Obiettivi di apprendimento
- Elencazione dei vari tipi di microrganismi e descrizione delle loro caratteristiche distintive
- Fornire esempi di diversi tipi di microrganismi cellulari e virali e agenti infettivi
- Descrivere le somiglianze e le differenze tra archei e batteri
- Fornire una panoramica del campo della microbiologia
La maggior parte dei microbi sono unicellulari e abbastanza piccoli da richiedere un ingrandimento artificiale per essere visti. Tuttavia, ci sono alcuni microbi unicellulari che sono visibili ad occhio nudo, e alcuni organismi multicellulari che sono microscopici. Un oggetto deve misurare circa 100 micrometri (µm) per essere visibile senza un microscopio, ma la maggior parte dei microrganismi sono molto più piccoli di così. Per avere una prospettiva, considera che una tipica cellula animale misura circa 10 µm di diametro, ma è ancora microscopica. Le cellule batteriche sono tipicamente circa 1 µm, e i virus possono essere 10 volte più piccoli dei batteri (Figura 1). Vedi la Tabella 1 per le unità di lunghezza usate in microbiologia.
Tabella 1. Unità di lunghezza comunemente usate in microbiologia | ||
---|---|---|
Unità metrica | Significato del prefisso | Equivalente metrico |
metro (m) | – | 1 m = 100 m |
decimetro (dm) | 1/10 | 1 dm = 0.1 m = 10-1 m |
centimetro (cm) | 1/100 | 1 cm = 0.01 m = 10-2 m |
millimetro (mm) | 1/1000 | 1 mm = 0,001 m = 10-3 m |
micrometro (μm) | 1/1.000.000 | 1 μm = 0.000001 m = 10-6 m |
nanometro (nm) | 1/1.000.000.000 | 1 nm = 0,000000001 m = 10-9 m |
I microorganismi differiscono tra loro non solo per dimensioni, ma anche per struttura, habitat, metabolismo e molte altre caratteristiche. Mentre in genere pensiamo ai microrganismi come se fossero unicellulari, ci sono anche molti organismi multicellulari che sono troppo piccoli per essere visti senza un microscopio. Alcuni microbi, come i virus, sono addirittura acellulari (non composti da cellule).
I microorganismi si trovano in ognuno dei tre domini della vita: Archaea, Bacteria ed Eukarya. I microbi nei domini dei batteri e degli archaea sono tutti procarioti (le loro cellule non hanno un nucleo), mentre i microbi nel dominio Eukarya sono eucarioti (le loro cellule hanno un nucleo). Alcuni microrganismi, come i virus, non rientrano in nessuno dei tre domini della vita. In questa sezione, introdurremo brevemente ciascuno dei grandi gruppi di microbi. I capitoli successivi approfondiranno le diverse specie all’interno di ogni gruppo.
Microrganismi procarioti
I batteri si trovano in quasi tutti gli habitat della terra, compresi quelli all’interno e sull’uomo. La maggior parte dei batteri sono innocui o utili, ma alcuni sono patogeni e causano malattie negli esseri umani e in altri animali. I batteri sono procarioti perché il loro materiale genetico (DNA) non è alloggiato in un vero nucleo. La maggior parte dei batteri hanno pareti cellulari che contengono peptidoglicano.
I batteri sono spesso descritti in termini della loro forma generale. Le forme comuni includono la forma sferica (coccus), a forma di asta (bacillus), o curva (spirillum, spirochete, o vibrio). La figura 2 mostra esempi di queste forme.
Hanno una vasta gamma di capacità metaboliche e possono crescere in una varietà di ambienti, utilizzando diverse combinazioni di nutrienti. Alcuni batteri sono fotosintetici, come i cianobatteri ossigenati e i batteri anossigenici verdi solforati e verdi non solforati; questi batteri usano energia derivata dalla luce del sole e fissano l’anidride carbonica per la crescita. Altri tipi di batteri sono non-fotosintetici, ottenendo la loro energia da composti organici o inorganici nel loro ambiente.
Anchaea sono anche organismi procarioti unicellulari. Archaea e batteri hanno storie evolutive diverse, così come differenze significative nella genetica, nei percorsi metabolici e nella composizione delle loro pareti cellulari e membrane. A differenza della maggior parte dei batteri, le pareti cellulari degli archei non contengono peptidoglicano, ma le loro pareti cellulari sono spesso composte da una sostanza simile chiamata pseudopeptidoglicano. Come i batteri, gli archei si trovano in quasi tutti gli habitat della terra, anche in ambienti estremi che sono molto freddi, molto caldi, molto basici o molto acidi (Figura 3). Alcuni archei vivono nel corpo umano, ma nessuno ha dimostrato di essere patogeno per l’uomo.
Pensaci
- Quali sono i due principali tipi di organismi procarioti?
- Dimmi alcune delle caratteristiche che definiscono ciascun tipo.
Microrganismi eucarioti
Il dominio Eukarya contiene tutti gli eucarioti, compresi gli eucarioti uni- o multicellulari come protisti, funghi, piante e animali. La caratteristica principale che definisce gli eucarioti è che le loro cellule contengono un nucleo.
Protisti
I protisti sono eucarioti unicellulari che non sono piante, animali o funghi. Alghe e protozoi sono esempi di protisti.
Le alghe (singolare: alga) sono protisti simili a piante che possono essere unicellulari o multicellulari (Figura 4). Le loro cellule sono circondate da pareti cellulari fatte di cellulosa, un tipo di carboidrato. Le alghe sono organismi fotosintetici che estraggono energia dal sole e rilasciano ossigeno e carboidrati nel loro ambiente. Poiché altri organismi possono usare i loro prodotti di scarto per l’energia, le alghe sono parti importanti di molti ecosistemi. Molti prodotti di consumo contengono ingredienti derivati dalle alghe, come la carragenina o l’acido alginico, che si trovano in alcune marche di gelati, condimenti per insalate, bevande, rossetto e dentifricio. Un derivato delle alghe gioca anche un ruolo importante nel laboratorio di microbiologia. L’agar, un gel derivato dalle alghe, può essere mescolato con vari nutrienti e usato per far crescere i microrganismi in una piastra di Petri. Le alghe sono anche in fase di sviluppo come possibile fonte di biocarburanti.
I protozoi (singolare: protozoo) sono protisti che costituiscono la spina dorsale di molte reti alimentari, fornendo nutrimento ad altri organismi. I protozoi sono molto diversi. Alcuni protozoi si muovono con l’aiuto di strutture simili a capelli chiamate ciglia o strutture simili a fruste chiamate flagelli. Altri estendono parte della loro membrana cellulare e del citoplasma per spingersi in avanti. Queste estensioni citoplasmatiche sono chiamate pseudopodi (“falsi piedi”). Alcuni protozoi sono fotosintetici; altri si nutrono di materiale organico. Alcuni sono a vita libera, mentre altri sono parassiti, in grado di sopravvivere solo estraendo nutrienti da un organismo ospite. La maggior parte dei protozoi sono innocui, ma alcuni sono patogeni che possono causare malattie negli animali o negli esseri umani (Figura 5).
Funghi
Anche i funghi (singolare: fungo) sono eucarioti. Alcuni funghi multicellulari, come i funghi, assomigliano alle piante, ma in realtà sono molto diversi. I funghi non sono fotosintetici, e le loro pareti cellulari sono solitamente fatte di chitina piuttosto che di cellulosa.
I funghi unicellulari – i lieviti – sono inclusi nello studio della microbiologia. Ci sono più di 1000 specie conosciute. I lieviti si trovano in molti ambienti diversi, dal mare profondo all’ombelico umano. Alcuni lieviti hanno usi benefici, come far lievitare il pane e far fermentare le bevande; ma i lieviti possono anche causare il deterioramento del cibo. Alcuni causano anche malattie, come le infezioni vaginali da lievito e il mughetto orale (Figura 6).
Altri funghi di interesse per i microbiologi sono organismi multicellulari chiamati muffe. Le muffe sono costituite da lunghi filamenti che formano colonie visibili (Figura 7). Le muffe si trovano in molti ambienti diversi, dal suolo al cibo in decomposizione agli angoli umidi del bagno. Le muffe giocano un ruolo fondamentale nella decomposizione di piante e animali morti. Alcune muffe possono causare allergie e altre producono metaboliti che causano malattie chiamati micotossine. Le muffe sono state usate per fare prodotti farmaceutici, compresa la penicillina, che è uno degli antibiotici più comunemente prescritti, e la ciclosporina, usata per prevenire il rigetto degli organi dopo un trapianto.
Pensaci
- Nominare due tipi di protisti e due tipi di funghi.
- Nominate alcune delle caratteristiche che definiscono ciascun tipo.
Elminti
I vermi parassiti multicellulari chiamati elminti non sono tecnicamente microrganismi, poiché la maggior parte sono abbastanza grandi da essere visti senza un microscopio. Tuttavia, questi vermi rientrano nel campo della microbiologia perché le malattie causate dagli elminti coinvolgono uova e larve microscopiche. Un esempio di un elminto è il verme d’India, o Dracunculus medinensis, che causa vertigini, vomito, diarrea e ulcere dolorose su gambe e piedi quando il verme esce dalla pelle (Figura 8). L’infezione avviene tipicamente dopo che una persona beve acqua contenente pulci d’acqua infettate da larve di verme d’India. A metà degli anni ’80, c’erano circa 3,5 milioni di casi di malattia del verme d’India, ma la malattia è stata in gran parte eradicata. Nel 2014, ci sono stati solo 126 casi segnalati, grazie agli sforzi coordinati dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) e di altri gruppi impegnati a migliorare le condizioni igieniche dell’acqua potabile.
Virus
I virus sono microorganismi acellulari, il che significa che non sono composti da cellule. Essenzialmente, un virus consiste di proteine e materiale genetico – DNA o RNA, ma mai entrambi – che sono inerti al di fuori di un organismo ospite. Tuttavia, incorporandosi in una cellula ospite, i virus sono in grado di cooptare i meccanismi cellulari dell’ospite per moltiplicarsi e infettare altri ospiti.
I virus possono infettare tutti i tipi di cellule, dalle cellule umane alle cellule di altri microrganismi. Negli esseri umani, i virus sono responsabili di numerose malattie, dal comune raffreddore al mortale Ebola (Figura 9). Tuttavia, molti virus non causano malattie.
Pensaci
- Gli elminti sono microorganismi? Spiega perché o perché no.
- In che modo i virus sono diversi dagli altri microorganismi?
La microbiologia come campo di studio
La microbiologia è un termine ampio che comprende lo studio di tutti i diversi tipi di microorganismi. Ma in pratica, i microbiologi tendono a specializzarsi in uno dei vari sottocampi. Per esempio, la batteriologia è lo studio dei batteri; la micologia è lo studio dei funghi; la protozoologia è lo studio dei protozoi; la parassitologia è lo studio degli elminti e di altri parassiti; e la virologia è lo studio dei virus (Figura 10).
L’immunologia, lo studio del sistema immunitario, è spesso inclusa nello studio della microbiologia perché le interazioni ospite-patogeno sono centrali nella nostra comprensione dei processi delle malattie infettive. I microbiologi possono anche specializzarsi in alcune aree della microbiologia, come la microbiologia clinica, la microbiologia ambientale, la microbiologia applicata o la microbiologia alimentare.
In questo libro di testo, ci occupiamo principalmente delle applicazioni cliniche della microbiologia, ma poiché i vari sottocampi della microbiologia sono altamente interconnessi, discuteremo spesso applicazioni che non sono strettamente cliniche.
Bioetica in microbiologia
Negli anni 40, il governo degli Stati Uniti stava cercando una soluzione a un problema medico: la prevalenza di malattie sessualmente trasmissibili (STD) tra i soldati. Diversi studi, ora famosi, finanziati dal governo, hanno utilizzato soggetti umani per la ricerca di malattie sessualmente trasmissibili comuni e trattamenti. In uno di questi studi, i ricercatori americani hanno intenzionalmente esposto più di 1300 soggetti umani in Guatemala a sifilide, gonorrea e cancroide per determinare la capacità della penicillina e altri antibiotici di combattere queste malattie. I soggetti dello studio includevano soldati guatemaltechi, prigionieri, prostitute e pazienti psichiatrici – nessuno dei quali è stato informato che stavano prendendo parte allo studio. I ricercatori hanno esposto i soggetti alle malattie sessualmente trasmissibili con vari metodi, dal facilitare i rapporti sessuali con prostitute infette all’inoculazione ai soggetti dei batteri noti per causare le malattie. Quest’ultimo metodo consisteva nel fare una piccola ferita sui genitali del soggetto o altrove sul corpo, e poi mettere i batteri direttamente nella ferita. Nel 2011, una commissione governativa statunitense incaricata di indagare sull’esperimento ha rivelato che solo alcuni dei soggetti sono stati trattati con la penicillina, e 83 soggetti sono morti entro il 1953, probabilmente come risultato dello studio.
Purtroppo, questo è uno dei tanti orribili esempi di esperimenti di microbiologia che hanno violato le norme etiche fondamentali. Anche se questo studio avesse portato ad una scoperta medica salvavita (non è successo), pochi potrebbero sostenere che i suoi metodi fossero eticamente validi o moralmente giustificabili. Ma non tutti i casi sono così chiari. I professionisti che lavorano in ambienti clinici sono spesso confrontati con dilemmi etici, come lavorare con pazienti che rifiutano un vaccino o una trasfusione di sangue salvavita. Questi sono solo due esempi di decisioni di vita e di morte che possono intersecarsi con le credenze religiose e filosofiche sia del paziente che dell’operatore sanitario.
Non importa quanto sia nobile l’obiettivo, gli studi di microbiologia e la pratica clinica devono essere guidati da un certo insieme di principi etici. Gli studi devono essere fatti con integrità. I pazienti e i soggetti di ricerca devono fornire un consenso informato (non solo accettando di essere trattati o studiati, ma dimostrando una comprensione dello scopo dello studio e degli eventuali rischi coinvolti). I diritti dei pazienti devono essere rispettati. Le procedure devono essere approvate da un comitato di revisione istituzionale. Quando si lavora con i pazienti, la registrazione accurata, la comunicazione onesta e la riservatezza sono fondamentali. Gli animali usati per la ricerca devono essere trattati umanamente, e tutti i protocolli devono essere approvati da un comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali. Questi sono solo alcuni dei principi etici esplorati nei riquadri dell’Occhio sull’Etica in tutto il libro.
Clinical Focus: Cora, Risoluzione
Questo esempio conclude la storia di Cora iniziata in Quello che i nostri antenati sapevano e Un approccio sistematico.
I campioni di CSF di Cora non mostrano segni di infiammazione o infezione, come ci si aspetterebbe da un’infezione virale. Tuttavia, c’è un’alta concentrazione di una particolare proteina, la proteina 14-3-3, nel suo CSF. Anche un elettroencefalogramma (EEG) della sua funzione cerebrale è anormale. L’EEG assomiglia a quello di un paziente con una malattia neurodegenerativa come l’Alzheimer o l’Huntington, ma il rapido declino cognitivo di Cora non è coerente con nessuna di queste. Invece, il suo medico conclude che Cora ha la malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD), un tipo di encefalopatia spongiforme trasmissibile (TSE).
La CJD è una malattia estremamente rara, con solo circa 300 casi negli Stati Uniti ogni anno. Non è causata da un batterio, un fungo o un virus, ma piuttosto da prioni, che non rientrano perfettamente in nessuna categoria particolare di microbi. Come i virus, i prioni non si trovano sull’albero della vita perché sono acellulari. I prioni sono estremamente piccoli, circa un decimo delle dimensioni di un tipico virus. Non contengono materiale genetico e sono composti esclusivamente da un tipo di proteina anormale.
Il CJD può avere diverse cause. Può essere acquisita attraverso l’esposizione al cervello o al tessuto del sistema nervoso di una persona o di un animale infetto. Il consumo di carne di un animale infetto è un modo in cui tale esposizione può avvenire. Ci sono stati anche rari casi di esposizione alla CJD attraverso il contatto con attrezzature chirurgiche contaminate e da donatori di cornea e ormoni della crescita che avevano inconsapevolmente la CJD. In rari casi, la malattia deriva da una specifica mutazione genetica che a volte può essere ereditaria. Tuttavia, in circa l’85% dei pazienti con CJD, la causa della malattia è spontanea (o sporadica) e non ha una causa identificabile. Sulla base dei suoi sintomi e della loro rapida progressione, a Cora viene diagnosticata la CJD sporadica.
Purtroppo per Cora, la CJD è una malattia mortale per la quale non esiste un trattamento approvato. Circa il 90% dei pazienti muore entro 1 anno dalla diagnosi. I suoi medici si concentrano sul limitare il dolore e i sintomi cognitivi mentre la malattia progredisce. Otto mesi dopo, Cora muore. La sua diagnosi di CJD è confermata da un’autopsia del cervello.
Concetti chiave e riassunto
- I microrganismi sono molto diversi e si trovano in tutti e tre i campi della vita: Archaea, Bacteria e Eukarya.
- Archaea e batteri sono classificati come procarioti perché non hanno un nucleo cellulare. Gli Archaea differiscono dai batteri per la storia evolutiva, la genetica, le vie metaboliche e la composizione della parete cellulare e della membrana.
- Gli Archaea abitano quasi tutti gli ambienti della terra, ma nessun Archaea è stato identificato come patogeno umano.
- Gli Eucarioti studiati in microbiologia includono alghe, protozoi, funghi ed elminti.
- Le alghe sono organismi simili alle piante che possono essere unicellulari o multicellulari, e ricavano energia attraverso la fotosintesi.
- I protozoi sono organismi unicellulari con strutture cellulari complesse; la maggior parte sono mobili.
- I funghi microscopici includono muffe e lieviti.
- Gli elminti sono vermi parassiti multicellulari. Sono inclusi nel campo della microbiologia perché le loro uova e larve sono spesso microscopiche.
- I virus sono microrganismi acellulari che richiedono un ospite per riprodursi.
- Il campo della microbiologia è estremamente ampio. I microbiologi in genere si specializzano in uno dei molti sottocampi, ma tutti i professionisti della salute hanno bisogno di una solida base in microbiologia clinica.
Scelta multipla
Quale dei seguenti tipi di microrganismi è fotosintetico?
- lievito
- virus
- helminth
- alghe
Mostra risposta
Risposta d. Alghe è fotosintetico.
Quale dei seguenti è un microrganismo procariotico?
- helminth
- protozoo
- cianobatterio
- muffa
Mostra risposta
Risposta c. Cyanobacterium è un microorganismo procariotico.
Quale dei seguenti è acellulare?
- virus
- batterio
- fungo
- protozoo
Mostra risposta
Risposta a. I virus sono acellulari.
Quale dei seguenti è un tipo di microrganismo?
- batterio
- protozoo
- alga
- lievito
Mostra risposta
Risposta d. Il lievito è un tipo di microorganismo fungino.
Quale dei seguenti non è un sottocampo della microbiologia?
- batteriologia
- botanica
- microbiologia clinica
- virologia
Mostra la risposta
Risposta b. La botanica non è un sottocampo della microbiologia.
Fill in the Blank
Un ________ è un microrganismo che causa malattie.
Mostra risposta
Un patogeno è un microrganismo che causa malattie.
I vermi parassiti multicellulari studiati dai microbiologi sono chiamati ___________.
Mostra risposta
I vermi parassiti multicellulari studiati dai microbiologi sono chiamati elminti.
Lo studio dei virus è ___________.
Mostra risposta
Lo studio dei virus è virologia.
Le cellule degli organismi procarioti mancano di un _______.
Mostra risposta
Le cellule degli organismi procarioti non hanno un nucleo.
Pensaci
- Descrivi le differenze tra batteri e archei.
- Nomina tre strutture che vari protozoi usano per la locomozione.
- Descrivi le dimensioni reali e relative di un virus, di un batterio e di una cellula vegetale o animale.
- Confronta il comportamento di un virus all’esterno con quello all’interno di una cellula.
- In quale punto di questa tabella dovrebbero trovarsi un virus, un batterio, una cellula animale e un prione?
- P. Rudge et al. “CJD iatrogeno dovuto all’ormone della crescita derivato dall’ipofisi con tempi di incubazione geneticamente determinati fino a 40 anni”. Brain 138 n. 11 (2015): 3386-3399. ↵
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- Susan Donaldson James. “Gli esperimenti sulla sifilide scioccano, ma anche le sperimentazioni di farmaci nel terzo mondo”. ABC World News. 30 agosto 2011. http://abcnews.go.com/Health/guatemala-syphilis-experiments-shock-us-drug-trials-exploit/story?id=14414902. Accesso 24 giugno 2015. ↵
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- Greg Botelho. “Caso di malattia di Creutzfeldt-Jakob confermato nel New Hampshire”. CNN. 2013. http://www.cnn.com/2013/09/20/health/creutzfeldt-jakob-brain-disease/. ↵
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