanza della filogenesi per la tassonomia perché ha determinato un grande cambiamento sul modo in cui si guardano gli essere viventi. Tuttora nelle scuole viene ancora insegnato l’ormai surclassato schema dei 5 regni. In questo schema i batteri venivano messi tutti insieme indistintamente, piante, animali e protisti che erano considerati di tre regni differenti in realtà sono parenti molto vicini. Non si considerano più questi 5 regni ma 3 domini che sono frutto dell’evoluzione delle differenze tra i genomi. Infatti piante, animali e protisti sono ora inseriti tutti nello stesso dominio degli Eukaria. La conseguenza era che con il vecchio schema i procarioti venivano inseriti alla fine dell’albero tutti insieme in realtà sono tutti molto diversi tra loro dal punto di vista del genoma. Questo è intuitivo se consideriamo che questo albero in realtà dovrebbe partire dal common ancestor dai cui è nata la vita (spesso chiamato L.U.C.A. che sta per last universal common ancestor, primo progenitore comune) che era un’organismo unicellulare, un procariote. Quindi i procarioti sono qui da più tempo ed è normale che siano gli organismi più diversificati e vari, visto che la filogenesi è frutto di modificazioni del genoma che richiedono tempo per verificarsi. Gli ultimi arrivati sono gli eucarioti e per forza di cose (lui dice: sono meno evoluti reciprocamente tra di loro. Ma credo volesse dire:) sono meno diversificati in confronto ai procarioti che hanno avuto più tempo per differenziarsi in una miriade di specie. Questa slides (Slides con Claudia Shiffer) era per far capire che i batteri procarioti che sembrano tutti uguali sono molto più diversi tra di loro rispetto a due persone messe a confronto. Anche volendo mettere a confronto il maialino Babe con un quercia questi due saranno più simili di due procarioti diversi messi a confronto. La filogenesi ha avuto più tempo per lavorare con i procarioti. Tutto questo per farvi capire bene che Eubacteria e archeabacteria sono completamente differenti tra di loro e hanno iniziato a separarsi molto presto per questo hanno genomi così diversi. La sistematica non ha solo l’obbiettivo di classificare, una delle parti integranti è anche l’identificazione. Una volta che io ho scoperto un essere vivente e gli ho dato un nome e l’ho classificato, gli ho dato un’identità e quando lo ritroverò sarò capace di riconoscerlo. Tra tutte le attività forse quella di identificare il batterio è la più importante per la microbiologia. Quando un medico portate le feci o le urine di un malato, nel laboratorio di microbiologia, bisogna identificare il patogeno presente in esse. Quindi identificare è il pane quotidiano della microbiologia. Dal punto di vista pratico la tassonomia filogenetica prendendo in considerazione il genoma è meglio.

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