Il Gene 16S rRNA e la Filogenesi Batterica

Il Gene 16S rRNA

• È un gene molto lungo che assume una particolare struttura secondaria dopo la trascrizione.
• Codifica la subunità piccola del ribosoma procariota (negli eucarioti è il 18S rRNA).
• È l'orologio molecolare più usato per studiare la filogenesi e identificare i batteri, poiché ha un basso tasso di mutazione.
• La maggior parte delle mutazioni al gene 16S rRNA producono ribosomi non funzionanti.
• La sequenza del gene 16S rRNA presenta diverse regioni:
  • Regioni CONSERVATE universali: stessa sequenza in tutti i batteri.
  • Regioni SEMICONSERVATE: sequenza uguale tra batteri dello stesso TAXON.
  • Regioni VARIABILI: stessa sequenza tra batteri della stessa specie.
• Confrontando la sequenza di questo gene tra diversi batteri è possibile:
  • Quantificare la distanza filogenetica.
  • Determinare la diversità tra gli organismi.
  • Identificare un batterio: se 2 organismi hanno 16S rRNA con più del 97% di omologia di basi appartengono alla stessa specie.

Procarioti: Parete Cellulare

• I procarioti sono divisi in due categorie:
  • Archeobatteri
  • Eubatteri
• A differenza delle cellule eucariote, i procarioti non hanno un nucleo delimitato da una membrana che lo separa dal citoplasma.
• I procarioti presentano un nucleoide, una zona a maggior densità di cromosoma batterico (DNA circolare) non delimitata da membrana che lo separa dal citoplasma.
• Il citoplasma è formato da citosol, ribosomi e particelle insolubili in sospensione.
• I ribosomi sono cruciali per la sintesi proteica.
• Nel citoplasma si trovano i plasmidi, piccoli anelli di DNA circolare che portano poche informazioni ("geni").
• I plasmidi possono passare da una cellula batterica a un'altra (trasformazione batterica).
• Nelle cellule eucariote, il nucleo contiene i nucleoli, dove avviene la sintesi e trascrizione di RNA ribosomali e l'assemblaggio dei ribosomi.
• I pili sono strutture che determinano la capacità di aderire alle superfici.

Gram+ e Gram-: Differenze nella Parete Cellulare

• I batteri si dividono in Gram+ e Gram- in base alla struttura della loro parete cellulare.
• Gram+: hanno uno strato SPESSO e unico di peptidoglicano (mureina) con molti legami crociati.
  • Questo strato è responsabile della ritenzione del colorante viola (trattato con cristalli violetto).
  • La parete cellulare dei Gram+, rimane colorata di viola dopo l'applicazione della fucsina.
• Gram-: hanno uno strato più SOTTILE di peptidoglicano (mureina) con meno legami crociati, e sono caratterizzati dalla presenza di una membrana esterna.
  • Cedono prima la colorazione violetta.
  • La membrana esterna dei Gram- è formata da fosfolipidi, proteine e polisaccaridi.
  • Funge da barriera per il passaggio di sostanze, inclusi i farmaci.
  • Influisce sulla capacità di formare biofilm.

La Membrana Esterna dei Gram-

• La membrana esterna dei Gram- è una struttura complessa con un ruolo importante nella protezione e nella patogenicità dei batteri.
• È formata da uno strato di peptidoglicano, uno strato di membrana esterna e dallo spazio periplasmatico che li separa.
• La membrana esterna è composta da lipoproteine, fosfolipidi e lipopolisaccaridi (LPS).
• Lo strato esterno della membrana è composto da LPS, un importante fattore di virulenza.
• La porzione LPS è composta da:
  • Lipide A: la porzione lipidica che affonda nel corpo batterico. È la componente tossica dell'endotossina
  • Antigene O: la regione estrema del lipopolisaccaride, polisaccaridica e con funzioni antigeniche.

Colorazione Batterica

• I batteri sono naturalmente privi di pigmenti.
• La colorazione è necessaria per visualizzarli al microscopio.
• Esistono due tipi di colorazione:
  • Colorazione semplice: utilizza un solo colorante per evidenziare la forma e le dimensioni dei batteri.
  • Colorazione di Gram: distinguere tra batteri Gram+ e Gram-.
• Il processo di scissione binaria porta alla formazione di due cellule di dimensione e contenuto pressoché identico.
• Ogni divisione cellulare impiega circa 30 minuti.
• La scissione binaria è composta da tre fasi:
  • Duplicazione del cromosoma batterico (DNA)
  • Segregazione del cromosoma ai due poli della cellula
  • Divisione cellulare (citodieresi)
• Gemmazione: la produzione di cellule più piccole da una cellula "madre" è tipica dei lieviti.
• Generazione di spore: limiti lo sviluppo e entra in una fase di quiescenza.
• Comunicazione: la capacità di comunicare viene definita Quorum Sensing. Avviene all'interno della capsula e alla presenza di polisaccaridi, le cellule comunicano principalmente tramite sostanze chimiche rilasciate nell'ambiente.

Classificazione in base al Nutrimento

• Batteri autotrofi: sintetizzano molecole biologiche ad alta energia da molecole inorganiche a bassa energia. Sono produttori.
  • Batteri fotosintetici: utilizzano l'energia luminosa per produrre energia.
  • Batteri chemiosintetici: utilizzano composti inorganici per il loro fabbisogno energetico.
• Batteri eterotrofi: utilizzano molecole organiche sintetizzate da altri organismi autotrofi. Sono consumatori.

Sviluppo dei Microrganismi: Curva di Crescita

• Nel corso della produzione, trasformazione, trasporto, conservazione e consumo di un alimento, i microrganismi possono crescere, sopravvivere o morire a seconda dell'azione esercitata da una serie di fattori ecologici.
• La curva di crescita batterica descrive in quattro fasi le caratteristiche di sviluppo microbiche.
  • Fase LAG: fase di adattamento in cui i microrganismi si adattano al nuovo ambiente.
    • Molto più breve nei termofili.
    • Più dilatata negli psicrofili.
  • Fase di CRESCITA (esponenziale): fase di crescita rapida.
    • Maggiore nei termofili, minore negli psicrofili.
    • La velocità di crescita è determinata dalla pendenza del segmento.
  • Fase STAZIONARIA DI SOPRAVVIVENZA: fase di equilibrio in cui la crescita è limitata dall'esaurimento di nutrienti e dalla produzione di metaboliti tossici.
  • Fase di DECLINO: fase di morte cellulare, causata dall'esaurimento delle risorse e dall'accumulo di sostanze tossiche.
• Termoresistenza dei lieviti: NON resistono alla pastorizzazione.
  • Le cellule vengono inattivate a 60-65°C per 1 minuto.
  • Il tempo di inattivazione (D) diminuisce in ambiente acido.
  • Aumenta con alte concentrazioni di sale e zuccheri (bassa Aw).

Microrganismi Patogeni negli Alimenti

• L'alimento è il punto centrale di interazione tra batteri e uomo.
• È importante distinguere tra:
  • PERICOLO: presenza di agenti microbiologici, chimici o fisici.
  • RISCHIO: la possibilità che il pericolo si concretizzi.
  • DANNO: l'entità del rischio connesso al pericolo in funzione della probabilità che l'evento negativo si traduca in danno.
• Patogenicità: capacità di causare un danno all'ospite, che si esprima con uno stato di malattia.
• Virulenza: grado con cui si esprime la patogenicità, valutata in base alla gravità del decorso clinico della malattia.
• Infettività: capacità di penetrare e moltiplicarsi.
• Contagiosità: capacità del microrganismo di passare da un soggetto all'altro.
• I fattori implicati nell'insorgenza di malattie da patogeni possono derivare da:
  • Inadeguata refrigerazione.
  • Pulizia inadeguata degli ambienti di lavorazione.
  • Portatori sani.
  • Contaminazioni crociate.
• Le malattie trasmesse attraverso gli alimenti rappresentano il 10-15% delle morti.
• Persone più a rischio:
  • Bambini: flora intestinale poco competitiva per i patogeni.
  • Anziani: sistema immunitario indebolito.
  • Donne in gravidanza: il feto non ha sistema immunitario sviluppato.

Fattori che Influenzano lo Sviluppo Microbico

• Caratteristiche del prodotto:
  • Fattori intrinseci: relativi al substrato (es. pH, Aw, composizione chimica).
  • Fattori estrinseci: relativi all'ambiente (es. temperatura, umidità, atmosfera).
  • Fattori impliciti: relativi ai microrganismi (es. velocità di crescita).
  • Fattori tecnologici: relativi alle tecniche di lavorazione utilizzate (es. cottura, pastorizzazione, fermentazione).

Listeria monocytogenes

• Spettro di attività ampio; può infettare il cibo e l'uomo.
• Temperatura di crescita 1-45°C.
• Presente soprattutto nei prodotti a base di carne, pesce, latte, verdure e frutta.
• Resistente al freddo e alla salagione.
• Può causare listeriosi, una malattia grave che può portare a meningite, sepsi, aborto e morte.
• La listeriosi si manifesta con:
  • Fase enterica: può essere asintomatica.
  • Fase sistemica: con un tasso di mortalità del 30% negli immunodepressi.
• La listeriosi si trasmette per via alimentare o per contatto diretto con fonti di contaminazione.
• Il microrganismo è più abbondante sulla superficie dei formaggi (es. il Gorgonzola).
• Può sopravvivere nei vegetali conservati a freddo.
• È importante consumare i prodotti a base di carne, pesce, latte e vegetali cotti correttamente per prevenire la listeriosi.

Bacillus cereus

• Gram+, forma bacillare e aerobi.
• Produce tossine emolitiche e neurotossine che possono causare vomito e diarrea.
• Presente nel riso, latte, carne e verdure.