Riproduzione batterica

La riproduzione batterica (o duplicazione binaria, o schizogonia, o duplicazione semplice, o scissione, ma ci sono anche altri termini per definirla)

I ritmi e i tempi della duplicazione

Essa può avvenire con ritmi diversi, a seconda della specie microbica, della condizione in cui si trova il batterio e dei nutrimenti che la cellula riscontra nel substrato, le cellule in vitro ad esempio si duplicano ogni 20 minuti mentre in vivo lo fanno ogni 60 minuti (infatti in vivo ci sono molti processi che ostacolano questa duplicazione). Ci sono poi dei batteri che fanno un’eccezione, come i micobatteri (hanno un ciclo replicativo di 20-24 ore).

Come avviene la riproduzione

  1. Ricordiamo che l’acido nucleico è agganciato ad un mesosoma (e dove non c’è un mesosoma vero e proprio ci sono delle introflessioni della membrana)
  2. Al momento dell’inizio della duplicazione tale mesosoma si sdoppia e la seconda elica si va ad ancorare a questo secondo peduncolo
  3. Il secondo mesosoma si allontana dall’altro per l’interposizione di materiale neoformato all’interno della cellula, in quanto essa stessa sta diventando più grande
  4. Nel mentre le due eliche dell’acido nucleico si sfilano, aiutate dalle DNA girasi che tagliano i nodi che eventualmente si vengono a formare, fino a che i due acidi nucleici sintetizzano l’elica complementare, arrivando a trovarsi alla distanza giusta affinché la cellula possa essere divisa in due
  5. La divisione sarà ultimata da due ulteriori mesosomi, definiti settali o centrali, che, partendo dalla membrana citoplasmatica, si introflettono l’uno verso l’altro perpendicolarmente all’asse maggiore dei batteri e si fondono l’uno con l’altro fino a portare alla formazione di due protoplasti endocellulari (sono delle cellule ormai compiute ma ancora all’interno della stessa parete batterica, che va a riempire lo spazio formato dall’introflessione dei mesosomi settali).

Se cambiano le condizioni ambientali la cellula si trova in una situazione differente, come reagisce?

  • La cellula non capace di sporificare muore
  • La cellula in grado di sporificare esprime i geni per la produzione di una serie di costituenti

Analizziamo ora il processo della sporificazione:

  • La prima evidenza è la disposizione a sbarra del cromosoma, infatti lo troviamo in posizione centrale nel batterio, disposto parallelamente alla lunghezza dell’asse maggiore della cellula
  • Poi abbiamo la formazione di due setti traversi, non centrali ma molto laterali, che servono a costruire un protoplasto endocellulare molto piccolo e molto laterale rispetto allo sporangio della cellula madre. Quindi i due mesosomi settali, che di solito tendono ad essere centrali e perpendicolari all’asse maggiore, si dispongono invece in una posizione subterminale, dividendo i due protoplasti endocellulari che in questo caso sono asimmetrici, in quanto uno è piccolissimo mentre l’altro è molto più grande, intanto i due acidi nucleici si sono già replicati
  • Si vengono a costituire due cellule figlie asimmetriche, una molto grande e una più piccola: quella grande servirà esclusivamente ad aiutare quella piccola a costruire tutti i suoi tegumenti, che verranno sovrapposti per formare l’endospora. Sarà dunque il protoplasto più piccolo che si complesserà ed andrà a costituire la spora, il protoplasto più grande invece parteciperà alla formazione dei vari strati che circonderanno ed andranno a rendere più complessa la futura spora
  • Poi per lisi, lo sporangio si spacca e viene eliminata la spora. Essa sarà rilasciata nell’ambiente, dove rimarrà potenzialmente vitale per decine, centinaia e migliaia di anni (sono state trovate delle spore anche nelle mummie dei faraoni, ma è difficile capire se sono lì dal momento della mummificazione o se le hanno portate i ricercatori)

A seconda di come la cellula batterica sporifica, noi possiamo riconoscere l’identità del microrganismo.

A seconda della posizione della spora e di quanto essa eccede rispetto al diametro della cellula, possono essere distinti principalmente due tipi di sporificazione, che fanno riferimento ai due generi appartenenti alla famiglia delle Bacillaceae (quindi è facile riconoscere al microscopio il genere che stiamo osservando, a seconda della posizione della spora nella cellula madre).

  • Il genere Bacillus sporifica con una modalità a “battridio”: in questo caso il diametro della spora non eccede il volume della cellula madre (la spora rimane collocata dunque all’interno della cellula madre), mentre la spora si trova in posizione centrale o paracentrale
  • La sporificazione specifica del genere Clostridium si chiama sporificazione a “clostridium”: essa avviene quando la spora eccede dal diametro della cellula e la deforma, in questo caso la spora si trova in posizione centrale o subterminale (vicino alla terminazione dei limiti della cellula batterica), la cellula madre invece viene rigonfiata
  • Una sporificazione particolare è quella del Clostridium tetani, che sporifica a plettridio, ovvero per eccedenza della spora sullo sporangio, però in posizione terminale

La sporificazione è un evento molto complesso che dura circa 8 – 10 ore, considerando che il tempo di generazione di una cellula batterica è di 20 minuti, vediamo che 8 ore corrispondono a 24 generazioni batteriche.

Il processo inverso della sporificazione è la germinazione: essa avviene quando la spora è posta in un ambiente idoneo (l’ambiente e la situazione differiscono per i vari tipi di spore, ad esempio è necessaria la presenza di aria e di qualche metabolita per i batteri aerobi, mentre è necessaria l’assenza di aria per i batteri appartenenti ai clostridi).

La germinazione inizia quando vengono espressi dalla spora degli altri geni, adibiti alla distruzione della componente della spora stessa. Ricordiamo che la spora può germinare in seguito a diversi fenomeni, oltre alla presenza di un ambiente idoneo:

  • con l’invecchiamento della cellula
  • per shock termico
  • per una variazione di acidità

L’importante è che la spora, dopo tali variazioni, si trovi in una condizione tale da poter germinare, ovvero di riprendere il suo stato vegetativo, evidenziato dall’acquisizione di una nuova struttura, di una nuova parete batterica, ma più che altro dall’assorbimento di acqua, che fa di nuovo aumentare il volume del citoplasma.

La germinazione della spora viene anche definita esocrescita, ovvero identifichiamo così il processo mediante il quale una spora torna alla forma vegetativa, spogliandosi dei suoi vecchi tegumenti, in particolare la germinazione prevede:

  1. La riorganizzazione del materiale nucleare
  2. La reidratazione del citoplasma
  3. Una graduale rimozione per frammentazione delle tuniche che rivestono la spora
  4. La cellula infine esce da questi costituenti lasciandoli nel substrato

La cellula diventa a questo punto assolutamente termosensibile. Infatti un meccanismo importante per l’eliminazione delle spore dal substrato, senza che questo debba essere sottoposto a temperature elevatissime, è la tindalizzazione, o semisterilizzazione: attraverso questa reazione l’ambiente in cui vive la spora viene portato a 60-70 gradi centigradi, poi questa temperatura viene abbassata in modo che questa spora si illuda che la situazione ambientale stia cambiando, e comincia a germinare. A questo punto bisognerebbe scaldare un’altra volta l’ambiente in cui vive l’endospora, di nuovo attorno ai 60-70 gradi centigradi, per eliminarla definitivamente dall’ambiente.

Il problema delle spore ha messo in atto nell’uomo lo sviluppo di alcuni meccanismi di disinfezione fondamentali:

  • ebollizione
  • esposizione a raggi ultravioletti
  • diluizione

La disinfezione consiste solo nella rimozione degli agenti patogeni (come ad esempio avviene nella pastorizzazione del latte), mentre la sterilizzazione consiste nell’eliminazione di ogni forma di vita.

Prendiamo l’esempio del latte, esso è presente in commercio come latte pastorizzato, come latte sterilizzato oppure come latte a lunga conservazione. Il latte pastorizzato ed il latte a lunga conservazione sono dei tipi di latte non completamente sterilizzati, in quanto sono stati portati ad una certa temperatura per determinare l’espulsione esclusivamente di alcuni batteri patogeni. Il latte sterilizzato invece è stato portato ad una temperatura massima, al fine di eliminare tutte le forme di vita. La cosa importante è comunque quella di eliminare il bacillo tubercolare bovino, infatti la pastorizzazione, inventata da Pasteur, consiste nel portare il latte a circa 70° C per 30 minuti, in modo da eliminare tutte le forme patogene nel latte, ed in particolare il bacillo tubercolare bovino.

I metodi di eliminazione delle spore

Bisogna innanzitutto ricordare che i batteri non presentano tutti la stessa resistenza alle alte temperature:

  • le spore sono le forme batteriche più resistenti che si conoscono e soltanto con l’autoclavaggio siamo certi di eliminarle
  • ci sono anche dei batteri dotati di un’intrinseca resistenza alle alte temperature, anche se non sono in grado di sporificare (come ad esempio il bacillo tubercolare)
  • infine ce ne sono altri sensibilissimi, trasmissibili esclusivamente per un contatto diretto, tipo quelli che causano le cosiddette malattie sessuali, oppure quelli che causano le malattie a trasmissione orale.

I metodi di disinfezione (verranno presi in considerazione soltanto i mezzi fisici e non chimici)

Il calore è stato sempre utilizzato come mezzo di disinfezione e viene utilizzato ancora oggi molto in laboratorio:

  • Ultimamente vengono utilizzati molto anche il vapore o il calore secco
  • Calore secco: per spiegare questo metodo di disinfezione si può fare riferimento anche a qualcosa che troviamo nelle nostre cucine, come per esempio il forno classico che abbiamo tutti. Il limite di tale metodo di disinfezione è che l’aria secca non è un buon conduttore, quindi ha una capacità di penetrazione non molto elevata, quindi per sterilizzare un substrato con dell’aria secca bisogna protrarre il contatto con delle temperature intorno ai 200-240° C per più di un ora, e non tutti i materiali supportano queste temperature
  • aria umida o vapore: ha un potere di conduzione piuttosto elevato, per questo ha un potere disinfettante più alto rispetto all’aria secca, quindi si esplica anche a temperature inferiori rispetto a quelle utilizzate con il calore secco (tale capacità disinfettante viene sfruttata ad esempio nell’autoclavaggio)

Per quanto riguarda degli esempi pratici e “quotidiani”, possiamo fare riferimento all’acqua stessa, se ci troviamo ad esempio in emergenza e dobbiamo sterilizzare una siringa, per essere certi che eventuali batteri sporigeni (ad esempio il Clostridium tetani) siano allontanati da questo strumento, dobbiamo fare bollire la nostra acqua dai 5 ai 10 minuti, ad una temperatura di 100° C, naturalmente la temperatura di ebollizione dell’acqua varia a seconda della situazione in cui ci troviamo, ad esempio al livello del mare l’acqua bolle a 100° C, mentre sul monte Cimone essa bolle a 92° C. Ogni 100 metri la temperatura di ebollizione si abbassa di 0,4° C, essendo l’aria maggiormente rarefatta, di conseguenza l’energia per fare passare le molecole di acqua dallo stato liquido allo stato di vapore sarà minore. Di conseguenza, bollendo a 70-80 gradi centigradi, l’acqua perderà il potere disinfettante. Per aumentare la temperatura di ebollizione, possiamo “mettere l’acqua sotto pressione”, ovvero si comprime l’acqua in maniera che per mantenere quest’acqua allo stato di vapore occorra un’ energia superiore. Innalzando di un’atmosfera la pressione atmosferica, raggiungiamo una temperatura di ebollizione dell’acqua pari a 121° C (questa è la temperatura che si raggiunge nella pentola a pressione), mentre innalzando di 2 atmosfere la pressione atmosferica si arriva invece ad una temperatura di ebollizione dell’acqua pari a 134° C. Aumentando la pressione, aumenta la temperatura di ebollizione, aumenta così la capacità disinfettante e può quindi diminuire il tempo necessario di contatto tra l’oggetto da disinfettare e la fonte disinfettante.

  • Una volta si utilizzava anche il vapore fluente, quello che utilizzano i cinesi per cuocere le verdure (esso è il vapore che deriva dall’ebollizione, che viene a contatto con una griglia sulla quale abbiamo posto degli alimenti o degli strumenti da sterilizzare). L’energia che serve a far passare dallo stato liquido allo stato di vapore l’acqua stessa viene poi ceduta allo strumento o al substrato posto sulla “griglia” quando il vapore si condensa sulla griglia stessa. Praticamente per ogni cm2 di superficie di contatto di questo vapore, vengono cedute 530 calorie sulla griglia, che sono poi indispensabili per l’eliminazione di tutti i batteri dagli oggetti presenti sulla griglia.
  • Il forno a microonde ha una fortissima capacità disinfettante perché è in grado di alterare le conformazioni cis-trans degli aminoacidi, dunque delle proteine. Di conseguenza la cellula batterica durante la replicazione trova dei grossi problemi se si trova soggetta all’azione del forno a microonde, con cui si possono eliminare i batteri, proprio per questo, anche a temperature bassissime.
  • i raggi γ ad esempio hanno un’elevata capacità di penetrazione, quindi sono in grado di sterilizzare dei materiali che sono già confezionati (come le siringhe, i cateteri e degli altri strumenti confezionati all’interno di sacchetti), ma non tutti possono disporre dei raggi γ, in quanto sono necessari degli strumenti complessi e costosissimi per la loro produzione.