Prefazione

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
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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)
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VIII PREFAZIONE ALLA II EDIZIONE
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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.
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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
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