http:// dinamica delle popolazioni batteriche laboratorio di microbiologia sperimentale ed...

http://www.microbiologia.unige.it/dpb/indexxx.htmDinamica delle Popolazioni BattericheLaboratorio di Microbiologia Sperimentale ed

Epidemiologia

Trasformazioni chimiche e chimico-fisiche il cui scopo finale è la creazione di una nuova cellula

Metabolismo Batterico

Funzioni genetiche

Per tutte le

funzioni

replicazione

trascrizione traduzione

DNA RNA proteine

riproduzione

2. precursori delle macromolecole (zuccheri, aa, acidi grassi)

1. energia ATP


Epidemiologia

Metabolismo Batterico

Per produrre energia i batteri sfruttano :1 Energia solare batteri fotosintetici2 Energia da sostanze chimiche batteri chemiosintetici Processi di fosforilazione: ADP ATP1 fotosintesi2 -fermentazione (ossidazione parziale del substrato), - -respirazione aerobia (accettore finale O2) ed anaerobia (accettore finale nitrati, solfati, CO2)


Epidemiologia

Classificazione

Fotoautotrofi (fotosintesi) C da anidride carbonica

Fotoeterotrofi (energia da luce) C da composti organici

Chemoautotrofi (energia da ox-red) C da anidride carbonica

Chemeoeterotrofi (energia da ox-red) C da composti organici


Epidemiologia

SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

Peptidoglicano

Punto di crescita della parete cellulare

Membrana citoplasmaticaEsterno

Interno

Bactoprenolo

Pentapeptide


Epidemiologia

SINTESI DEL PEPTIDOGLICANO

D-Ala

D-Ala

Transpeptidazione


Epidemiologia

Protoplasti e sferoplasti

La sintesi di parete può essere inibita (es. lisozima o antibiotici)

Protoplasti parete totalmente assente

Sferoplasti parete parzialmente assente


Epidemiologia

Le sintesi macromolecolarila replicazione del DNA

Le due catene parentali non si separano completamenteLa polimerizzazione dei nucleosidi trifosfati avviene per opera della polimerasiNei batteri: polimerasi I, II e III.Polimerasi III più importanteLa separazione delle due eliche è catalizzata da topoisomerasi I e girasiLa duplicazione comincia dal sito oriC (V=40m/min) ed è semiconservativa


Epidemiologia

Cellula 1-1,5 m; DNA lunghezza 1mm; Cellula 1mm, DNA 1m


Epidemiologia

Le sintesi macromolecolarila sintesi proteica

Codon di iniziom-RNA- 30S + t-RNA - f-Met + 50SCodon terminatoreSintesi di proteine costitutiva o inducibile.Regolazione della sintesi proteica


Epidemiologia

Limiti dell’esistenza batterica

pH 5-9: maggioranza batteri

Thiobacillus thiooxidans pH 0.5 oxH2S acido solforico

E.faecalis, Bacillus circulans pH 10-11


Epidemiologia

EFFETTO DELLA CONCENTRAZIONE DI NaCl SULLA CRESCITA

Non alofilo

Esempio:Escherichiacoli

Velocità di crescita

Alotollerante

Alofilo AlofiloestremoEsempio:

Staphylococcus Esempio:Vibrio fischeri Esempio:

Halobacterium salinarum

0.9% 15%7% 30%

aureus


Epidemiologia

CONDIZIONI DI CRESCITA

OssigenoAnaerobiosiCo2

Ioni inorganiciTemperaturapHNaClEsoenzimiTerreni liquidi/solidi


Epidemiologia


Umidità: è condizione favorenteliofilizzazione

Temperatura: 20-45°C mesofili 45-75°C termofili

facoltativi50-75°C termofili obbligati

inibiti a 30°C psicrofili

NO meccanismi di termoregolazione


Epidemiologia


Pressione atmosferica: batteri barofili? adattati a crescere a pressioni elevate (fondali oceanici)

Concentrazione sali: NaCl 0.85% fisiologica

7-8% Stafilococchi15-25% alofili

Pressione osmotica: pochissimi batteri osmofili crescono in presenza di pressione osmotica elevata


Epidemiologia

Terreni di colturasolidi

Agar:polisaccaride estratto da alcune alghe1-2% gelificazione> 80°C liquido< 45°C solidoTerreni sinteticiTerreni di base addizionati con sostanze naturali


Epidemiologia

Condizioni di incubazione

Temperatura ottimale

CO2, aerobiosi o anaerobiosi


Epidemiologia

Terreni di colturaliquidi

Stessa composizione dei terreni solidi (non contiene agar)

Intorbidamento del terreno


Epidemiologia

CURVA DI CRESCITA DI UNA POPOLAZIONE BATTERICA

Fasi della crescita

Latenza Esponenziale Stazionaria Morte

Conta vitale

TorbiditàDensità ottica


Epidemiologia


Epidemiologia

Rappresentazione schematica della divisione di cellule bastoncellari o coccoidi

I batteri si dividono per scissione binariaIl tempo di divisione (generazione) della cellula batterica è molto

variabile e dipende dalla specie e dal terreno di colturaAd es. E. coli può dividersi ogni 20 min, in una notte oltre

20 generazioni (circa 500 anni per un uomo)M. tuberculosis ha un tempo di generazione di circa 24 ore


Epidemiologia

In un sistema chiuso, la crescita esponenziale non può continuare per un tempo indefinito. Una singola cellula batterica con un tempo di

generazione di 20 minuti produrrebbe, se continuasse a crescere in modo esponenziale

per 48 ore, una popolazione il cui peso sarebbe circa 4000 volte il peso della terra, dato particolarmente impressionante se si considera che il peso di una singola cellula

batterica è circa 10-12 g.


Epidemiologia

RIPRODUZIONE PER SCISSIONE SEMPLICE

Generazione cellulare

DNA

Replicazione del DNA

Allungamento della cellula

Formazione del setto

Completamento del setto con formazione di pareti distinte

Separazione della cellula


Epidemiologia


Epidemiologia

Le colture isolanti

Per disseminazione sul terreno

Per diluizione nel terreno(agar-batteri)

Mezzi selettivi di isolamento


Epidemiologia

isolamento


Epidemiologia

LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’

Eredità: stabilità e la variabilità nel vasto assortimento di funzioni fisiologiche che formano le proprietà dei microorganismi.

Gene: sequenza di DNA che codifica per un prodotto funzionale o controlla le proprietà di un microorganismo (caratteristiche biochimiche, di patogenicità, di resistenza agli antibiotici, ecc.,). I geni sono localizzati sul cromosoma. Il cromosoma è duplicato prima della divisione cellulare così le cellule figlie ricevono un corredo identico di geni.

I geni nel loro insieme costituiscono il genoma e formano il cosiddetto genotipo.


Epidemiologia

LE BASI FISICHE DELL’EREDITARIETA’

La replicazione del cromosoma è un processo preciso, molto raramente si hanno errori durante la sintesi, (mutazioni, cioè variazioni permanenti della sequenza originale del gene). Nell’Escherichia coli è oltre 3 miliardi di Daltons (>4000 Kbp). E’ una doppia elica fatta da due sequenze complementari di basi puriniche e pirimidiniche tenute insieme da legami idrogeno (G-C) (T-A). Struttura circolare (lunghezza ~ 1mm)


Epidemiologia

Mutazioni

Mutazione: modifica permanente della sequenza nucleotidica di un gene. Gli alleli sono diverse forme di un gene mutato.

MutageniAgenti chimici e fisici che aumentano la frequenza di

mutazione. Fisici: radiazioni, UV, calore Chimici: diretta reazione col DNA, composti

nitrosi, agenti alchilanti, analoghi delle basi e composti che richiedono l’attivazione di enzimi cellulari.

Mutazioni indotte: molti agenti chimici causano mutazione perché aumentano gli errori di appaiamento tra le due catene di DNA. Altri composti si intercalano tra le eliche (acridine), creano distacchi e complementazioni intracatenarie.


Epidemiologia

Mutazioni

• Riparazione dei danni: sistema senza errori (error-free) e sistema con errori (error-prone). Una lesione sul DNA scatena nella cellula la produzione di enzimi deputati alla riparazione (sistema SOS). Gli errori sono rimossi da nucleasi e la catena è riformata sulla base di quella complementare ancora intatta (template). Se anche l’altra catena è danneggiata allora il sistema ripara ma causa errori.

• Sequenze non senso (UAG, UAA e UGA) sono il segnale di fine traduzione del mRNA, quando per mutazione si crea un non senso la traduzione si interrompe in quel punto.


Epidemiologia

RICOMBINAZIONE DEL DNA

Due tipi di ricombinazione

• Generalizzata (mediata dal gene recA)

• Specializzata (recA-indipendente)


Epidemiologia

TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICONEI BATTERI

• CONIUGAZIONE• mediata da F o altri plasmidi

coniugativi sexduzione

• TRASDUZIONE• generalizzata o specializzata

• TRASFORMAZIONE


Epidemiologia

CONIUGAZIONE

• Scambio di materiale genetico mediante contatto tra due cellule

• DONATORE > RICEVENTE• Plasmide F• Apparato coniugativo per trasferire

se stesso – spesso ad alta frequenza• Il plasmide F può integrarsi sul

cromosoma >> Hfr• High frequency of recombination


Epidemiologia

CONIUGAZIONE

• F codifica per un pilo sessuale che identifica un recettore (ompA) sulla superficie esterna del ricevente

• molti plasmidi codificano per un repressore che blocca la formazione del pilo (espresso temporaneamente)

• dopo contatto con il ricevente il pilo si ritrae e le due cellule sono in comunicazione per via di un ponte citoplasmatico


Epidemiologia


Epidemiologia

TRASFERIMENTO DI DNA PLASMIDICO PER CONIUGAZIONE

Cromosoma plasmide batterico F

Pilo

Cellula F+ Il Pilo si ritraeCellula F-

Coppia di cellule stabilizzataIl plasmide F è tagliato su un’elica

Trasferimento di un’elica di DNA di F da una cellula F+ a una F-. Il plasmide F si replica simultaneamente nelle cellule F+

Nella cellula ricevente comincia la sintesi dell’elica complementare

Compimento del trasferimentodel DNA e sintesi le cellule si separano

Cellula F+F+


Epidemiologia

CONIUGAZIONE

• I geni sono trasferiti in ordine fisso

• Esiste un gradiente di trasmissione

• Hfr diversi hanno origine diversa

• Attraverso le frequenze di ricombinazione circolarità del cromosoma

• Distanze dei geni sul cromosoma (tempo)


Epidemiologia


Epidemiologia

CONIUGAZIONEF’

•Originano da F che nel distacco dal cromosoma catturano segmenti di DNA

•può replicarsi autonomamente

•può ricombinarsi nel ricevente

•può integrarsi sul cromosoma


Epidemiologia

CONIUGAZIONEGram-positivi

• il donatore forma una proteina sulla superficie della cellula (adesina) che media l’aggregazione con le cellule riceventi

• le riceventi liberano nell’ambiente dei peptidi (PM 1000) che stimolano la produzione di adesina

• fusione di protoplasti naturale o mediante glicole etilenico


Epidemiologia

Trasduzione E' un meccanismo di scambio di materiale genetico mediato da

batteriofagiI virus batterici o batteriofagi sono classificati in tre grossi gruppi:Virulenti autonomi: infettano le cellule batteriche e si sviluppano senza richiedere alcuna funzione cellulare (vi sono fagi che al semplice assorbimento con la cellula la uccidono).Virulenti dipendenti: per il loro sviluppo necessitano di funzioni cellulari e quindi la cellula non muore sino a che il virus non giunge a maturazioneTemperati: sono virus che solo occasionalmente uccidono la cellula spesso entrano in simbiosi con essa come fanno alcuni plasmidi duplicandosi insieme alla cellula.


Epidemiologia


Epidemiologia

The T4 infectious cycle


Epidemiologia


Epidemiologia

Lysogeny

Temperate phages can convert host to lysogenEstablishment likely with high level of infection of bacterial culture, starvationStable association of phage DNA with bacterial cell (prophage)Normal growth and division of lysogenEnvironmental cues may induce lytic cycle


Epidemiologia


Epidemiologia

Cellula batterica

FagoCiclo litico

Fago

Particella trasducente

Cellulabatterica

Particella trasducente(DNA dell’ospite dentrol’involucro virale)

Trasduzione Ricombinazione genetica con il DNA dell’ospite

Cellula trasdotta

TRASDUZIONE generalizzata


Epidemiologia

gal bio

gal bio

TRASDUZIONE specializzata


Epidemiologia


Epidemiologia

TRASFORMAZIONE

• Tre meccanismi distinti• Pneumococchi• legano DNA doppia elica• non specifico• entra un solo filamento

• Haemophilus• DNA doppia elica specifico

• artificiale• sferoplasti• elettroporazione


Epidemiologia

Cromosomabatterico DNA trasformante

Proteina di legame al DNA

Proteina specifica della competenzache lega il DNA a singola elica

Nucleasi

Nucleotidiliberi

Proteina RecA

TRASFORMAZIONE


Epidemiologia


Epidemiologia

TRANSPOSIZIONE

Sequenza bersaglio

Sequenza bersaglio duplicata

Elemento Transponibile inserito

Elementotransponibile


Epidemiologia


Epidemiologia

Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione modificazione del DNA)

Il materiale genetico (DNA) sintetizzato dai batteri subisce un processo di metilazione che è specifico di ogni specie batterica

La modificazione del DNA è come un’ identità del materiale genetico che è riconosciuto da enzimi (nucleasi) detti di restrizione, in quanto degradano ogni DNA che è stato prodotto in altre specie batteriche (estraneo)


Epidemiologia

Specificità d’ospite del DNA(Enzimi di restrizione modificazione del DNA)

Ogni volta che una cellula batterica riceve DNA da altre specie questo è riconosciuto come estraneo e quindi degradato

L’efficienza di questo meccanismo varia da specie a specie (0- 1x10-4)

Gli enzimi di restrizioni sono utilizzati in Biologia Molecolare (ingegneria genetica, mappe di restrizione ecc)

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