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DIFFERENZIAMENTO
Il differenziamento è la fase di sviluppo dell’essere vivente, che porta le cellule a ‘specializzarsi’ a svolgere una determinata funzione all’interno dell’organismo. Sebbene, infatti, tutte le cellule siano costituite dallo stesso patrimonio genetico, ognuna di esse ne esprime soltanto una parte, relativa alle proteine che devono essere sintetizzate. Nei procarioti il differenziamento avviene durante il ciclo vitale e può essere di due tipi: TEMPORANEO Il microrganismo durante la sua vita entra in contatto con qualcosa che lo stimola a cambiare il suo normale comportamento. Se lo stimolo cessa, torna ad essere la cellula che era in origine. Un esempio sono le β-lattamasi, ovvero enzimi prodotti dai batteri soltanto quando è presente β-lattamico, un antibiotico al quale diventano resistenti. Tale cambiamento è, infatti, limitato al tempo di esposizione allo stimolante. Le β-galattosidasi sono, invece, enzimi prodotti da E. Coli quando vi è lattosio nel terreno. REALE Avviene sempre durante la vita del microrganismo: anche la semplice divisione cellulare è un esempio di differenziamento. La divisione avviene per scissione o fissione binaria e il tempo che intercorre tra due divisioni è definito ‘tempo di generazione’. Successivamente a tale fase, se il batterio è sporulante, vi è la produzione di spore, a cui segue il pleiomorfismo , ovvero un cambiamento di forma che può essere naturale o dovuto a modificazioni. RIPRODUZIONE BATTERICA: La riproduzione batterica prevede due fasi:
- Duplicazione del cromosoma;
- Separazione dei cromosomi (ogni cromosoma è ancorato alla membrana). Contemporaneamente si ha: Ingrandimento del citoplasma; Crescita della membrana citoplasmatica; Biosintesi della nuova parete.
- Formazione di un setto nei Gram+, invaginazione per strozzatura delle membrane esterne nei Gram- . Le cellule figlie son o spesso soggette a rottura con ordine: si formano catene o grappoli in seguito a dei movimenti post-fissionali. Alcuni invece di spostarsi si dispongono a ‘V’ o a ‘L’. in generale si tratta di movimenti che avvengono dopo la divisione. MISURAZIONE DELLA CRESCITA BATTERICA: Spesso risulta utile sapere quanti microrganismi sono presenti in coltura. Per questo si possono “contare” i batteri attraverso tre metodi diversi:
- CONTA TOTALE Si utilizza la camera di Burker , ovvero un vetrino costituito da 9 celle quadrate, ognuna divisa in altre 16. Attraverso delle diluizioni si può risalire al numero di batteri presenti, utilizzando il microscopio.
2) CONTA VITALE
Si fa una serie di diluizioni e si preleva un campione da ognuna di esse. Il campione risulta sempre più diluito, lo si preleva e si fa una semina in piastra. Per determinare la quantità di microrganismi per ml, si moltiplicano le colonie per il fattore di diluizione.
- MISURAZIONE DELLA TORBIDITA’ La crescita batterica può essere seguita nel tempo anche attraverso la torbidità del terreno, misurata con il nefelometro. CURVA DI CRESCITA: E’ un grafico disegnato in laboratorio durante lo studio di una popolazione microbica. Si può seguire il comportamento di una popolazione microbica nel tempo attraverso tale curva, che si disegna per un terreno in brodo. La specie di interesse inizia a moltiplicarsi e il terreno diventa più torbido: la curva viene costruita sulla base dell’aumento di tale torbidità. Afinchè il grafico possa risultare reale, è necessario che il terreno non venga cambiato: in 5-6 ore aumentano anche le sostanze di rifiuto. Le curve dei batteri seguono, a grandi linee, tutte lo stesso percorso: è possibile distinguere 4 fasi, di cui l’ultima coincide sempre con la morte del microrganismo.
LE SPORE
La produzione di spore per i batteri sporigeni è un esempio di differenziamento reale. Tali batteri sono portati a produrre la spora durante il loro ciclo vitale. Le spore sono delle forme di resistenza, possono essere definite cellule in quanto si liberano dal batterio e sono dotate di vita autonoma. Sono considerate cellule particolari per caratteristiche funzionali e morfologiche: rispetto al batterio, le spore sono capaci di sopravvivere nell’ambiente esterno, allo stato di quiescenza, per tanto tempo in condizioni estreme. I batteri sporigeni sono super avvantaggiati rispetto agli altri e sono particolarmente temuti dall’uomo. Lo scopo di tale batterio è quello di produrre la spora, che vive in ambiente con scarsa presenza di nutrienti (talvolta anche assenza) e umidità, e rimane quiescente fin quando non si ricreano le condizioni adatte affinchè possa tornare ad essere batterio. Il termine corretto è endospora, perché è un elemento che prende origine all’interno della cellula batterica. Non tutti i batteri le producono, solo alcuni bacilli Gram+, aerobi o anaerobi il cui genere è BACILLUS o CLOSTRIDIUM. La spora dovrà essere in grado di dare vita ad un nuovo batterio: deve quindi possedere i componenti principali della cellula vegetativa, cioè la cellula da cui origina e che dovrà generare. Possiede però anche delle strutture specifiche, che nel batterio mancano, che fanno della spora un elemento particolare. Dal punto di vista metabolico è inattiva (non si riproduce), resistente a tutte le varie condizioni ambientali, fisiche e chimiche ed è stabile per lunghissimi periodi. Da ogni batterio sporigeno si origina una sola spora, e da ogni spora si forma un solo batterio. La cellula vegetativa va in lisi liberando l’endospora in questione. I batteri sporigeni sono ubiquitari, largamente diffusi su suolo, intestino animale e altri ambienti. Si dice che la spora è in uno stato di criptobiosi , cioè in assenza di attività metabolica (sviluppo, riparazione, duplicazione, sintesi), stato che ha una durata indefinita, che dipende dalle condizioni ambientali: al batterio non conviene rimanere come spora a vita proprio per via della sua criptobiosi. Quando si origina nuovamente il batterio, questo torna ad essere metabolicamente attivo. o STRUTTURA E STERILIZZAZIONE Le spore possono sopravvivere per anni in soluzione di alcool al 70% (cosa che per il batterio sarebbe impossibile), in carenza di carbonio, azoto e fosforo, resistono alle alte temperature, alle radiazioni e all’invecchiamento. La resistenza agli agenti fisici e chimici è legata alla sua particolare struttura: è estremamente disidratata, non c’è sintesi proteica e presenta una corteccia che la ricopre, formata da polimero di peptidoglicano elettronegativo e fortemente idrofilo; elevata mineralizzazione del protoplasto (del core della spora), è, inoltre, presente il dipicolinato di calcio al posto dell’acqua. Oltre alla corteccia sono presenti delle tuniche: insieme formano una potentissima barriera a sostanze e agenti chimici. È stato osservato che nel citoplasma sono presenti delle particolari proteine chiamate SASP, che interagiscono col DNA interno, proteggendolo dai danni. L’energia presente è conservata sotto forma di 3-fosfoglicerato, al posto dell’ATP, che ha minore concentrazione energetica, ma è più stabile. Sono resistenti al calore: per ovviare questa forte resistenza si usa come metodo di sterilizzazione l’autoclave, dove vengono portate ad una temperatura elevata ( gradi) per 15 minuti, ad una atmosfera in più rispetto all’ambiente esterno. Con la bollitura si seguono tre cicli di riscaldamento (di circa 30 minuti) e raffreddamento, che stimolano la germinazione della spora: alla temperatura di circa 100 gradi si è sicuri di aver ucciso i batteri sporulanti. Autoclave o LE SPORE E L’UOMO
Le spore sono responsabili di tanti problemi legati alla vita dell’uomo in ambito farmaceutico e alimentare. Quando viene prodotta, la spora occupa una posizione diversa a seconda della specie batterica. A tal proposito vi è una classificazione:
- BATTRIDIO: presente nel centro e non deforma il batterio;
- CLOSTRIDI: presente al centro, ma la sua presenza deforma la cellula;
- PLETTRIDIO: terminale (ad un polo) e deforma la cellula (es. clostridium tetani). La spora è visibile al microscopio ottico attraverso colorazione di gram, oppure con coloranti più specifici. Con microscopio elettronico sono più facilmente visibili. L’assenza dell’acqua libera determina la rifrangenza della spora, cioè essa è capace di riflettere la luce e quindi risulta più facilmente visibile. Colorazione di Gram Microscopio elettronico Rifrangenza
In media un batterio impiega 8 ore per dare origine ad una spora. È una sorta di duplicazione del batterio, che prevede addensamento del materiale nucleare, divisione del cromosoma e separazione verso i poli opposti, introflessione della membrana citoplasmatica e divisione asimmetrica della cellula: forazione della PRESPORA e completamento del setto. Il processo è inizialmente reversibile, l’evento più importante è la sintesi dell’acido dipicolinico e delle SAS che si legano al DNA, proteggendolo: questo porta il processo di sporulazione a proseguire. La spora matura viene liberata all’esterno e la cellula batterica va in lisi. Il batterio è portato a sporulare se necessario, quando c’è carenza di nutrienti e se c’è alta densità cellulare. Grazie ad un meccanismo definito di QUORUM SENSING i batteri si accorgono dell’elevata densità di popolazione batterica, attraverso un sistema di comunicazione. La germinazione , processo inverso, avviene in condizioni ambientali favorevoli: la spora impiega circa 90 minuti a tornare alla forma vegetativa. È un processo che avviene in 3 fasi: attivazione, germinazione ed esocrescita e vengono perse tutte le caratteristiche di spora. La prima fase è reversibile e può avvenire grazie ad attivatori chimici e agenti fisici. La seconda tappa comporta perdita di termoresistenza, rilascio di acido dipicolinico e calcio e aumenta la permeabilità: fase irreversibile. Il processo continua fino all’esocrescita che comporta perdita di tutti gli involucri e con la replicazione del cromosoma si ha il ritorno alla cellula vegetativa.
GENETICA BATTERICA
I batteri seguono le leggi della genetica classica: anche per loro si parla e genotipo e fenotipo (espressione del genotipo). Gli organismi superiori hanno fenotipo più facile da individuare e descrivere, contrariamente a quanto accade nei batteri, che non sono osservabili ad occhio nudo. Un esempio di fenotipo batterico sono le colonie, che possono aiutare a studiare i batteri stessi. Le caratteristiche che permettono di identificare un batterio sono diverse: capacità di usare determinati amminoacidi o determinate sostanze come fonte di carbonio. Il genotipo batterico è il corredo genetico. I batteri hanno un unico cromosoma circolare, all’interno del quale sono presenti circa 5 mila milioni di nucleotidi, ma le informazioni sono contenute anche a livello dei plasmidi, materiale extracromosomiale con struttura circolare, che hanno attività indipendente dal cromosoma. Alcuni plasmidi risultano particolarmente interessanti per le strutture che hanno, come ad esempio il plasmide F, che permette a molti batteri di comunicare tra di loro, scambiandosi informazioni genetiche. La parte fondamentale del cromosoma è il gene, segmento di DNA che porta l’informazione di un certo carattere che viene poi espresso a livello fenotipico. DIFFERENZA TRA CROMOSOMA E PLASMIDI: Il DNA batterico è la molecola in cui viene raccolta la maggior parte dell’informazione genetica, ma solo in alcuni casi i batteri presentano tratti di DNA autonomi (plasmidi). Questi codificano per informazioni non fondamentali per la sopravvivenza del batterio, come per esempio la resistenza ad un antibiotico. I più studiati sono:
- Plasmide F, che entra in gioco durante il fenomeno di CONIUGAZIONE, ovvero trasferimento genico;
- Plasmide R, che dà resistenza agli antibiotici. MUTAZIONI: I geni contenuti nel cromosoma batterico possono subire mutazioni di diverso tipo. La mutazione, per definizione, è un errore che si verifica nella trasmissione delle informazioni genetiche da una cellula all’altra e hanno bassa frequenza. I geni possono cambiare, però, anche grazie ad un particolare fenomeno chiamato di RICOMBINAZIONE: nello specifico, i batteri si scambiano materiale genetico, ovvero sono capaci di comunicare tra loro. Si tratta di uno scambio unilaterale: il batterio che riceve ha, al termine della ricombinazione, un cromosoma diverso da quello originario, dato dal rimescolamento col cromosoma del batterio donatore. Le mutazioni sono spesso naturali e possono essere spontanee (1 su un miliardo di replicazioni), oppure indotte da mutageni di natura fisica o chimica e possono provocare la nascita di un individuo diverso da quello originale.
OMOLOGA: è la più frequente e si osserva tra regioni di DNA simili (batteri che appartengono allo stesso genere e alla stessa specie); NON OMOLOGA: meno frequente in quanto coinvolge due molecole di DNA che non hanno la stessa sequenza La ricombinazione prevede tre diversi meccanismi di comunicazione: TRASFORMAZIONE, CONIUGAZIINE, TRADUZIONE, che hanno medesimo risultato finale. TRASFORMAZIONE: Prevede l’assunzione di un DNA presente nell’ambiente in forma solubile, da parte di un batterio ricevente. Poiché il DNA proviene da un batterio andato in contro a lisi, viene considerato esogeno. È un fenomeno scoperto per caso da Griffith nel 1928, durante uno studio sul pneumococco, batterio dotato di capsula e agente eziologico di polmonite. Per combattere il batterio cercava di preparare antisieri attraverso degli esperimenti effettuati sui topi. Le colonie dei batteri iniettate provocavano morte dell’animale, il ché era un risultato atteso in quanto la capsula rende il batterio più virulento. Le colonie non capsulate, ma virulente, provocavano ugualmente morte del topo. Provò poi a inserire le colonie batteriche capsulate, ma uccise al calore e verificò che il topo riusciva a sopravvivere. Infine, provò ad unire batteri virulenti, ma uccisi al calore, con batteri non virulenti: notò, inaspettatamente, che il topo moriva. Qualcosa doveva quindi portare le cellule non virulente a diventarlo: questo portò a scoprire il fenomeno della trasformazione. Il DNA della cellula donatrice, morta, a contatto con quello del ricevente si ricombina e va in contro a trasformazione. Chi capta la presenza di DNA esogeno è un batterio molto simile a quello che ha donato: vi è omologia tra le due cellule. Tale fenomeno avviene solo se la cellula ricevente si trova in uno stato particolare, detto di competenza , cioè deve essere predisposta ad assumere DNA estraneo. Il DNA si lega a dei recettori di superficie, il legame innesca la sintesi di AUTOLISINA, enzima che digerisce parte della parete, esponendo la membrana sulla quale si posizionano delle proteine (sintetizzate sempre dalla cellula) che legano il DNA e una nucleasi, consentendo la sua penetrazione. Quando il DNA penetra si integra col DNA della cellula batterica. In sintesi le fasi sono:
- Sviluppo della fase di competenza;
- Legame del DNA alle cellule competenti;
- Ingresso del DNA trasformante;
- Integrazione del DNA (conseguente ricombinazione);
- Espressione del DNA trasformante. Il risultato è un nuovo genotipo e, quindi, un nuovo fenotipo. CONIUGAZIONE: Prevede trasferimento di materiale genetico. La cellula donatrice in questo caso non va in lisi e il ricevente, come visto precedentemente, acquisisce nuove informazioni. Vi è, quindi, un contatto fisico tra le cellule batteriche, che avviene attraverso il pilo della cellula donatrice, struttura cava presente solo su alcuni batteri capaci di produrlo. Si tratta di un trasferimento a senso unico: i ruoli di donatore e ricevente NON sono intercambiabili. La coniugazione avviene solo quando la cellula donatrice ha informazioni particolari presenti nei plasmidi, cioè materiali extracromosomiali. All’intero del plasmide, definito coniugativo , risiede
l’informazione per la sintesi del pilo: i geni che codificano per la sua produzione sono chiamai TRA (di trasferimento). Il pilo protagonista nel fenomeno di coniugazione prende il nome di F, che significa FERTILITY. La coniugazione spesso viene usata in laboratorio per studiare la genetica batterica, ma anche questa è stata scoperta per caso durante uno studio sui mutanti. Si studiavano due ceppi di E.Coli mutati e quindi incapaci di sintetizzare determinate sostanze. Posti separatamente su terreni privi di nutrimento erano incapaci di crescere, ma, inseriti insieme, vi era la formazione di ceppi ricombinati che erano capaci di sopravvivere. Il plasmide F è una molecola circolare di DNA a doppia catena con replicazione autonoma e un terzo del materiale genetico del plasmide è occupato dai geni TRA che codificano per il pilo. I plasmidi si replicano attraverso tre diversi meccanismi, di cui uno è la replicazione detta rolling circle. ROLLING CIRCLE: All’inizio della replicazione viene prodotto un taglio su un’elica del plasmide: l’estremità 5’ dell’elica tagliata si sposta dalla molecola circolare formando una sorta di “lingua”. Sull’altra elica (LEADING) inizia a sintetizzarsi il nuovo DNA in maniera continua, differentemente dalla prima elica. In un secondo momento viene sintetizzata la lingua a tratti e il cerchio all’interno ruota. Durante questa replicazione vi è, contemporaneamente, anche il passaggio del plasmide da una cellula all’altra: quando c’è il contatto fisico tra due cellule, la cellula donatrice replica il suo plasmide prima di donarlo. La cellula che contiene il plasmide viene chiamata F+, contrariamente alla cellula che ne è priva, chiamata F-
. il mescolamento di cellule F+ e F- porta alla formazione di COPPIE CONIUGALI, che indica il contatto tra F+ e F- attraverso il ponte costituito dal pilo. Alla fine del trasferimento entrambe le cellule sono F+. Con una certa frequenza può capitare che ci sia trasferimento anche di materiale cromosomiale: accade quando il plasmide si integra nel cromosoma batterico invece di rimanere autonomo, in questo caso il plasmide prende il nome di episoma. Le cellule che hanno plasmide integrato non possono più essere definite F+, ma prendono il nome di Hfr. È possibile un incrocio tra ceppo Hfr e F-, che prevede trasferimento anche di tratti del cromosoma batterico. Questo è possibile in quanto la cellula continua ad essere capace di riconoscere un batterio F- e dare inizio alla ricombinazione, che, in questo caso, ha una frequenza
1) TRASDUZINE GENERALIZZATA
È associata a ciclo litico e prevede che qualsiasi porzione del genoma della cellula batterica venga trasferito. Quando si ha replicazione del DNA fagico, l’acido nucleico inizialmente non presenta tante copie, in quanto esse rimangono unite (si parla di CONCATAMERI). Ad un certo punto questi DNA vengono separati da nucleasi virali: in questa fase può capitare che gli enzimi taglino per errore pezzi di genoma batterico che entrano a far parte del nuovo virione. Il fago viene ora chiamato trasducente.
- TRASDUZIONE SPECIALIZZATA È associata a ciclo lisogeno e prevede trasferimento di parti specifiche del genoma batterico. L’errore avviene nel momento di distacco del profago, che prevede distacco anche di parti del genoma batterico. Il termine “specializzato” indica anche che il profago si integra in zone specifiche e quindi quando viene eliminato porta con sé sempre gli stessi tratti di DNA batterico. Ad esempio: uno dei più studiati è il fago λ, che infetta E.Coli e si lega sempre tra i geni GAL e BIO. Se il distacco è difettivo c’è trasferimento anche di GAL e BIO. Quando il cromosoma fagico è integrato, questo si replica insieme al cromosoma batterico, rimanendo silente. In alcuni casi capita che invece di rimanere silente, il genoma fagico subisca una regolazione repressiva: cioè anche esso partecipa a trascrizione e traduzione e può sintetizzare prodotti genici che arricchiscono il fenotipo del batterio. In questo caso si parla di conversione fagica. Il genoma integrato, in genere, proviene da un’altra trasduzione e porta le caratteristiche di un batterio precedente: i batteri lisogenati con profago ricombinato assumono nuove caratteristiche fenotipiche, date dalla presenza di geni batterici. La conversione fagica deriva da una trasduzione precedente, ma non è più un fenomeno di scambio. Molte malattie sono legate alle proprietà che i batteri acquisiscono in seguito a trasduzione, come la produzione di alcune tossine e strutture adesiniche di superficie. Un esempio è la scarlattina, malattia infettiva diffusa in età pediatrica, il cui agente eziologico è lo Streptococcus Pyogenes. Questo batterio dà scarlattina solo in presenza di una tossina eritrogenica, il cui gene deriva da una ricombinazione genica. Un altro esempio è la difterite: il batterio, anche in questo caso, ne è la causa solo se viene prodotta una particolare tossina in seguito a ricombinazione genica.
FATTORI PATOGENICI
Gli animali ospitano un gran numero di microrganismi, l’uomo ne è colonizzato subito dopo la nascita, mentre l’ambiente materno è sterile. Rappresentano la normale flora in zone particolari, dette nicchie, che per motivi diversi ospitano i vari microrganismi. Non si parla più di FLORA , ma di MICROBIOMA (nuovo termine a cui si fa riferimento). Sono presenti su tutte le mucose e sulla cute, stabilendo una relazione di tipo commensale: nel nostro caso i commensali sono microrganismi che si trovano in zone che non implicano un rischio per l’organismo, impedendo la penetrazione. I microrganismi della cute rimangono su di essa, analogamente a quelli che si trovano a livello intestinale. I microrganismi intestinali portano anche vantaggi all’uomo, quali produzione di vitamine, acidi organici, enzimi digestivi e per il metabolismo degli steroidi; ne consegue che sono indispensabili per la vita. Questi risultano dalle analisi delle feci: in assenza di determinati batteri si evidenziano malattie. Il processo che porta a malattia in un organismo segue vari step: il soggetto viene esposto ai microrganismi quotidianamente (sia batteri che funghi), in seguito può avvenire adesione, invasione e colonizzazione, moltiplicandosi e dando tossicità, se produttore di elementi tossici, e continuare ad invadere comportando danni ai tessuti. L’adesione dei batteri è la prima tappa di invasione dell’ospite, cui segue l’insediazione resa possibile da legami con le mucose. La colonizzazione può essere: TRANSIENTE Eliminati di continuo; PERMANENTE Vivono su determinate superfici, come la cute, dove proliferano: si parla di flora microbica indigena. Si parla di infezione quando c’è il superamento delle barriere anatomiche, mentre la malattia è il fatto patologico che avviene in un organo bersaglio specifico, o in tessuti. La patogenicità è la capacità di un batterio di dare malattia. In medicina spesso i due termini sono considerati analoghi. Un batterio è patogeno se è in grado di invadere e moltiplicarsi. Il sistema immunitario si occupa di bloccare la diffusione dei batteri. La patogenicità dipende dalla virulenza, dalla carica batterica (cioè quanti batteri arrivano) e dallo stato di salute. La colonizzazione del batterio, quindi, dipende da determinati fattori quali adesione, resistenza all’immunità, competere per i nutrimenti. La virulenza è il grado di patogenicità del microrganismo, legata a due proprietà: INFETTIVITA’ e GRAVITA’. INFETTIVITA’ Indica quanto facilmente il batterio sopravvive alle difese dell’ospite; GRAVITA’ Indica le lezioni che può provocare. Si tratta di due proprietà indipendenti, infatti il virus del raffreddore è altamente infettivo, ma ha una bassa gravità, contrariamente al micobatterio, che ha bassa infettività anche in caso di contatto con individui positivi. I fattori di colonizzazione sono elementi come le adesine, la capsula, il glicocalice, i pili e tutte le strutture extra che i batteri possono presentare.
LA TOLLERANZA DEI BIOFILM:
Le infezioni causate dai biofilm sono considerate subdole, in quanto hanno sviluppo lento, producendo inizialmente pochi sintomi e, successivamente, una serie di esacerbazioni (aggravamento dei sintomi). La loro tolleranza agli antimicrobici ha sollevato grossi problemi relativi all’identificazione di terapie adeguate. A tal proposito, ci sono alcune teorie che hanno cercato di dare una spiegazione a questa forte resistenza: si pensa che sia la matrice extracellulare del biofilm a costituire una barriera per i farmaci, la cui penetrazione risulta lenta o incompleta. Un'altra possibile causa dell’inefficacia degli antibiotici è l’alterazione delle caratteristiche chimico-fisiche dell’ambiente interno al biofilm, per carenza di metaboliti o per gradienti di ph. Un esempio è la resistenza ai β-lattamici, dovuta ad una ridotta velocità di replicazione. Costituiscono un vantaggio evolutivo per i batteri, in quanto resistenti a variazioni di pH, temperatura, umidità e raggi UV. Ogni cellula batterica adesa al biofilm forma una microcolonia avvolta da abbondante matrice extracellulare, che solitamente, in altre condizioni, non viene prodotta. Le tappe previste, più precisamente, sono:
- Attacco della cellula planctonica;
- Adesione reversibile ad una superficie biologica;
- Adesione irreversibile via ligandi specifici;
- Replicazione batterica;
- Secrezione di una matrice organica complessa;
- Interazione della matrice con i fluidi ambientali;
- Maturazione del biofilm. SUBSTRATO : L’adesione è particolarmente favorita su superfici rugose e idrofobe. Molti biomateriali, comunemente usati per i dispositivi intravascolari, risultano idrofobici e facilitano l’adesione iniziale aspecifica e reversibile, alla quale fa seguito l’adesione specifica, mediata da adesine che fissano fortemente i microrganismi alla superficie. I microrganismi aderiscono più rapidamente a superfici idrofobiche non polari come il teflon più che a materiali idrofilici come vetro o metallo. Questo perché le interazioni idrofobiche superano le forze repulsive presenti tra cellula e substrato, permettendo così l’adesione. BATTERIO: Tra le caratteristiche della cellula batterica fondamentali nella formazione del biofilm ci sono: Le ADESINE (proteine di superficie a estremo terminale di pili e flagelli): il batterio si lega alla membrana di cellule eucariotiche o a proteine della matrice intercellulare. IDROFOBICITÀ cellulare di superficie: importante per l’adesione perché quando due superfici idrofobiche interagiscono in ambiente acquoso, tendono a restare adese rimuovendo le molecole d’acqua presenti tra di loro. La maggior parte dei batteri è carica negativamente, e presenta
componenti di superficie idrofobiche (fimbrie) le quali contribuiscono a superare l’iniziale barriera elettrostatica esistente tra cellule batteriche e substrato. MOTILITA’: favorisce l’incontro del microrganismo con la superficie e quindi formazione più rapida di biofilm. FASE DI DISTACCO E DISPERSIONE: È caratterizzata da distacco e diffusione delle cellule in ambiente circostante o in altri siti anatomici. Avviene per fasi: Frammentazione della microcolonia; Distacco sotto forma di CLUMPS delle cellule degli strati superficiali, favorendo così la dispersione e la disseminazione dell’infezione (batteriemia e sepsi). Tale fenomeno può dipendere da forze esterne o da messaggi intercellulari interni. Il distacco di particelle dal biofilm è un evento passivo, in quanto dipendente da forze di flusso o da carenza dei nutrienti (starvation), ma può anche essere considerata una strategia mediante la quale i batteri colonizzano attivamente nuove nicchie prima che spazio e nutrienti diventino limitati. Ci sono alcune proteine, dette “di diffusione”, che facilitano la penetrazione e la diffusione del microrganismo nell’ospite, per mezzo di distruzione dei tessuti (in generale delle barriere fisiche) e cambiano da un organismo all’altro. TOSSINE: Sono gli elementi tossici propri dei microrganismi e sono i veri responsabili della malattia. Si distinguono: ESOTOSSINE: Sono di natura proteica, fortemente tossiche, prodotte dai batteri viventi che le liberano nell’ambiente anche senza lisi. Sono generalmente di forma dimerica, costituite da due peptidi: a e b (che solitamente non ha azione tossica). Le più conosciute sono quelle prodotte dal Clostridium botulinum (responsabile del botulismo) e Clostridium tetani (agente del tetano). Hanno uno specifico meccanismo d’azione e sono immunogene: hanno alta proprietà di essere antigeni, cioè facilmente riconosciute dal sistema immunitario come non-self. ENDOTOSSINE: Fanno parte della membrana esterna del microrganismo. Hanno tossicità generica: la loro azione consiste nell’aumento della temperatura corporea e in un processo di necrosi a carico di alcuni organi, dell’intestino e degli endoteli capillari. Hanno una struttura glico-lipoproteica e un
carne conservata non cotta. Il botulismo alimentare provoca, nel 60% dei casi, morte. Si hanno, in generale, 36 ore di incubazione e tra i sintomi ci sono: diplopia (si vede doppio), disartria (difficoltà nell’articolazione delle parole), disfonia (difficoltà nell’emissione della voce) e disfagia (difficoltà nella deglutizione). Il botulismo infantile , invece, colpisce i bambini in età inferiore ad un anno, in cui, al livello intestinale, viene prodotta la neurotossina. Tra i sintomi vi è inizialmente un pianto debole, poi difficoltà nella crescita, per arrivare alla paralisi flaccida. Tra gli alimenti più a rischio vi è il miele. PREVENZIONE: Il botulino può essere presente in cibi inscatolati o conservati, soprattutto di produzione domestica e, in alcuni casi, anche industriale. Le conserve preparate in casa (per esempio la verdura sott’olio) costituiscono uno dei prodotti in cui più facilmente si può rischiare la presenza della tossina botulinica. In generale, tutti i cibi conservati che non vengono fatti cuocere e che hanno un basso grado di acidità (pH sopra il 4,6) possono costituire un ambiente adatto alla crescita del botulino. La tossina botulinica viene distrutta alle alte temperature e, quindi, la sterilizzazione dei cibi in vasetto e in scatola, tramite bollitura per almeno 10 minuti, ne garantisce l’eliminazione. Il botulismo della ferita può essere evitato con cure mediche per le ferite infette o per i tagli della pelle. È importante anche evitare droghe di strada iniettabili.
VIROLOGIA
I virus non sono definiti come microrganismi, in quanto hanno comportamenti particolari e diversi rispetto ad essi. La virologia è un campo della microbiologia che si occupa dello studio dei virus sotto tanti punti di vista. In generale i virus sono dei parassiti endocellulari obbligati, quindi non sono capaci di vita autonoma e dipendono dall’organismo ospite per potersi replicare e sopravvivere. Sono entità semplici costituite da acido nucleico a DNA o RNA, circondato da involucro proteico chiamato CAPSIDE. Sono tutti filtrabili, ovvero hanno dimensioni talmente piccole da poter superare i comuni filtri utilizzati in microbiologia. Dipendono dalla cellula ospite in quanto non riescono a produrre energia autonomamente, a replicarsi e a sintetizzare proteine strutturali e funzionali. Per virione si intende particella virale completa, cioè costituita da acido nucleico e capside (unità fondamentali). Lo scopo dei virus è quello di replicarsi, quindi di incontrare una cellula ospite adatta affinché possa essere introdotto l’acido nucleico che viene replicato, trascritto e tradotto dall’apparato di sintesi della cellula ospite.
Alcuni virus esternamente al capside hanno un rivestimento esterno, chiamato PERICAPSIDE (o ENVELOPE) di natura lipoproteica. I virus non sono tutti uguali, ma si è sempre nell’ordine dei nm: PARVOVIRUS (18nm) e POXVIRUS (300nm). La differenza è sostanziale con la cellula eucariotica che è dell’ordine dei micron. Per osservare virus e batteri sono necessari strumenti adatti, in quanto il potere di risoluzione (capacità di distinguere due punti ad una certa distanza e vederli separati) dell’occhio umano è di 100 micron. Il microscopio ottico, invece, arriva a 0,2 micron e non basta per osservare i virus. Per questi ultimi, infatti, si utilizza il microscopio elettronico, che arriva fino a 0, nm. I virus vengono classificati secondo diversi parametri: morfologia, composizione chimica, struttura del genoma (DNA o RNA può essere a singolo o doppio filamento) e modalità di replicazione. COMPOSIZIONE BASE DEL VIRIONE: Si parla di NUCLEOCAPSIDE quando si è in presenza della particella virale costituita da acido nucleico, proteine strutturali ed eventualmente enzimi o altre proteine che legano l’acido nucleico. Questa costituisce l’unità di base, ovvero il virione, privo di envelope, ed è anche chiamato virus nudo. In caso contrario viene chiamato virus rivestito. Il genoma è anche chiamato CORE, ed è la parte fondamentale del virus, che gli consente di dare origine a nuovi virioni. Ha funzione genetica e codifica le funzioni replicative del virus stesso. Se è a DNA, questo può essere a singolo o doppio filamento, lineare o circolare. L’RNA può essere a polarità positiva o negativa, cioè funge da RNA messaggero, quindi non ha necessità di essere trascritto (in caso di positività), o al contrario la trascrizione viene fatta da enzimi propri del virus. L’ RNA può anche essere a doppio o singolo filamento, AMBISENSO, ovvero contenente regioni + e – unite tra di loro, oppure può essere segmentato e ogni frammento codifica un singolo gene. Tutte queste caratteristiche variano da un virus all’altro, per questo motivo, nella loro estrema semplicità strutturale, risultano complessi per via della variabilità che li caratterizza e li distingue dai batteri. Tale genoma viene protetto grazie al capside, fondamentale per il virus in quanto funge da veicolo per la trasmissione dell’informazione genica del bersaglio: quando il virus infetta, inizialmente penetra anche il capside. Il pericapside, eventualmente presente, favorisce l’interazione con la cellula bersaglio. Ci sono anticorpi contro tali strutture che possono bloccare l’infezione virale e alcuni farmaci agiscono sulle strutture fondamentali dei virus, per esempio sulla replicazione dell’acido nucleico o sul capside, rimuovendolo. CAPSIDE : Il capside è una struttura rigida che riesce a sopportare anche ambienti sfavorevoli, resistendo ad acidi, detergenti ed essiccamento. La sua struttura proteica è costituita da singole unità codificate dal genoma virale stesso. Tali unità si associano via via a formarne di più grandi, andando a generare il nucleocapside, ricoprendo l’acido nucleico.
