Batterio: classificazione, identificazione e struttura cellulare

Il termine batterio, in microbiologia e biologia, si riferisce a microrganismi unicellulari, appartenenti al regno dei Bacteria, dominio Prokaryota.

Classificazione

I batteri, in maniera molto generica, possono essere classificati e suddivisi in base a:

morfologia: in bacilli, cocchi, coccobacilli, vibrioni, spirilli, e spirochete;
temperatura ottimale di crescita: in criofili/psicrofili (0-20°C), mesofili (25-45°C), e termofili (45-120°C);
interazione con altri organismi: in commensali, e patogeni (obbligati, o facoltativi).

*Figura 1 – Classificazione morfologica dei batteri* *[Fonte: wikipedia]*

Identificazione di un batterio

Fra le varie tecniche possibili, la più usata è la colorazione Gram, che distingue i batteri in base alle caratteristiche della parete batterica. Si tratta di una tecnica basata sull’uso del colorante “Violetta di genziana“, in grado di dividere i batteri in due macro categorie:

batteri Gram-positivi: caratterizzati al microscopio ottico da un colorazione blu/viola, dovuta alla presenza di una parete batterica spessa e ricca di peptidoglicano, capace quindi di assorbire il colorante;
batteri Gram-negativi: caratterizzati al microscopio ottico da una colorazione rossa, dovuta alla presenza di una parete batterica più sottile, ricca di lipopolisaccaridi e lipoproteine, non in grado di assorbire il colorante.

Altre metodologie si basano sulle caratteristiche metaboliche:

la capacità del batterio di produrre alcuni enzimi (es. catalasi);
capacità di crescere in ambienti con o senza ossigeno (batteri aerobici o anaerobici);
necessità di specifici nutrienti (es. capacità di fermentare specifici carboidrati).

Le tecniche moderne si basano soprattutto sull’identificazione genetica anziché quella morfologica o biochimica, come ad esempio:

MLST (Multi-Locus Sequence Typing): si basa su frammenti di sequenze di sette geni costitutivi, in grado di definire un profilo genetico.
Sequenziamento dell’intero genoma, tramite tecniche quali Illumina, Nanopore, Sanger.

Struttura cellulare di un batterio

Strutture citoplasmatiche

Il citoplasma di una cellula batterica contiene il DNA cromosomiale, RNA messaggero (mRNA), ribosomi, proteine, e metaboliti. A differenza degli eucarioti, la maggior parte dei DNA cromosomici batteri ha una forma circolare, a singolo o doppio filamento, contenuta non nel nucleo, bensì in una struttura specifica chiamata nucleoide. Inoltre è possibile trovare i plasmidi, che sono DNA extracromosomiale, piccolo e circolare. I plasmidi, nonostante non siano essenziali per la sopravvivenza della cellula, offrono un importante vantaggio selettivo, in quanto portatori spesso di geni chiave per la resistenza ad uno o più antibiotici.

L’assenza di un nucleo, rende la sintesi proteica molto più semplice e veloce, infatti i processi di trascrizione e traduzione avvengono praticamente in contemporanea.

La parete citoplasmatica ha una struttura a doppio strato lipidico, molto simile a quella eucariota, con la principale differenza che non contiene steroidi (es. colesterolo); fanno eccezione i micoplasmi. La membrana citoplasmatica svolge un ruolo che negli eucarioti è svolto dagli organelli, come ad esempio il trasporto di elettroni e la produzione di energia. Nella parte interna si trovano filamenti proteici “actine-like“, responsabili della forma della cellula batterica.

Parete cellulare

Come detto in precedenza, la struttura, i componenti, e la funzione della parete cellulare distinguono i batteri gram-positivi dai gram-negativi. I componenti della parete cellulare sono unici dei batteri, e la loro struttura ripetitiva si lega ai recettori delle cellule umane, dando luogo ad una reazione protettiva innata da parte del sistema immunitario.

Parete cellulare dei batteri gram-positivi: i batteri gram-positivi hanno una parete cellulare spessa, multistrato, composta principalmente da peptidoglicani, che circonda la membrana citoplasmatica. I peptidoglicani sono fondamentali per la struttura, replicazione e sopravvivenza di un batterio. La parete cellulare può contenere anche altri componenti quali proteine, acido teicoico e lipoteicoico, e polisaccaridi complessi chiamati polisaccardi C.

*Figura 3 – Parete cellulare gram positivi [Fonte: chimica-online]*

Parete cellulare dei batteri gram-negativi: la parete cellulare dei batteri gram-negativi è più complessa. Infatti è composta da due strati: all’esterno della membrana citoplasmatica è presente un sottile strato di peptidoglicani, il quale rappresenta solo il 5-10% del peso complessivo della parete cellulare, oltre questo strato è presente la membrana esterna, unica dei batteri gram-negativi. Lo spazio compreso fra la membrana citoplasmatica e la parte interna della membrana viene definito spazio periplasmatico, in cui sono presenti i componenti per il sistema di trasporto di ferro, proteine, zuccheri e altri metaboliti, e una varietà di enzimi idrolitici importanti per il metabolismo. La membrana esterna ha un ruolo di mantenimento della struttura cellulare, ed è inoltre anche una barriera per grosse molecole (es. lisozima, in grado di degradare lo strato di peptidoglicano) e molecole idrofobiche (es. alcuni antimicrobici). La membrana esterna ha un doppio strato asimmetrico, che differisce nel suo strato esterno da qualunque altra membrana biologica. Infatti, mentre lo strato interno è composto semplicemente da fosfolipidi, quello esterno è composto principalmente da lipopolisaccarde (LPS). LPS, anche chiamato endotossina, è un potente stimolatore della risposta immunitaria, in grado di causare febbre e sintomi gravi. Nella membrana esterna sono presenti delle proteine, dette porine, in grado di formare dei pori per il passaggio di piccole molecole idrofile. La membrana esterna è connessa tramite lipoproteine con lo strato di peptidoglicani.

*Figura 4 – Parete cellulare gram negativi [Fonte: chimica-online]*

I micobatteri fanno eccezione a questa classificazione, in quanto hanno uno strato di peptiglicano, che è attraversato e legato ad un polimero di arabinogalattano, e circondato da uno strato lipidico di acido micolico, glicolipidi e e sulfolipidi.

Strutture esterne

Alcuni batteri sono dotati di ulteriori strutture:

Capsula: si tratta di uno strato polisaccaridico o proteico, non necessario tanto alla crescita, quanto alla sopravvivenza nell’ospite. La capsula ha una scarsa antigenicità, il che la rende un importante fattore di virulenza (es. Streptococcus pneumoniae). Questa, agisce anche come barriera nei confronti di molecole idrofobiche tossiche, ed inoltre può promuovere l’adesione ad altri batteri o superfici del tessuto dell’organismo ospite.
Biofilm: alcuni batteri (es. Pseudomonas aeruginosa) sono in grado di produrre un biofilm polisaccaridico. Questo avviene quando viene raggiunto un certo numero di elementi nella colonia, e vi sono le condizioni adeguate a supportarlo. Infatti serve a proteggere la colonia batterica dall’azione degli antibiotici e dalla risposta immunitaria (es.la placca dentale prodotta da S. mutans)
Flagelli: sono strutture motili composte da una ripetizione di una subunità proteiche elicoidale ,flagellina, ancorate alla membrana batterica. Il motore dei flagelli consiste nel potenziale di membrana, il quale induce la rotazione di queste subunità, con conseguente movimento del batterio, attraverso un movimento di tipo chemotattico, in direzione quindi di nutrimento o allontanandosi da sostanze dannose.
Pili: sono strutture a forma di “capello”, composte da una subunità proteica ripetuta, la pilina. I pili sono strutture più piccole dei flagelli, e per questo presenti in gran numero sulla membrana batterici, dove svolgono un importante ruolo come fattori di virulenza, oltre che di movimento, soprattutto nelle infezioni del tratto urinario.