Microbiologia Generale: Batteriologia e Virologia

Flashcards dedicate ai concetti fondamentali di batteriologia, virologia e storia della microbiologia basate sul materiale didattico fornito.

Microbiologia

Disciplina che studia i microrganismi, inclusi i microrganismi eucariotici (alghe, protozoi, miceti), procariotici (batteri) e agenti microbici come i virus.

Animalcules

Termine coniato da Anton van Leeuwenhoek nel 1676 per descrivere i minuscoli organismi invisibili a occhio nudo osservati con il suo microscopio rudimentale.

Pasteurizzazione

Trattamento termico sviluppato da Louis Pasteur che consiste nel riscaldare un liquido a circa $60-63\,^{\circ}C$ per $30$ minuti per eliminare microrganismi contaminanti.

Tindalizzazione

Processo di sterilizzazione frazionata ideato da John Tyndall per eliminare le spore batteriche attraverso cicli alternati di riscaldamento ($60-80\,^{\circ}C$) e incubazione ($20-37\,^{\circ}C$).

Postulati di Koch

Quattro condizioni fondamentali formulate da Robert Koch per stabilire la relazione causale tra uno specifico microrganismo e una malattia. Utilizzati per definire il ruolo eziologico di un microrganismo.

1. Il microrganismo deve essere presente in tutti i soggetti malati e assente in quelli sani

2. Il microrganismo deve essere isolato dai pazienti malati e coltivato in coltura pura

3. Inoculando la coltura pura in un soggetto sano, deve essere manifestata la stessa patologia

4. Il microrganismo deve essere nuovamente isolato, dal paziente inoculato di coltura pura

Simbionti

Microrganismi che vivono a contatto con l'ospite stabilendo un rapporto di reciproco beneficio, come alcuni batteri intestinali.

Microbiota umano

Insieme dei microrganismi che colonizzano l'uomo, comprendente circa $10^{14}$ cellule microbiche e oltre 1000 specie diverse.

Il microbiota rappresenta l’insieme delle specie batteriche residenti in una determinata comunità biologica (microbiota intestinale)

Influenzato da fattori ambientali e comportamentali

Microbioma

Patrimonio genetico complessivo dei microrganismi presenti in un organismo

Filogenesi

Studio della storia evolutiva degli organismi e delle relazioni tra di loro, spesso basato sul confronto delle sequenze di RNA ribosomiale.

Colorazione di Gram

Colorazione differenziale che distingue i batteri in Gram positivi (viola) e Gram negativi (rosso) in base alla struttura e allo spessore del peptidoglicano nella parete cellulare. Utilizza coloranti quali cristal violetto e safranina (eventualmente fucsina) intervallati da lavaggio con alcol-acetone.

Parete dei micobatteri

Sono affini ai Gram- per la presenza di una parete esterna, ma non vengono colorati dalla colorazione di Gram.

1. Strato sottile di peptidoglicano

2. Arabinogalattano: polisaccaride strutturale, ponte tra peptidoglicano e acidi micolici

3. Acidi micolici: acidi grassi a C60-C90, spesso ramificati, ancorati alla parte distale dell’arabinogalattano

4. Lipo-arabino-mannano: lipo-polisaccaride fosforilato, interagisce con l’ospite → virulento

5. Cere (esteri di acidi grassi e polisaccaridi) e lipidi complessi in superficie (foglietto esterno di molecole anfipatiche) → idrofobicità e resistenza

Coloranti cationici (basici)

Molecole con carica positiva (es. blu di metilene, cristalvioletto, safranina) che si legano a strutture cellulari negative come acidi nucleici e superficie cellulare. Preferiti nelle colorazioni dei batteri

Colorazione di Ziehl-Neelsen

Tecnica utilizzata per identificare i micobatteri acido-alcol resistenti (AAR), che possiedono una parete cerosa ricca di lipidi.

Sfrutta i coloranti fucsina e blu di metilene intervallati da un lavaggio con acido-alcol

Peptidoglicano (mureina)

Polimero a struttura reticolare esclusivo dei batteri formato da catene di $N$-acetilglucosammina (NAG) e acido $N$-acetilmuramico (NAM) unite da legami $\beta$-1,4 glicosidici.

Acido meso-diaminopimelico (m-Dpm)

Amminoacido presente in posizione 3 del tetrapeptide nei batteri Gram negativi, capace di formare quattro legami peptidici per i legami crociati.

Proteine PBP (Penicillin-Binding Proteins)

Enzimi come transpeptidasi e carbossipeptidasi che catalizzano la formazione dei legami crociati nel peptidoglicano e sono bersaglio degli antibiotici $\beta$-lattamici. Transpeptidasi e carbossilasi

Acidi teicoici

Associati al gruppo ossidrile del C6 di NAM nella parete dei Gram +, si dispone perpendicolarmente al peptidoglicano.

Polimeri di glicerolo o ribitolo fosfato legati al peptidoglicano nei Gram positivi, che conferiscono carica negativa e controllano il passaggio di ioni e il legame con cationi, rendendo i gram + alofili.

antigenici e fonte di fosfato

Lipopolisaccaride (LPS)

Componente principale della membrana esterna dei Gram negativi, costituito da

antigene O: catena polisaccaridica composta di unità in grado di legare lo ione Mg++, conferisce carica negativa e antigenicità. Permette lo schielding e la tipizzazione dei sierotipi.

core: esterno di esosi e interno di KDO (cheto deossi ottonato)

lipide A: 2 glucosamina legate da legame b1-6, fosforilate ed esterificate. Componente tossica o endotossina, nella lisi cellulare attiva il sistema immunitario del bersaglio.

Maggiore attivatore del sistema immunitario perché provoca il rilascio di innumerevoli citochine

Pseudomureina

Struttura della parete cellulare di alcuni Archaea in cui il NAM è sostituito dal NAT (acido $N$-acetiltalosaminuronico) e i legami sono $\beta$-1,3 (insensibile al lisozima).

Opanoidi

Molecole con struttura piana e rigida che stabilizzano la membrana citoplasmatica batterica, derivate dagli stessi precursori del colesterolo.

Eccezione fanno i micoplasmi che il membrana citoplasmatica presentano steroli per una maggiore protezione

Capsula

Sostanza polimerica extracellulare (SPE) compatta e aderente che protegge i batteri dalla fagocitosi e favorisce l'adesione.

La sua sintesi è regolata da fattori genici e da fattori fenotipici.

Composta di polisaccaridi altamente idratati, meno spesso polipeptidi.

Quorum Sensing (QS)

Sistema di comunicazione batterica dipendente dalla densità cellulare mediato da molecole segnale chiamate autoinduttori.

Vengono regolati: formazione di biofilm, produzione di pigmenti, produzione di fattori di virulenza, competenza alla trasformazione, sporulazione.

I gram - utilizzano come autoinduttore acil omoserina lattone, che diffusibile viene prodotto continuamente e oltre una certa concentrazione si associa ai recettori dei geni target, attivando vie di segnale specifiche.

Nei gram + vengono sfruttati piccoli peptidi idrofilici, che una volta esternati dalla cellula si associano (quando oltre una certa concentrazione) a recettori di membrana che forforilano componenti intracellulari, che a loro volta attivano le vie geniche.

Terreno differenziale

Mezzo di coltura che permette di distinguere i microrganismi in base a caratteristiche metaboliche visibili, come il viraggio di colore di un indicatore di pH.

Agar sangue

Terreno arricchito e differenziale utilizzato per osservare l'attività emolitica (alfa, beta o gamma) dei batteri.

Coltura pura (clone)

Popolazione di cellule derivata da una singola cellula madre inizialmente isolata su terreno solido per striscio, risultando geneticamente identica.

Anaerobi obbligati

Microrganismi che crescono solo in assenza di ossigeno e possono utilizzare il metabolismo fermentativo o la respirazione anaerobica.

Plasmide

Elemento genetico extracromosomico a replicazione autonoma che conferisce vantaggi selettivi come la resistenza agli antibiotici o fattori di virulenza.

Proteina FtsZ

Omologo funzionale della tubulina che forma lo Z-ring nel punto di divisione cellulare per guidare la formazione del setto.

Tempo di generazione

Tempo necessario per il raddoppiamento della popolazione batterica; per $Escherichia\,coli$ in condizioni ottimali è di circa $20$ minuti.

Battericida

Agente antimicrobico che inibisce irreversibilmente la crescita batterica provocando la morte delle cellule.

MIC (Minima Concentrazione Inibente)

La più bassa concentrazione di un antibiotico capace di inibire la crescita visibile di un microrganismo, tecnica di antibiogramma, per la valutazione della AMR (AntiMicrobical Resistance).

Fattore di virulenza

Caratteristica di un microrganismo che ne aumenta la capacità di causare danno, come la produzione di esotossine o la presenza di adesine.

Proteine coinvolte nella forma della divisione batterica

FtsZ: omologo funzionale della tubulina, si occupa della formazione dello Z-ring

Mre-M: omologo funzionale dell’actina. Presente nei batteri di foma bastoncellare, mantiene la forma allungata

Crescentina: presente nei batteri che assumono forma ricurva

Come viene deciso dove si forma il setto di divisione della cellula batterica?

Grazie alle proteine MinC e MinD

MinD lega ATP e si associa ad un polo cellulare

MinC si lega a MinD e impedisce la formazione dello Z-ring

MinE idrolizza ATP, il complesso si riforma dall’altro polo

La concentrazione minore del complesso MinCD si ottiene al centro della cellula, dove può avvenire la formazione dell’anello.

SAR

Structure Activity Relation

Attività di un antibiotico a seconda della sua struttura; la modifica dei gruppi funzionali mantenendo il gruppo farmacoforo permette di migliorare caratteristiche che rappresentano dei punti critici, quali la tossicità, la stabilità, efficacia ecc.

Con modifiche successive allo stesso gruppo farmacoforo, si sono create successive generazioni di antibiotici.

Metodi di antibiogramma

1. MIC

2. Kirby Bauer

AMR

AntiMicrobical Resistance

Sviluppata dai microrganismi con sotto dosaggi di antibiotici, in realtà i geni di resistenza si sono formati prima.

1. Il farmaco non raggiunge il target

Riduzione della permeabilità di parete (porine)

Alterazione del trasporto del farmaco (pompe di efflusso)

Produzione di enzimi che degradano l’antibiotico

1. Modificazione del target:

Modificazione e del target biologico: Produzione di PBP modificate, Modificazione del gruppo terminale D-ala D-ala

Iper produzione del substrato del target o de target stesso

Step della patogenesi batterica

1. Adesione all’ospite, tramite adesine, favorisce la formazione del biofilm

2. Invasione dei tessuti dell’ospite, tramite produzione di enzimi degradativi, produzione di acidi e gas e produzione di esotossine (neurotossine, tossine AB, tossine emolitiche-citolitiche)

3. Evasione dei meccanismi di difesa dell’ospite: no fagocitosi, no fagolisosoma, vita anche nel citoplasma cell’ospite.

MCP

Methyl-accepting Chemotaxis Proteins

Recettori delle cellule batteriche che regolano il movimento del flagello, quindi guidano la chemiotassi.

La metilazione delle proteine provoca l’autofosforilazione del fattore CheA, successivamente di CheW che agisce sul flagello.

• Aumento di fosforilazione di CheA: vogliamo cambiare direzione

La metilazione di MCPè controllata dalle proteine CheR (metila) e CheB (demetila) in modo che non arrivi a saturazione.

Ciclo di una spora

La spora è una forma di resistenza che viene utilizzata dai batteri (soprattutto gram+) per resistere a lungo in una condizione di quiescenza metabolica. Viene attivata quando le condizioni sono sfavorevoli, vengono rilevate fonti di stress, solitamente quando il batterio è nella fase stazionaria.

Ha inizio da una divisione asimmetrica, dove il setto di divisione non si forma in posizione centrale ma verso un polo (sporangio).

Successivamente il setto si disgrega e la prespora viene rivestita dalla membrana della cellula vegetativa (engulfment).

La prespora è ora rivestita da 2 membrane plasmatiche, con polarità opposta.

Tra le due membrane si forma la corteccia, uno strato di peptidoglicano modificato in cui il NAM si richiude in una circolarizzazione intracellulare: lattame del NAM, a conferire maggiore elasticità e resistenza al lisozima.

Viene generato acido dipicolinico da un precursore del peptidoglicano.

SASP: proteine che si associano al DNA per la protezione dagli UV e come fonte di C e aa alla germinazione.

Ulteriori rivestimenti esterni alla corteccia sono la tunica: numerosi strati proteici contenenti numerosi residui di cisteina per la formazione di ponti disolfuro. Conferisce l’aspetto rifrangente

Esosporio: non sempre presente, formato da lipidi, polisaccaridi e proteine, conferisce ulteriore resistenza.

Trascrittasi inversa

Enzima specifico dei retrovirus capace di sintetizzare DNA utilizzando l'RNA virale come stampo.

Prioni

Agenti infettivi costituiti esclusivamente da una proteina anomala ($PrP^{Sc}$) che induce il misfolding delle proteine cellulari normali, causando encefalopatie spongiformi.

Capsomeri

Unità morfologiche del capside virale icosaedrico, classificati in pentoni (nei 12 vertici) ed esoni (su spigoli e facce).

Envelope (Pericapside)

Involucro lipoproteico esterno di alcuni virus derivato dalle membrane della cellula ospite e modificato con glicoproteine virali (peplomeri).

Fase di eclissi

Periodo del ciclo replicativo virale in cui la particella virale si disassembla per rilasciare il genoma e non è rilevabile come virione infettivo.

Tropismo virale

Affinità di un virus per specifici tessuti o tipi cellulari, determinata dall'interazione tra antirecettori virali e recettori cellulari.

Provirus

Forma del genoma dei retrovirus quando è integrato stabilmente nel DNA della cellula ospite.

Gene tat (HIV)

Geni precoce di HIV che codifica per un transattivatore trascrizionale fondamentale per l'efficienza della trascrizione delle LTR.

Proteina Rev (HIV)

Regolatore dell'espressione delle proteine virali che controlla il trasporto degli RNA non completamente splissati dal nucleo al citoplasma.

Co-recettori di HIV

Molecole della famiglia dei recettori per le chemochine (principali: CCR5 e CXCR4) necessarie insieme al CD4 per la fusione del virus e l'ingresso nella cellula.

cccDNA (covalently closed circular DNA)

Forma stabile e circolare del genoma del virus dell'epatite B (HBV) che persiste nel nucleo delle cellule infette.