VI MATERIALE ONLINE ISBN 978-88-08-18686-7 Organizzazione del volume Il volume è organizzato in quattro Parti PARTE A – Struttura e funzione della cellula procariote PARTE B – Crescita microbica e metabolismo PARTE C – Genetica batterica e biologia molecolare PARTE D – Interazioni tra microrgranismi e con altri organismi Alcuni capitoli sono a loro volta suddivisi in sezioni interne per meglio rappresentare la complessità dell’argomento. In ogni capitolo sono presenti approfondimenti sotto forma di schede autonome, fruibili dal lettore anche separatamente e presentate in un formato grafico che permette di distinguerle facilmente dal testo corrente. Le schede di approfondimento possono essere di tre tipi, distinguibili dal colore del bordo: • tassonomia STORIA DELLA CLASSIFICAZIONE DEI BATTERI • approfondimento generale IL GENOMA DI BORRELIA BURGDORFERI Alcune specie del genere Borrelia (famiglia delle Spirochete) sono responsabili di malattie infettive, note con il termine di borreliosi, trasmesse dagli animali all’uomo tramite insetti vettori. La Borrelia burgdorferi è l’agente eziologico della malattia di Lyme, un’affezione che colpisce primariamente la pelle in seguito a una puntura di zecche (del genere Ixodes) infettate da questo batterio. La malattia si manifesta da 2 a 40 giorni dopo l’infezione con un eritema che tende a ingrandirsi e con sintomi di tipo influenzale. L’infezione può regredire spontaneamente mentre la diagnosi e il trattamento antibiotico ne permettono la guarigione. Il progredire dell’infezione in persone non trattate con l’antibiotico può avere gravi conseguenze. L’infezione può progressivamente colpire vari organi (cuore, articolazioni, encefalo, nervi periferici) per invasione diretta del batterio, che in alcuni individui può produrre una grave reazione autoimmune. Il serbatoio naturale della Borrelia burgdorferi sono gli animali selvatici (lepri, volpi, ungulati e uccelli), mentre la trasmissione all’uomo passa attraverso punture di zecche (del genere Ixodes) che a loro volta si sono infettate succhiando il sangue degli animali portatori. Per il biologo molecolare Borrelia burgdorferi è un batterio particolarmente interessante per l’insolita struttura e complessità del suo genoma. Questo è infatti costituito da un cromosoma lineare di circa una megabase e 21 plasmidi di cui 12 lineari e 9 circolari (fig. 8.10). Si tratta probabilmente del numero più alto di plasmidi diversi riscontrato finora in una cellula batterica. Lo studio del ruolo di questi plasmidi è stato facilitato dall’osservazione che la crescita continua dei batteri in terreni ricchi tende a fare perdere i plasmidi dalle cellule. Questa perdita non sembra modificare la capacità del batterio di crescere in vitro, ma l’eliminazione di alcuni plasmidi riduce l’infettività sperimentale in seguito a inoculazione del batterio in topolini. È possibile riprodurre in laboratorio le condizioni che incontrano i batteri quando vengono iniettati dall’insetto vettore in un mammifero. Nelle zecche e in vitro il batterio vive, infatti, a 23 °C, pH 8,0, mentre nel mammifero vive a 35 °C, pH 7,0. In seguito a transizioni termiche e di pH di colture batteriche in vitro è stata osservata l’induzione di molte proteine che normalmente sono prodotte nell’ospite mammifero. La caratterizzazione dei Materiale online • antibiotici ANTIBIOTICI INIBITORI DELLA SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO – 1° E 2° STADIO Gli antibiotici che inibiscono la sintesi del peptidoglicano agiscono a livello dei diversi stadi del processo di biogenesi della parete cellulare stessa, Tabella 19.1 PHYLA BATTERICI COME RIPORTATI DALLA SECONDA EDIZIONE DEL Per molti anni dopo la loro scoperta, i batteri sono sfuggiti alla tassoBERGEY’S MANUAL SYSTEMATIC BACTERIOLOGY. che siOFsvolgono come descritto nel ► paragrafo 2.3.3. nomia di tipo filogenetico che era stata sviluppata per gli organismi più Phyla batterici complessi. Primo stadio 1. Aquificae 13. Firmicutes Per studiosi come Martinus W. Beijerinck, Albert Kluyver e CorneTra gli inibitori delle14.reazioni precoci del primo stadio, sono stati particolis B. van Niel, della scuola olandese di microbiologia (la più autorevole 2. Thermotogae Actinobacteria nella prima metà del XX secolo), la principale preoccupazione era stata la larmente studiati due antibiotici: la fosfomicina e la cicloserina. La fogeni corrispondenti ha evidenziato che questi sono portati da plasmidi 3.e Thermodesulfobacteria 15. Planctomycetes ricerca di queste relazioni naturali, che permettessero, per i batteri, come sfomicina (fig. 2.23a), analogo strutturale del fosfoenolpiruvato, si lega che alcuni sono essenziali per la sopravvivenza del batterio durante il ciclo 4. Deinococcus-Thermus 16. Chlamydiae/Verrucomicrobia group già avveniva per le piante e gli animali, di determinare relazioni evolutive. covalentemente all’enzima piruviltransferasi che catalizza la reazione di nell’ospite All’inizio del infettato. XX secolo si iniziò a sentire la necessità di strumenti adatti 5. Chrysiogenetes Spirochaete condensazione del 17. fosfoenolpiruvato con l’UDP-N-acetil-glucosamina con a classificare e identificare i batteri e fu allora che nacque il progetto 6. Chloroflexi 18. Fibrobacteres formazione di enoil-N-acetil-glucosamina, precursore dell’acido N-acedel Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. Sin dalla sua prima til-muramico. La cicloserina (fig. 2.23b), analogo strutturale della D-a7. Thermomicrobia 19. Acidobacteria compilazione, chelineare risale aldi1923, Cromosoma 910 loKbscopo principale di questo manuale lanina, interferisce 20. conBacteroidetes la sintesi del dimero D-alanil-D-alanina, inibendo 8. Nitrospirae era quello di aiutare i ricercatori nell’identificazione di questi semplici mil’enzima alanil racemasi che converte la L-alanina in D-alanina, e l’enzima crorganismi e nella definizione di nuove specie. 9. Deferribacteres 21. Fusobacteria D-alanil-D-alanina sintetasi che catalizza la formazione del legame peptiFinPlasmidi dalle prime pubblicazioni, il manuale rappresentò una grande opera circolari 10. Cyanobacteria 22. Verrucomicrobia dico tra due molecole di D-alanina. La mancata sintesi di questo dimero di collaborazione internazionale che vide la pubblicazione di numerose 11. Chlorobi 23. Dictyoglomi impedisce il completamento della catena pentapeptidica dell’acido N-aedizioni, aggiornate e ampie (tab. 19.1 ). (1-9) cp9 sempre più cp26 cp32 cetil-muramico. Per renderci conto di quanto sia stata grande e faticosa quest’opera, pen12. Proteobacteria siamo solo che, al tempo in cui ebbe inizio il progetto, la natura della celMeccanismi di resistenza.riporta La resistenza la fosfomicina è molto Il sito http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy alcuni nuoviverso phyla che comprendono pochi isolati ancora scarsamente (Elusimicrobia, lula batterica non era neppure riconosciuta e che, fino alla preparazione frequente; essa è associata a: caratterizzati mutazioni del gene che codifica il trasporFusobacteria, Gemmatimonadetes, Synergistetes). della settima edizione (1957), non si era ancora fatta strada l’idea che i tatore di membrana, mutazioni dell’enzima piruviltransferasi, che non è Plasmidi lineari batteri potessero costituire un regno separato da piante e animali. più in grado di riconoscere il substrato fisiologico e pertanto impedisce la I batteriologi (cioè gli studiosi dei batteri) si riunivano ai congressi botanici terminativo che aveva, più che altro, lo scopo di aiutare gli studiosi a lp5 formazione dei legami crociati, e produzione di enzimi (gliossalasi) codie i batteri erano classificati, in base alle regole del Botanical Code of Noriconoscere le specie. ficati sia dai Gram positivi (FosB) sia dai Gram negativi (FosA, FosX). Tali menclature (un codice botanico di nomenclatura), come Schizomycetes. Si mise da parte momentaneamente la classificazione filogenetica rivollp17 enzimi si legano al C1 e idrolizzano l’anello epossidico della fosfomicina, Inoltre nessuno pensava che le Cyanophyceae potessero essere dei battegendosi a una tassonomia (noiosa e poco affascinante) che si basava rendendola inefficace. diLacaratteristiche resistenza è morfologiche solitamente di tipo cromosomico e ri. Venivano considerate una famiglia di alghe (le Schyzophyceae) ed erano sull’osservazione e l’enumerazione e funlp21 classificate nel regno delle piante. zionali comuni. Era un sistema del quale nessuno era più convinto anche lp21 Nell’introduzione alla settima edizione del Bergey’s Manual of Determise fu l’unica via percorribile fino alla comparsa delle nuove tecnologie del native Bacteriology, si cominciarono, però, a riportare opinioni piuttosto DNA ricombinante. H2N lp28-1 sulla natura lp28-2 lp28-4 innovative di questi organismi lp28-3 microscopici, per i quali i criAnche per gli studiosi di evoluzione era un compito difficile lavorare sui teri tassonomici classici erano difficili da applicare. Secondo Everitt G.D. batteri, ma i ricercatori erano consapevoli che, determinando le relazioni lp36 la cosa più corretta sarebbe stata classificarli in un regno diverso Murray filogenetiche fra i batteri, non solo si sarebbe completato il “programma dai regni animale e vegetale, un nuovo regno che avesse pari dignità e darwiniano”, estendendo le conoscenze a tutte le forme di vita della lp39importanza. uguale terra, ma considerando che i batteri sono presenti sulla terra da miliardi di In quel periodo (1962) Roger J. Stanier e C.B. van Niel, che erano fra anni, si sarebbe aperto un enorme “serbatoio di conoscenze” che conlp54 nello studio dei batteri, scrissero, in un articolo intitolato “The i pionieri teneva in sé la chiave per comprendere l’origine della cellula eucariotica. I concept of a bacterium”, quanto fosse «intellettualmente frustrante, per metodi di analisi erano ancora poco sviluppati e solamente le conoscenze Figura 2.23 STRUTTURA TRE INIBITORI DELLApotevano SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO. (a) unlp56 biologo, dedicare la sua vita allo studio di un gruppo di organismi che sulla fisiologia, il metabolismo e la DI morfologia dei batteri venire non può neppure essere descritto, in termini biologici, in modo chiaro e in aiuto. Fosfomicina, (b) cicloserina, (c) bacitracina. soddisfacente.» In questa prospettiva si iniziò a lavorare a una nuova edizione del Manuale Figura IL GENOMA La figura Questo8.10 segnò l’inizio di DI unBORRELIA importanteBURGDORFERI. lavoro di descrizione dei mostra “batteri”il cromoin cui fossero ampliate le informazioni sui vari batteri con note sul loro soma lineare di 910 kb e i vari plasmidi lineari (lp) e circolari (cp). Alcuni placome microrganismi dalle caratteristiche uniche rispetto agli altri orgaisolamento e mantenimento in coltura, con descrizioni più approfondite smidi (in rosso) sono necessari per l’infezione dell’ospite animale (zecca o nismi conosciuti e portò all’inclusione dei cianobatteri in questo nuovo sulla morfologia e sul metabolismo. vertebrato). regno che fu definito dei procarioti. Questo nuovo manuale fu chiamato Bergey’s Manual of Systematic BacteSi era tuttavia abbastanza lontani dalla visione che oggi si ha del mondo riology e fu stampato in 4 volumi nei quali i taxa batterici erano divisi in batterico, perché le tecnologie esistenti al tempo non davano la possibilità modo rispondente a caratteristiche fenotipiche e genotipiche, ma erano di svolgere studi filogenetici e di attuare una classificazione filogenetica. ancora ignorati i criteri di classificazione filogenetica che cominciarono ad Van Niel, a un certo punto della sua vita, rinunciò a determinare una fiessere applicati solo con la seconda edizione, al momento solo in parte logenesi microbica, optando per il sistema di classificazione depubblicata. Il libro è arricchito dalla presenza di materiale online, richiamato nel testo dall’indicazione ► www. Il materiale è disponibile sul sito http://online.universita.zanichelli.it/deho cui potrai accedere seguendo le istruzioni riportate in seconda di copertina. più raramente mediata da plasmidi. Secondo stadio Tra gli inibitori del secondo stadio ricordiamo la bacitracina (fig. 2.23c), antibiotico polipeptidico isolato da alcuni ceppi di Bacillus licheniformis nel 1945. La bacitracina si lega al suo bersaglio, il C55-isoprenil pirofosfato o bactoprenolo, che funge da carrier lipidico delle componenti della parete cellulare durante la sintesi del peptidoglicano. La bacitracina interferisce con la defosforilazione del bactoprenolo pirofosfato, impedendo la traslocazione delle subunità disaccaridiche legate al pentapeptide dal citoplasma all’esterno della membrana citoplasmatica. Infatti il bactoprenolo, nella forma pirofosfato, non è più in grado di traslocare le subunità del peptidoglicano in quanto la forma attiva è solo quella monofosfato. Meccanismi di resistenza. La presenza della membrana esterna rende i batteri Gram negativi meno sensibili a queste molecole. I principali meccanismi noti di resistenza alla bacitracina sono rappresentati da un sistema di estrusione dell’antibiotico (BcrABC) e da una undecaprenolo chinasi (BacA) che genera de novo l’undecaprenolo monofosfato. Nel sistema BcrABC le proteine BcrB e BcrC formano un canale transmembrana, mentre due proteine BcrA funzionano da ATPasi e forniscono energia per il trasporto. a) Fosfomicina b) Cicloserina O O HO P OH N N H NH2 O O S O HN CH3 H N O N H O O N H O OH NH2 O H N HN O O HN O NH O NH c) Bacitracina H 2N O HO H N HN O O N O HN All’interno del sito troverai: 1. la versione integrale del Capitolo 9 - Replicazione del DNA e schede di approfondimento aggiuntive 000_VI-X_Romane.indd 6 05/08/14 10:19 ISBN 978-88-08-18686-7 PREFAZIONE VII 2. Esercitazioni di Laboratorio di Microbiologia simulate Come procedere nel laboratorio 1° fase. Descrizione A. Leggere attentamente le informazioni di questa pagina e dei protocolli collegati. B. Annotarsi i materiali richiesti C. Annotarsi le attività da svolgere e la loro sequenza. 2° fase. Scelta dei materiali A. Preleva e trascina i materiali necessari sopra le caselle al centro della pagina B. Solo quando avrai completata la selezione dei materiali potrai passare alla fase successiva 3° fase. Esecuzione delle attività A. Preleva e trascina (nella giusta sequenza) l’attività da svolgere B. Rispondi alle varie domande che ti verranno poste dal sistema 4° fase. Riepilogo e fine dell’esercitazione A. Alla conclusione delle attività potrai accedere a una schermata di riepilogo. B. È possibile stampare il riepilogo o chiudere l’esercitazione e passare ad altre attività di Testtube 3. Test a risposta multipla sulla piattaforma ZTE, il sistema di somministrazione di test interattivi (raggiungibile anche tramite zte.universita.zanichelli.it) 000_VI-X_Romane.indd 7 05/08/14 10:19 VIII PREFAZIONE ALLA II EDIZIONE ISBN 978-88-08-18686-7 Prefazione alla II edizione La seconda edizione di questo libro nasce dall’esigenza di apportare necessarie correzioni e modifiche al testo originario, ma in particolare di trattare in modo più ampio e adeguato i Virus degli Eucarioti, ai quali è dedicato un intero nuovo capitolo, e di ampliare la trattazione dei microrganismi eucarioti, come suggerito da vari colleghi docenti. È stata inoltre riorganizzata la parte riguardante la genetica e la biologia molecolare dei microrganismi, allo scopo di rendere più efficace e mirato lo studio di questi fondamentali aspetti della microbiologia, che si basano comunque su conoscenze acquisite in altri corsi di base. Ci auguriamo che i colleghi, cui siamo grati per la preziosa collaborazione, e gli studenti accolgano la nuova edizione con rinnovato interesse. Gianni Dehò Enrica Galli Prefazione Nata come scienza circa un secolo e mezzo fa, la Microbiologia (Biologia dei microrganismi) ha conosciuto negli ultimi sessanta anni una spettacolare evoluzione che ha contribuito in modo determinante a sviluppare l’attuale visione globale del mondo vivente e la comprensione, specialmente a livello molecolare, di processi biologici fondamentali. Utilizzando microrganismi come principale modello di studio, sono state poste le basi di importanti discipline biologiche, quali la biochimica, la biologia molecolare e la genetica molecolare; è stata decifrata la natura di DNA, RNA e proteine e sono state sviluppate le tecnologie che stanno alla base dell’ingegneria genetica e delle biotecnologie molecolari. Tappa finale di questo percorso che ha attraversato quasi tutto il ventesimo secolo e che ha aperto nuovi orizzonti alla ricerca biologica è stato il sequenziamento del DNA e lo sviluppo degli approcci genomici allo studio dei sistemi biologici. La Microbiologia ha quindi via via assunto un ruolo sempre più rilevante tra le discipline biologiche, sia come disciplina specialistica, sia per la visione globale e unificante che riesce fornire del mondo vivente. 000_VI-X_Romane.indd 8 05/08/14 10:19 PREFAZIONE IX ISBN 978-88-08-18686-7 Questo libro tratta fondamentalmente di microrganismi procarioti (batteri e archei), pur facendo continui richiami al mondo eucariote, e in particolare ai microrganismi eucarioti, per quanto riguarda le differenze nella struttura e nelle funzioni a livello cellulare, l’evoluzione molecolare e i rapporti filogenetici fra i tre gruppi di microrganismi. Il testo è stato pensato in particolare per gli studenti dei corsi di Laurea triennali e magistrali in Scienze Biologiche e Biotecnologie avendo come riferimento gli insegnamenti di Microbiologia generale, Microbiologia cellulare e Microbiologia molecolare, ma la parte più generale del libro può essere utilizzabile anche da studenti di altri corsi di laurea scientifici. Per venire incontro alle diverse esigenze didattiche, il testo è suddiviso in quattro Parti di cui le prime due (Struttura e funzione della cellula procariote e Crescita microbica e metabolismo) rappresentano la parte di base della Microbiologia, mentre le altre due Parti (Genetica batterica e biologia molecolare e Interazioni tra microrganismi e con altri organismi) affrontano aspetti propri della microbiologia molecolare e cellulare. Questo tipo di organizzazione vuole offrire al docente e allo studente la possibilità di conoscere il mondo dei microrganismi a livello strutturale e funzionale da un lato e cellulare-molecolare dall’altro. In questo modo il docente può scegliere gli argomenti più adatti agli insegnamenti della laurea triennale o magistrale, seguendo percorsi diversi a seconda del tipo e del livello di insegnamento. Il testo si caratterizza inoltre anche per altri aspetti: • i llivellodiaggiornamentoeapprofondimentodeivariaspettidellamicrobiologiaal passo con i più recenti risultati delle ricerche microbiologiche, con un ampio materiale iconografico; • l atrattazionediargomentipiùspecificiinappositeschedediapprofondimento.Per alleggerire il testo, alcune di queste schede sono disponibili in una sezione on line sul sito dedicato al libro che in futuro potrà essere aggiornata e ampliata. La stesura del testo si è avvalsa del prezioso contributo di numerosi docenti di discipline microbiologiche, che hanno messo a disposizione la propria competenza nella trattazione dei vari aspetti della Microbiologia. A loro va un sentito ringraziamento per la proficua collaborazione. Ai Colleghi docenti che sceglieranno di adottare questo testo e suggerirlo agli studenti come strumento di studio, chiediamo di farci avere commenti e suggerimenti che saranno utili in una futura revisione. Gianni Dehò Enrica Galli 000_VI-X_Romane.indd 9 05/08/14 10:19 000_VI-X_Romane.indd 10 05/08/14 10:19