Programma intero microbiologia, Appunti di Microbiologia

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A.A. 2022/

Infermieristica

BASI FISIOPATOLOGICHE DELLE MALATTIE

Claudia Monari

PROGRAMMA MICROBIOLOGIA

I batteri hanno un’organizzazione cellulare procariotica ( prokaryota , dal greco pro=prima e karyon =nucleo). Sono caratterizzati da un nucleo primitivo in quanto la cellula presenta un DNA non separato dal citoplasma da una membrana nucleare, ed è priva di un vero apparato mitotico. Analizzando la struttura di una cellula batterica si possono distinguere alcuni componenti fondamentali ed altri che vengono definiti accessori:

• I componenti fondamentali sono presenti in tutti i batteri, in quanto necessari alla loro sopravvivenza. Sono la parete cellulare, la membrana citoplasmatica, il citoplasma, il nucleoide e i ribosomi.
• I componenti accessori conferiscono caratteristiche aggiuntive ai vari gruppi di batteri come: maggiore virulenza , resistenza agli antimicrobici , capacità adesive alle superfici , motilità cellulare. Sono la capsula, i plasmidi, le fimbrie o pili, i flagelli e le spore. PARETE CELLULARE La parete batterica è situata nella parte esterna della cellula batterica ed è responsabile della forma e della rigidità dei batteri. La funzione principale della parete è quella di evitare che il batterio possa andare incontro a lisi quando la pressione osmotica del citoplasma è maggiore rispetto a quella dell’ambiente esterno. La struttura fondamentale della parete è un polimero macromolecolare chiamato peptidoglicano. Il peptidoglicano è costituito dalla ripetizione di una unità di base formata da due monosaccaridi: N-acetilglucosamina (NAG) e Acido N-acetilmuramico (NAM) legati tra di loro da un legame beta-1,4 glicosidico. In base a differenze strutturali della parete i batteri sono suddivisi in due gruppi. Poiché tali differenze vengono evidenziate tramite la colorazione di Gram, i due gruppi sono: Gram + e Gram-. Al gruppo carbossilico del NAM è legato un tetrapeptide i cui aminoacidi sono generalmente:
• L-alanina
• Acido D-glutamico
• L-lisina (oppure nei Gram negativi acido mesodiaminopimelico )
• D-alanina I polimeri lineari sono collegati trasversalmente tra di loro in corrispondenza delle catene amminoacidiche mediante legami peptidici che si stabiliscono tra la D-alanina di un tetrapeptide e l’acido meso-diaminopimelico/L-lisina del tetrapeptide adiacente. Nei Gram positivi ed in particolare, in S. aureus , il legame avviene mediante un ulteriore corto peptide omopolimerico formato da glicina ( pentaglicina ).

• Proteine di trasporto delle sostanze nutritive e proteine costituenti il sistema di chemiotassi.

COLORAZIONE DI GRAM

Principio : la colorazione è una tecnica ausiliaria utilizzata nelle tecniche microscopiche utilizzate per migliorare la chiarezza dell'immagine microscopica. Le colorazioni sono ampiamente utilizzate in campo scientifico per evidenziare la struttura di campioni biologici, cellule, tessuti ecc…È la procedura di colorazione più utilizzata in microbiologia , scoperta dallo scienziato e medico danese Hans Christian Joachim Gram nel 1884. La colorazione di Gram è una tecnica di colorazione che differenzia i batteri in due gruppi: gram-positivi e gram-negativi. La procedura si basa sulla capacità dei microrganismi di trattenere il colore dei coloranti utilizzati durante la reazione della colorazione di Gram. I batteri Gram- negativi vengono decolorati dall'alcol , perdendo il colore blu-viola. Dopo la fase di decolorazione, viene utilizzata una colorazione di contrasto per conferire un colore rosa-rosso agli organismi Gram- decolorati. I batteri Gram+ non vengono decolorati dall'alcol e rimarranno viola. L’importanza di una colorazione di Gram: la colorazione di Gram è un passo preliminare molto importante nella caratterizzazione e classificazione iniziale dei batteri. È anche una procedura chiave nell'identificazione dei batteri in base alle caratteristiche di colorazione, consentendo di esaminare i batteri utilizzando un microscopio ottico. Inoltre, rappresenta anche un passo importante nello screening degli agenti infettivi in campioni clinici come gli strisci diretti di un paziente. A cosa è dovuto il diverso comportamento dei batteri nella colorazione di Gram? È dovuto ad una diversa permeabilità degli involucri cellulari che è maggiore nei batteri Gram- (tale da consentire l’asportazione del complesso cristalvioletto- Liquido di Lugol da parte del decolorante) e minore nei Gram+ che in tal modo trattengono il primo colorante ( Fuxina o Safranina ). Prima di procedere con la colorazione è necessario allestire un preparato di cellule batteriche fissato al calore. MEMBRANA CITOPLASMATICA È situata al di sotto della parete batterica. È costituita, come quella delle cellule eucariotiche, da:

• Lipidi (40% del peso secco)

• Proteine (60%)
• Carboidrati (piccole quantità) Ha una struttura a mosaico fluido ( Singer ), formata da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono immerse diverse proteine che intervengono in molti processi biosintetici (produzione di energia, trasporto di nutrienti e prodotti da eliminare). Il trasporto delle sostanze da e per l’ambiente esterno avvengono essenzialmente per:
• Diffusione passiva (transito di molecole in base ad un gradiente di concentrazione). È possibile solo per acqua e piccole sostanze liposolubili
• Diffusione attiva (tramite l’intervento di proteine di membrana, proteine carrier ). Utilizzato per le molecole idrofile (maggior parte dei nutrienti e delle molecole esterne). Svolge un ruolo fondamentale durante la replica batterica intervenendo nel processo di segregazione dei cromosomi nelle due cellule figlie e nella formazione del setto divisorio tra di esse. ALTRI COMPONENTI FONDAMENTALI DEI BATTERI
• Il citoplasma batterico è costituito per l’80% di acqua ed è estremamente semplice, privo di molti elementi morfologici che caratterizzano il citoplasma delle cellule eucariotiche.
• Contiene il nucleoide , macromolecole proteiche (50 % del peso secco della cellula), acidi nucleici , ioni , polisaccaridi di riserva , ribosomi , granuli e plasmidi.
• I ribosomi sono deputati alla sintesi delle proteine. Sono costituiti da RNA (60%) e proteine (40%). NUCLEOIDE Tutti i batteri sono sprovvisti di un nucleo vero e proprio dotato di membrana nucleare che lo separi dal citoplasma, ma posseggono una regione in cui è addensato il materiale cromosomale , denominato “nucleoide”. Il nucleoide è costituito da una grande singola molecola di DNA in grado di autoduplicarsi , strettamente avvolta ed immersa nel citoplasma. È funzionalmente e strutturalmente equivalente ad un cromosoma. CAPSULA È un involucro mucoso e amorfo che può essere abbondantemente presente sia nei batteri Gram+ sia nei Gram-. Si trova esternamente alla parete batterica. Nella maggior parte dei casi è costituita da polisaccaridi. Nel caso sia poco aderente e poco uniforme per densità e spessore, questo materiale è definito strato mucoso o glicocalice. Ha due caratteristiche:
• Azione antifagocitaria : impedisce la fagocitosi da parte dei fagociti dell’ospite (i batteri più invasivi che debbono attraversare il torrente ematico per raggiungere il bersaglio sono sempre capsulati).
• Strumento di adesione : il materiale capsulare rappresenta un efficace strumento per l’ adesione batterica alle superfici mucose o inerti dell’organismo ospite contribuendo fortemente alla formazione del “ biofilm ”. Una volta che i batteri aderiscono ad una superficie si moltiplicano e grazie alla capsula riescono ad aderire saldamente alla superficie.

Le spore sono forme di resistenza prodotte da alcune specie batteriche in condizioni di crescita sfavorevoli. Sono metabolicamente inerti , presentano un basso contenuto di acqua e la loro peculiare struttura le rende particolarmente resistenti a:

• Essiccamento
• Alta temperatura
• Radiazioni ultraviolette
• Disinfettanti Sono formate da alcune batteri Gram+ appartenenti ai generi Bacillus ( aerobi ) e Clostridium ( anaerobi ):
• Bacillus cereus ( tossinfezioni alimentari )
• Bacillus anthracis ( antrace )
• Clostridium tetani ( tetano )
• Clostridium botulinum ( tossinfezioni alimentari )
• Clostridium perfringens ( gangrena gassosa ) All’interno della spora ritroviamo il citoplasma circondato da una membrana citoplasmatica al cui lato interno è addossato il materiale nucleare. È caratterizzata dall’avere vari rivestimenti. Dall’interno verso l’esterno abbiamo:
• Cortex (corteccia) costituita prevalentemente da peptidoglicano rudimentale , ac. dipicolinico e calcio
• Coats , costituiti da due rivestimenti di natura proteica
• Esosporio (tunica) membrana lipoproteica contenente carboidrati IMPORTANZA IN LABORATORIO: CONTROLLO DI QUALITÀ DELLE AUTOCLAVI : le spore di alcune specie batteriche vengono utilizzate come indicatori per verificare l’efficacia della sterilizzazione da parte delle autoclavi. Le spore vengono uccise a 121°C , 15’, 1 atm. Le cellule vegetative vengono uccise a 100°C. L’assenza di spore al termine del processo è indice di avvenuta sterilizzazione. I batteri possono essere differenziati in base ad una serie di caratteristiche
• La morfologia :
• L’ aggregazione : che dipende fondamentalmente dallo schema di divisione cellulare durante la replica e dalla capacità delle cellule di rimanere adese dopo la replicazione , si distinguono vari raggruppamenti

I batteri attuano in gran parte una riproduzione asessuata per fissione binaria (schizogonia,o scissione semplice) alla fine della quale sono prodotte due cellule figlie equivalenti. Le tappe fondamentali del processo di replicazione sono:

1. Duplicazione del DNA e del suo sito di attacco alla membrana plasmatica 2. Accrescimento cellulare con conseguente allungamento della cellula ed allontanamento dei due cromosomi 3. Formazione di un setto di divisione cellulare attraverso l’invaginazione della membrana plasmatica 4. Formazione di un setto di parete cellulare a livello del punto in cui la membrana citoplasmatica si è invaginata 5. Separazione delle due cellule figlie Il tempo medio di generazione è il tempo occorrente per una duplicazione cellulare. È diverso da specie e specie e la gran parte dei batteri ha un tempo di generazione che:

• Oscilla tra i 20 ed i 60 minuti in condizioni ottimali di crescita ( in vitro , cioè in laboratorio )
• Oscilla tra 5 e 10h nell’ospite nel sito di infezione ( in vivo ) I procarioti sono in grado di moltiplicarsi rapidamente a causa delle piccole dimensioni del loro DNA. Richiede poco tempo per replicarsi e con un elevato rapporto superficie/volume può assorbire rapidamente i nutrienti anche per la relativa semplicità delle cellule e l'organizzazione interna consente una rapida duplicazione che un batterio può dividersi ogni 20 minuti in condizioni ottimali. La crescita incontrollata della popolazione batterica è esponenziale consente una rapida colonizzazione di un ambiente. Questo può essere favorevoli per gli scienziati perché possono applicare la conoscenza della divisione cellulare procariotica nella:
• Prevenzione e nella cura delle malattie attraverso l'uso degli antibiotici i medici
• Rallentare o arrestare la crescita dei batteri che causano le malattie
• Alcuni procarioti benefici aiutano nella digestione
• Altri procarioti svolgono un ruolo nell'ambiente e sono utilizzati per la pulizia dei rifiuti tossici e per i programmi di bonifica biologica Non è esagerato dire che i procarioti sono una parte essenziale della vita sulla Terra. Affinché i batteri possano portare avanti le vie biosintetiche necessarie alla loro replica, devono trovarsi in presenza di adeguati fattori ambientali come:
• Temperatura Microrganismi Intervallo di temperatura (°C) Temperatura ottimale di crescita (°C) Psicrofili 0 - <30 15 - 20 Mesofili 25 - 40 37

• Adattata concentrazione di nutrienti
• Adeguato grado di umidità
• Adeguato pH
• Sterile e protetto da contaminazioni I terreni di coltura possono essere distinti in base:
• Alla stato fisico ( liquidi e solidi )
• Alla composizione in nutrienti ( minimi, semplici e complessi )
• Alla funzione ( arricchimento, selettivi e differenziali ) TERRENI LIQUIDI I terreni liquidi, detti anche brodi , consentono una rigogliosa crescita batterica che si manifesta in forma di intorbidimento del terreno. In laboratorio i terreni liquidi sono generalmente contenuti in provette. Sono ottenuti dai terreni liquidi in seguito all’aggiunta di un polisaccaride ( agar , ottenuto da alghe marine ) che ha delle peculiari caratteristiche:
• Fonde intorno a 100°C
• Solidifica intorno ai 40°C A cosa serve l’agar? Durante il processo di solidificazione le sostanze nutritive presenti nel terreno rimangono intrappolate tra le maglie formate dall’agar. Qui i batteri si moltiplicano senza avere la possibilità di migrare da un punto all’altro del terreno e formano degli aggregati batterici visibili ad occhio nudo, che si chiamano colonie. L’agar non è una sostanza nutriente per i microrganismi. TERRINI SOLIDI Sono terreni, di aspetto gelatinoso , contenuti in delle piastre chiamate: piastre Petri. TERRENI MINIMI Contengono gli elementi essenziali (N, C, S, P) sono presenti come sali inorganici in composizione e quantità note. Consentono lo sviluppo solo dei batteri meno esigenti. TERRENI SINTETICI (O DEFINITI) Contengono le singole sostanze di cui un batterio necessita in composizione e quantità note. TERRENI COMPLESSI Contengono sostanze la cui composizione e quantità non è ben definita (peptoni, siero, liquido ascitico, sangue). Permettono la crescita anche dei batteri più esigenti. Sono quelli maggiormente utilizzati in laboratorio TERRENI DI ARRICCHIMENTO (O ELETTIVI) La specie microbica di interesse vi cresce in un tempo assai più breve rispetto ad altre specie microbiche. TERRENI SELETTIVI Contengono sostanze batteriostatiche (sali biliari, tellurito di K, NaCl, azide sodica, cetrimide, cristalvioletto) a concentrazione nota che inibiscono o rallentano lo sviluppo di molte specie microbiche, ma non di altre. Utilizzati per l’isolamento di specifici microrganismi da campioni altamente contaminati. TERRENI DIFFERENZIALI Contengono sostanze indicatrici di particolari reazioni biochimiche che avvengono nel terreno stesso. Usati per la identificazione di specifici microrganismi. AGAR MAC CONKEY È selettivo per i Gram- in quanto la presenza di cristalvioletto e sali biliari inibisce la crescita dei Gram+. È differenziale in quanto contiene il lattosio che solo alcuni Enterobatteri, che sono in grado di metabolizzare inducendo l’acidificazione del terreno. Le specie batteriche in grado di fermentare il lattosio formeranno colonie rosse o rosa. Le specie batteriche non fermentanti il lattosio formeranno delle colonie incolori.

Misurando la quantità di batteri presenti nell’unità di volume di un terreno liquido a diversi intervalli di tempo , si può costruire un grafico che rispecchia la cinetica del processo replicativo della popolazione batterica della coltura. Il metodo per determinare la crescita dei batteri è rappresentato dal conteggio delle unità vitali. Per inoculare qualsiasi provetta di brodo liquido è sufficiente iniziare con un'ansa sterilizzata alla fiamma, e prelevare una coltura pura sotto forma di colonia isolata o da una riserva. Una volta ottenuto l'inoculo appropriato dovrete semplicemente mescolarlo avanti e indietro, nella provetta di brodo per essere certi di rimuovere la crescita batterica dall'ansa e dal brodo. Le fasi principali sono:

• Fase di adattamento ( latenza ) del batterio al terreno, detta anche fase di adattamento metabolico, porta alla: o Sintesi di nuovi enzimi per il metabolismo cellulare o Sintesi di nuovi componenti cellulari strutturali o Non si hanno atti moltiplicativi Durata è variabile : da specie a specie, dall’età dell’inoculo, dallo stato fisiologico delle cellule e dal terreno di coltura
• Fase di accelerazione positiva , i batteri iniziano a dividersi, ma solo il 20% si divide con un tempo di generazione più lungo rispetto al suo standard.
• Fase esponenziale o trofofase o fase logaritmica, il 100% dei batteri si divide, in maniera asincrona. Il batterio in questa fase produce metaboliti primari.
• Fase di accelerazione negativa , aumentano i cataboliti tossici e le sostanze nutritive si riducono. In questa fase si dividono l’80% dei batteri, mentre il 20% inizia a morire.
• Fase stazionaria o idiofase , questa è una fase dove il 50% si divide mentre il resto muore. In questa fase i batteri producono i metaboliti secondari (antibiotici, tossine, pigmenti,). I batteri sporigeni durante la fase stazionaria danno origine alle spore , per cui il titolo vitale può restare costante o diminuire di poco.
• Fase di morte o declino, della popolazione batterica con l’eccezione dei batteri sporigeni. Si deve alla forte riduzione di sostanze nutritive ed all’aumento di sostanze tossiche. I batteri sporigeni non raggiungono il declino. GENETICA BATTERICA Il genoma batterico consta di due componenti:
• Cromosoma , contiene i geni essenziali per la sopravvivenza (housekeeping)
• Elementi extra-cromosomici “mobili”, contengono geni non essenziali ma accessori (es. per la virulenza, per il trasferimento verticale o orizzontale) di materiale genetico come plasmidi ed elementi trasponibili. La struttura nucleare batterica è costituita da una singola molecola di DNA bicatenario , circolare , strettamente raggomitolata e direttamente immersa nel citoplasma. MECCANISMI DI TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE
• CONIUGAZIONE : due cellule batteriche entrano in contatto tramite una struttura detta “ sex pilus ”, che permette il trasferimento di materiale genetico (plasmidi). Un trasferimento unidirezionale di materiale genetico tra due

o Un ceppo liscio , indicato come ceppo " S ", dal momento che produce colonie lisce e lucenti (grazie alla presenza di una CAPSULA BATTERICA POLISACCARIDICA che avvolge ogni cellula). Questo ceppo è in grado di provocare la polmonite. o Un ceppo grezzo , indicato come ceppo “ R ”, dal momento che produce colonie dall'aspetto "rugoso" (a causa dell' ASSENZA DELLA CAPSULA BATTERICA ). Questo ceppo non è in grado di provocare polmonite. Ha iniettato in un topo il ceppo “S” ceppo, come previsto, il topo è morto. Allo stesso modo, iniettando un altro topo con il ceppo “R”, il topo è sopravvissuto. Dopo ad un terzo topo è stato iniettato il ceppo “S”, ma dopo che i batteri era stati denaturati (inattivati) con il calore. Ciò significa che ha riscaldato il ceppo "S" a temperature estreme, che hanno ucciso i fattori virulenti. Quindi il topo iniettato è sopravvissuto. Nell'ultima parte Griffith ha iniettato un topo con a miscela di entrambi, una miscela del ceppo R e del ceppo S denaturato con il calore. Il topo non è sopravvissuto. Con questo si concluse che c'era qualcosa del ceppo “S” che è stato trasmesso al ceppo “R”, facendolo diventare “virulento”. Da ciò lo scienziato concluse che il ceppo R, durante il mescolamento assorbiva materiale genetico (il cosiddetto “fattore trasformante” , in questo caso la capsula) così da renderlo in gradi di difendersi dagli anticorpi dell’animale ed ucciderlo. Cioè il ceppo rilascia nell’ambiente frammenti di DNA che vengono adsorbiti sulla superficie della cellula ricevente, e attraversano la membrana cellulare i frammenti di DNA vengono incorporati nel cromosoma della cellula ricevente. Dopo che Griffith concluse il suo esperimento il mondo della scienza era ora curioso di sapere di più sul principio di trasformazione. GRIFFITH → “Principio trasformante” Che veniva trasferito alla progenie o 1944: Avery, Mac Leod e McCarty dimostrarono che il principio trasformante non era altro che il DNA o 1953: James Watson e Francis Crick scoprono la struttura del DNA Griffith concluse il suo esperimento facendo una deduzione che c'è un qualche "fattore" che viene superato dal ceppo virulento ucciso dal calore al ceppo ruvido che è avirulento. Questo fattore trasforma il ceppo avirulento al tipo virulento. Quindi i tre scienziati pensarono di pianificare l'esperimento prendendo di mira il calore ucciso tensione liscia. Hanno mescolato ogni singolo componente chimico singolarmente. Quindi diciamo che questa cellula di deformazione liscia aveva questi 4 componenti A, B, C e D in esso. Hanno mescolato il componente “A” con il ceppo grossolano e lo iniettò in un topo vivo. Allo stesso modo, hanno mescolato tutti gli altri componenti individualmente con i ceppi grezzi e iniettati le miscele in diversi topi. Ciò che trovarono alla fine fu, solo uno dei quei componenti tra tutti, erano efficaci nel trasformare la tensione ruvida. È stato il caso in cui il topo è morto. La conclusione è stata che il componente “ D ”. Dall'analisi chimica hanno capito che quelle molecole avevano una composizione chimica simile a quello del DNA. Alcuni anni dopo, un altro esperimento ha aiutato confermare il fatto che si tratta effettivamente del DNA che è il principio di trasformazione. Competenza : la cellula ricevente, per poter essere trasformata, deve trovarsi in una particolare condizione che prende il nome di competenza (capacità di catturare il DNA). Il raggiungimento di un livello soglia nella densità cellulare attiva la sintesi ed il rilascio di una proteina chiamata “ fattore di competenza ” che induce la sintesi/attivazione di nuove proteine tra cui autolisina, DNA-binding, nucleasi…

Quale è l’importanza clinica del processo di trasformazione? È uno dei meccanismi responsabili del trasferimento di geni associati all’ antibiotico resistenza. Consente il trasferimento di geni codificanti per fattori di virulenza.

• TRASDUZIONE : il trasferimento genetico è mediato da batteriofagi, virus capaci di infettare i batteri. Il batteriofago ha generalmente una forma di spillo in cui si riconoscono più parti:
  • Testa ( contenente l’acido nucleico)
  • Collare
  • Coda che si sfrangia all’estremità in 5 - 6 fibre A seconda del tipo fagico coinvolto (virulento o temperato) la trasduzione può avvenire secondo due differenti modalità:
  1. Trasduzione generalizzata : nella trasduzione generalizzata, un segmento di DNA viene trasportato da una cellula batterica a un'altra da un virus batterico. chiamato batteriofago o fago. Il fago si attacca alla cellula batterica e inietta il suo acido nucleico nella cellula ospite. Viene prodotto un enzima fagico che scompone il DNA ospite in frammenti più piccoli. Il DNA dei fagi viene replicato e vengono prodotte le proteine di rivestimento dei fagi. Durante la replica virale può accadere che parti del genoma batterico vengano inglobati in nuove particelle virali. I batteriofagi neoformati vengono liberati (lisi batterio). Le particelle virali che hanno al loro interno il DNA batterico sono chiamate: PARTICELLE TRASDUCENTI. La particella fagica che trasporta il DNA batterico infetta un'altra cellula, trasferendo il DNA batterico alla nuova cellula. I fagi con i frammenti del DNA del primo batterio ( donatore ) assorbono ad un altro batterio ( ricevente ). Il fago inocula il frammento di DNA del batterio donatore nel batterio ricevente. Nella trasduzione generalizzata ogni gene batterico ha la stessa probabilità di essere trasdotto.
  2. Trasduzione specializzata : solo specifici geni possono essere trasferiti. È a causa dal fago temperato. Il batteriofago inocula il genoma nella cellula batterica. Il genoma del batteriofago si integra nel genoma della cellula batterica (profago). Quando il genoma fagico si de-integra può incorporare un frammento adiacente del DNA batterico. Durante la formazione di nuove particelle virali e si possono formare batteriofagi veicolanti da una porzione di DNA batterico. Le particelle virali che hanno al loro interno anche un frammento DNA batterico sono chiamate: PARTICELLE DEFETTIVE. Il batteriofago inocula il genoma veicolante la porzione di DNA batterico donatore in un altro batterio ( ricevente ). Il genoma del fago, integrandosi stabilmente nel genoma dell’ospite, veicola un tratto del genoma del batterio donatore. Per esempio il fago lambda che infetta l' E. Coli è un esempio ben studiato di un fagi trasduttore specializzato. Quando il fago lambda infetta il E. Coli il DNA del fago entra nella cellula e poi si integra in un sito specifico sul cromosoma ospite (gal gene). I fagi che si sviluppano sono difettosi perché non portano l'intera fase genoma ma può ancora infettare altre cellule. Il fago una volta adeso sulla superficie batterica è in grado di iniettare l’acido nucleico all’interno del batterio. A seconda del tipo di fago si potrà avere:
  • Un ciclo litico → il virus si riproduce immediatamente all’interno del batterio lisando la cellula e liberando così la progenie virale. Un virus che si riproduce causando un ciclo litico viene detto virulento.
  • Un ciclo lisogeno → il virus si integra nel genoma batterico (profago). I batteri che ospitano particelle virali non litiche sono detti lisogeni ed i virus temperati. Il virus può rimanere in forma latente per molto tempo fino a che verrà attivato e de-integrandosi dal cromosoma batterico innescherà un ciclo litico. La microbiologia tradizionale si è storicamente concentrata sullo studio delle singole specie coltivabili in laboratorio. Tuttavia la stragrande maggioranza delle specie microbiche non è mai stata isolata con successo, presumibilmente perché la loro crescita dipende da un microambiente specifico che non è stato, o non può essere, riprodotto sperimentalmente. I progressi nelle tecnologie di sequenziamento del DNA a partire dalla metà degli anni 2000 hanno permesso l'esame delle comunità microbiche senza l'esigenza della coltura in laboratorio. L’insieme dei genomi di tutti i batteri che colonizzano il nostro organismo costituisce il microbioma. Con il termine microbiota ( flora microbica ) si indica l’insieme delle comunità microbiche (batteriche) che colonizzano il nostro organismo. Nel corpo umano ci sono circa 10^13 cellule somatiche e circa 1014 cellule batteriche. Viene distinto in residente e transitorio:
• Residente : è rappresentato da microrganismi che si riscontrano in un particolare distretto corporeo ad una determinata età.

In base alla comparazione delle sequenze ottenute con quelle presenti in Data- base appositi viene eseguita la classificazione tassonomica delle comunità microbiche presenti in un campione. Quali sono i microrganismi che maggiormente colonizzano il nostro organismo? Dei 50 phyla batterici presenti nell’ambiente solo 4 dominano gli habitat mucosali e cutanei dell’uomo:

• Firmicutes
• Bacteroidetes
• Actinobacteria
• Proteobacteria I microbi sono onnipresenti in ogni momento e non possiamo fare niente per evitarlo. Quindi, milioni di anni fa, abbiamo fatto un patto: noi avremmo dato loro riparo e cibo ed in cambio loro avrebbero lavorato per noi. Ma più noi impariamo da questa alleanza più assomiglia ad una guerra fredda. Dentro l'utero materno i bambini sono sterili, al momento del parto, durante il transito attraverso il canale del parto, miliardi di batteri materni ricoprono ogni singola parte del nostro corpo. Questo è un elemento essenziale per la salute dell'uomo. I bambini nati per parto cesario hanno una maggiore incidenza di asma, malattie autoimmuni e perfino leucemia. Quindi, non solo i nostri corpi accettano l'invasione da parte dei microrganismi, ma addirittura gli danno il benvenuto. Nel corso di milioni di anni, ci siamo co-evoluti per migliorare l'alleanza. Il latte materno per esempio contiene degli speciali zuccheri adibiti al nutrimento e al sostentamento di certi gruppi di microbi , al fungere da esca per altri e ad aiutare a modulare il sistema immunitario. Una comunità sana di microbi impiega fino a due anni per formarsi. Ogni uomo ha il proprio, unico microbioma formato da batteri, virus, funghi ed altri organismi. Abbiamo 3 categorie di ospiti, sulla superficie e all'interno del nostro corpo:

1. Ospiti tranquilli e di passaggio che fanno le loro cose e che vengono ignorati educatamente. Con la loro presenza, occupano spazio e tengono a bada invasori più aggressivi.
2. Ospiti che sono nuocciono alla nostra salute , ma con cui abbiamo imparato a convivere. Per esempio, batteri che letteralmente creano acido che scioglie i nostri denti, se non li spazzoliamo abbastanza. Questi vogliono occupare quanto spazio possibile, e noi non vogliamo che lo facciano ma non possiamo sbarazzarcene del tutto.
3. I compagni amichevoli che il nostro corpo vuole avere attorno, la maggior parte di questi sono una comunità di 380.000 miliardi di batteri fino a 5.000 specie diverse, che vivono nel nostro intestino. Questi microrganismi intestinali ci aiutano a digerire il cibo, e tirar fuori calorie aggiuntive da composti che non possiamo digerire da soli. Sfortunatamente, il nostro intestino è anche il perfetto bersaglio per l'attacco di invasori, ed è quindi protetto da un esercito aggressivo: il nostro sistema immunitario. Per sopravvivere, il nostro microbioma si è co-evoluto assieme a noi per riuscire a comunicare con il nostro corpo. L'elemento più importante è chiedere al sistema immunitario di non ucciderli. Ma hanno anche una motivazione reale per tenere sano il nostro intestino, quindi alcuni di questi producono delle sostanze messaggere che aiutano ad educare il sistema immunitario, e altre stimolano le cellule intestinali a rigenerarsi in fretta. Ma nel corso degli ultimi anni sono emerse delle prove sul fatto che l'influenza del nostro microbioma intestinale va molto oltre. Potrebbe persino parlare direttamente al nostro cervello. Abbiamo osservato alcune cose interessanti:

• Il 90% della serotonina nel nostro corpo, un' importante sostanza messaggera per le cellule nervose, è prodotta nell'intestino. Alcuni scienziati pensano che il microbioma la produca per comunicare con il nervo vago, l'autostrada dell'informazione del nostro sistema nervoso.
• Altri esempi sono i batteri che stimolano le cellule immunitarie nell'intestino che inviano una forma di segnale di allarme al cervello. Qui, vengono attivate le cellule immunitarie che aiutano il cervello a riprendersi dagli infortuni.
• Dato che è il cervello che decide quando mangiamo il microbioma è interessato ad avere un cervello in forma.
• Una nuova branca della scienza sta per nascere e stiamo solo iniziando a capire come questi complessi sistemi all'interno del nostro corpo interagiscono fra di loro. Ma stiamo iniziando a capire quanto il nostro microbioma realmente influenza noi e il nostro comportamento. Prendiamo la depressione, ad esempio: ratti sani alimentati con microbi delle feci di soggetti depressi, hanno mostrato un comportamento simile all'ansia e sintomi che assomigliano a quelli della depressione. E all'inizio del 2017, uno studio ha connesso il microbioma all'intelligenza, associando uno specifico gruppo di batteri nei neonati, a migliori capacità motorie e linguistiche.
• Ma potrebbe anche influire sulla nostra vita quotidiana : test sui moscerini della frutta hanno mostrato che il loro microbioma influenza il tipo di cibo che desiderano. Questo potrebbe voler dire che i tuoi microbi potrebbero comunicare al tuo cervello che cibo fornirgli. Anche se questa non è una strada a senso unico. Abbondanza relativa in un soggetto sano è di circa 70 - 80%

L’input per il nostro microbioma proviene dalla nostra madre , ma come si sviluppa e cambia è determinato da cosa mangiamo. Gli organismi nel nostro intestino si nutrono di diverse cose: ad alcuni piacciono le fibre e le verdure a foglia verde, altri preferiscono zuccheri e amidi, ed altri amano patatine fritte e burro. Il nostro intestino è come un giardino in cui decidiamo costantemente che cosa crescerà e fiorirà. Se mangiamo in maniera sana , faremo crescere batteri a cui piace il cibo sano. Se mangiamo molto cibo da fast food , invece faremo crescere batteri a cui piace il fast food. La vita è difficile e quindi potremmo rimanere intrappolati in un circolo vizioso : hai un periodo di stress e mangi tanti hamburgers, patatine fritte e pizza. Questo è il massimo per i batteri a cui piace il fast food: si moltiplicano sempre di più e occupano lo spazio dei batteri a cui piacciono le verdure. Ma ancora peggio, mandano un segnale al cervello per perpetuare il circolo. Ciò ti farà desiderare ancora più cibo da fast food che farà crescere ancora più batteri a cui piace il fast food, che ti farà desiderare ancora più fast food, e così via. Questo tipo di circolo vizioso potrebbe avere un ruolo importante nell' obesità , ma è importante sottolineare che puoi combattere questo processo e invertirlo mangiando in maniera sana e facendo crescere più batteri buoni. Al di là dell'aumento di peso, il nostro microbioma è stato associato ad altre patologie gravi come l'autismo, la schizofrenia e il cancro. Uno dei sintomi precoci del Parkinson sono appunto i disturbi intestinali. Se il tuo corpo è invaso da batteri che possono danneggiarti, spesso c'è solo una soluzione far sopraggiungere un esercito di buoni. È molto facile, basta trapiantare un po' di feci sane. Viene eseguito letteralmente trasportando feci da una persona sana al tuo intestino. Questo metodo è già impiegato per curare la diarrea, causata quando il batterio C. difficile invade il microbioma intestinale , ma ancora non sappiamo abbastanza del complesso processo in gioco a riguardo. Ad esempio, un trapianto da un donatore sovrappeso ha curato la diarrea di una donna ma ha contribuito in seguito alla sua obesità. Ciò ha provocato alcune perplessità e un altro studio ha provato ad invertire l'effetto. I trapianti di feci da soggetti magri a soggetti obesi ha concesso a questi ultimi un microbioma più vario e li ha resi meno sensibili all'insulina. Entrambi sono eventi che si presentano anche quando le persone perdono peso ma bisogna fare ancora molte ricerche scientifiche, per capire veramente come il nostro microbioma ci rende sani o malati. Ma che ci piaccia o meno, noi abbiamo bisogno del nostro microbioma e lui ha bisogno di noi. Non avremo mai controllo completo del nostro corpo, ma abbiamo comunque conquistato un potente alleato, fin quando riusciamo a mantenere la pace. MICROBIOMA TRATTO GASTRO-INTESTINALE È l’ecosistema batterico del corpo umano maggiormente studiato. Nel tratto gastrointestinale sono presenti la maggior parte dei microrganismi che colonizzano il corpo umano. Il loro numero aumenta andando dallo stomaco al crasso. Il crasso contiene più del 70% dei microrganismi presenti nel nostro corpo (si calcola che ogni cm^2 contenga 10-15 miliardi di germi, prevalentemente batteri). Il 95 - 99% dei batteri è anaerobia. Tra i batteri coltivabili:

• Enterobacteriaceae (Phylum: Proteobacteria )
  • E. coli presente nel 100% degli individui
  • Enterobacter spp. e Klebsiella spp. (nel 40-80%)
  • Proteus spp. (5-55%)
• Staphylococcus spp. (30-50 %) ( Phylum: Firmicutes , Fam. Micrococcaceae )
• Enterococcus spp. ( Phylum: Firmicutes , Fam. Enterococcaceae ) Es. di disbiosi intestinale: i pazienti con malattie croniche intestinali (morbo di Chron, colite ulcerosa) presentano una significativa alterazione del microbiota intestinale. Il microbiota disequilibrato non sembra essere una mera conseguenza della situazione patologica, ma uno dei fattori coinvolti nella patogenesi di queste malattie. I soggetti con IBD mostrano un microbiota intestinale molto meno vario rispetto ai sani e un incremento di batteri pro-infiammatori come le Enterobatteriaceae , specialmente E. coli ed una riduzione di quelli protetti (es. lattobacilli). MICROBIOMA VAGINALE Dopo quella intestinale la comunità microbica più studiata è quella vaginale. In questo microbiota la condizione ottimale è sicuramente quella in cui la popolazione batterica è molto poco diversificata. Infatti un ecosistema salutare è quello con preponderanza di lattobacilli. Le specie appartenenti al genere Lactobacillus ( phylum Firmicutes ) maggiormente presenti sono:
• L. crispatus
• L. jensenii
• L. gasseri
• L. iners Sulla base della preponderanza di una specie sulle altre sono state individuate 5 community state types (CTS) :

• Spazi interdigitali
• Bulbi piliferi
• Cuoio capelluto
• Ghiandole sebacee e sudoripare
• Ghiandola mammaria La rottura dell’integrità cutanea può consentire ai microrganismi di penetrare nel corpo. I phyla presenti nell’ecosistema cutaneo sono:
• Actinobacteria (i predominanti)
• Firmicutes
• Proteobacteria
• Bacteroidetes Sono assenti i Fusobacteria .I batteri maggiormente riscontrati da campioni cutanei appartengono ai generi:
• Propionobacterium ( phylum Actinobacteria )
• Corynebacterium ( phylum Actinobacteria )
• Cutibacterium ( phylum Actinobacteria )
• Micrococcus ( phylum Actinobacteria )
• Brevibacterium ( phylum Actinobacteria )
• Staphylococcus ( phylum Firmicutes ) o S. epidermidis o S. aureus (può essere presente in molte aree del corpo come: ascelle, perineo, cuoio capelluto, fra le dita dei piedi) colonizzatore transitorio. MICROBIOMA TRATTO RESPIRATORIO Le vie respiratorie sono costantemente colonizzate da batteri. I generi presenti nel tratto respiratorio superiore nella maggioranza degli individui sani sono:
• Staphylococcus ( phylum Firmicutes, fam. Micrococcaceae )
• Streptococcus ( phylum Firmicutes, fam. Streptococcaceae )
• Prevotella ( phylum Bacteroidetes, fam. Prevotellaceae )
• Veillonella ( phylum Firmicutes, fam. Veillonellaceae )
• Fusobacterium ( phylum Fusobacteria, fam. Fusobacteriaceae )
• Propionibacterium ( phylum Actinobacteria, fam. Propionibacteriaceae )
• Corynebacterium ( phylum Actinobacteria, fam. Corynebacteriaceae ) Talvolta possono essere riscontrati specie che possono causare patologie :
• S. aureus (narici possono essere stabilmente colonizzate-circa il 20% degli operatori sanitari)
• H. influenzae
• S. pneumoniae
• N. meningitidis I soggetti che le albergano sono chiamati: portatori sani

Il tratto respiratorio inferiore è stato per lungo tempo considerato sterile. Attualmente grazie al sequenziamento è stato messo in evidenza che presenta microrganismi commensali. Gli studi sono tuttora in corso, ma sono stati individuati batteri che costituiscono il core microbiome. Con il termine patogenicità si indica la capacità di un microrganismo di causare danno nell’ospite. Un batterio è considerato patogeno quando è in grado di invadere i tessuti di un organismo umano e di moltiplicarvisi, danneggiando il normale funzionamento dell’ ospite con la sua crescita e/o con la produzione di una o più sostanze tossiche. Si parla di:

• Patogeno primario , se l’organismo è in grado di indurre malattia in un ospite sano. Non richiedono alcun fattore predisponente.
• Patogeno opportunista se l’organismo è incapace di causare la malattia in individui sani e immunocompetenti, mentre è in grado di infettare soggetti le cui difese sono molto indebolite. Vive nell’ ambiente (acqua, aria, suolo, cibo) oppure come parte della microflora transitoria o residente dell’ospite , ma può svolgere un’azione patogena in presenza di condizioni favorenti come il venir meno della immunocompetenza dell’ospite (per trapianto, AIDS, neoplasia ecc.), es. Pseudomonas spp., S. aureus, S. maltophilia. Con il termine virulenza si indica il grado di patogenicità associata ad un agente patogeno. In pratica la virulenza è una misura quantitativa della patogenicità. Ciascun patogeno presenta differenti fattori di virulenza. I principali fattori di virulenza dei batteri sono:
• Adesine
• Biofilm
• Capsula
• Produzione di enzimi (esoenzimi)
• Produzione di tossine (esotossine)
• Rilascio di endotossine ADESINE Affinché il processo patogenetico abbia inizio è necessario che i batteri aderiscano alle cellule dell’ ospite. L’adesione alle cellule dell’ospite è resa possibile dalle adesine : molecole o strutture superficiali del batterio in grado di legare recettori complementari localizzati sulle cellule dei tessuti dell’ospite. La maggior parte delle adesine sono di natura glicoproteica o lipoproteica , mentre i recettori cellulari sono spesso rappresentati da carboidrati ( mannosio ), proteine di natura extracellulare ( fibronectina ). Sono adesine: ad es. l’acido lipoteicoico , la proteina F , ma le strutture di adesione batterica per eccellenza sono le fimbrie ( o pili ). Escherichia coli è un uropatogeno presenta delle fimbrie in grado di legare gli oligosaccaridi contenenti mannosio presenti nelle glicoproteine dell’epitelio della vescica impendendo così al flusso urinario di staccare il batterio.