I batteri sono organismi unicellulari procarioti, privi di un nucleo delimitato da una membrana. Si riproducono attraverso la scissione binaria, una forma di riproduzione asessuata che comporta la divisione della cellula batterica in due unità uguali. All’interno della cellula batterica, è possibile identificare diverse componenti:
Fonte: Manuale di preclinica
- I flagelli batterici sono appendici mobili formate dalla polimerizzazione di una singola proteina chiamata flagellina.
- Alcuni batteri presentano una capsula, uno strato mucoso superficiale che può essere osservato al microscopio ottico tramite colorazioni con inchiostro di china o nigrosina.
- La parete cellulare, responsabile della forma e rigidità dei batteri, li protegge dalla lisi osmotica. È composta principalmente da peptidoglicano, che consiste in una porzione glicanica (N-acetilglucosamina e N-acetilmuramico) e una porzione peptidica che forma legami crociati.
La struttura della parete cellulare influenza la sua tintura e consente di distinguere i batteri Gram positivi (+), che trattengono il colorante di Gram, dai batteri Gram-negativi (-), che non lo trattengono. Nei batteri Gram-positivi, la parete cellulare è costituita per il 90-95% da peptidoglicano e contiene acidi tecoici e lipotecoici. La struttura a più strati intrappola il colorante utilizzato nella colorazione di Gram. Nei batteri Gram-negativi, la mureina costituisce solo il 15-20% della parete, mentre la componente più rappresentata è la membrana esterna che contiene il lipopolisaccaride (LPS).
La molecola del LPS presenta tre regioni fondamentali:- Il lipide A, lo strato più interno, di natura lipidica, è uguale in tutti i batteri Gram-negativi ed è responsabile della componente tossica (endotossina). I sintomi classici di un’infezione da batteri Gram-negativi, come la febbre, sono attribuibili proprio al lipide A.
- La parte centrale, chiamata C o core, è di natura polisaccaridica e può presentare variazioni tra diversi batteri o ceppi batterici.
- La parte esterna è chiamata antigene O ed è anche di natura polisaccaridica. È specifica per ogni specie batterica ed è responsabile della risposta immunitaria.
Nella membrana esterna sono presenti anche delle piccole proteine chiamate porine, che regolano il passaggio di nutrienti e altre sostanze, inclusi gli antibiotici, impedendo il loro ingresso.
- La parete cellulare dei micobatteri è caratterizzata dalla presenza di un sottile strato di peptidoglicano legato esternamente a cere e glicolipidi. Questa parete è altamente idrofobica, resistente agli acidi, agli antibiotici e alla fagocitosi. La colorazione di Ziehl-Neelsen con carbolfucsina viene utilizzata per evidenziare i micobatteri. A causa della complessità della loro parete, i micobatteri hanno un tempo di replicazione di 12-24 ore.
- La membrana plasmatica è composta da un doppio strato di fosfolipidi. Non contiene colesterolo, ma ospita gli enzimi necessari per le funzioni vitali della cellula.
- Il citosol contiene ribosomi 70S, organuli identificati dal loro coefficiente di sedimentazione espresso in unità Svedberg, e una zona a contorni irregolari chiamata nucleoide, che contiene una singola molecola di DNA circolare. I batteri non possiedono citoscheletro né altri organuli citoplasmatici.
Alcuni batteri possono contenere piccole molecole di DNA circolare chiamate plasmidi, che sono in grado di replicarsi autonomamente. Questi plasmidi vengono utilizzati in ingegneria genetica come vettori. I plasmidi possono conferire maggiore virulenza al batterio poiché portano informazioni genetiche per caratteristiche accessorie come tossine, pili, adesine, batteriocine o fattori di resistenza. Alcuni plasmidi possono integrarsi nel genoma batterico e successivamente tornare indipendenti (episomi).
Inoltre, i batteri possono formare endospore, che sono cellule “a riposo” capaci di sopravvivere per lungo tempo in condizioni ambientali avverse.
Riproduzione dei batteri
Negli organismi superiori, l’evoluzione della specie è garantita dalla ricombinazione genetica, che avviene attraverso meccanismi propri della riproduzione sessuata, come il crossing-over. Nei batteri, che si riproducono asessualmente, lo scambio di materiale genetico avviene attraverso due meccanismi principali: le mutazioni e le ricombinazioni.
- Le mutazioni sono eventi casuali che portano ad alterazioni e sostituzioni nelle sequenze nucleotidiche che compongono il genoma batterico.
- Le ricombinazioni sono il risultato di meccanismi di trasferimento genico, in cui un batterio donatore trasferisce sequenze nucleotidiche ad un batterio ricevente, che le integra nel proprio genoma attraverso un meccanismo di ricombinazione omologa. Questo processo porta all’acquisizione di nuovi caratteri, come la capacità di produrre una capsula, tossine specifiche o fattori di resistenza agli antibiotici.
I batteri hanno sviluppato tre diversi meccanismi per il trasferimento di materiale genetico (plasmidi o sequenze genomiche):
- Trasformazione:
I frammenti di DNA liberi, derivanti dalla lisi batterica, vengono acquisiti direttamente dai batteri riceventi dall’ambiente extracellulare. - Coniugazione:
Il trasferimento genico avviene attraverso il contatto fisico tra due batteri. Il batterio donatore, chiamato F+ (fertilità positiva), possiede un pilo di coniugazione, mentre il batterio ricevente è chiamato F-. Alcuni batteri contengono un plasmide chiamato fattore F, che codifica per le proteine del pilo di coniugazione, consentendo la formazione di un ponte di coniugazione tra i due batteri. Questo plasmide, dotato di capacità di replicazione autonoma, contiene geni che permettono il suo replicarsi e il trasferimento da un batterio F+ a un batterio F-. - Trasduzione:
Il trasferimento genico avviene tramite virus batterici chiamati batteriofagi o fagi.
Nella trasduzione dapprima le fimbrie o pili del batteriofago si legano alla parete del batterio grazie a specifici antirecettori che riconoscono siti di adesione sulla parete cellulare. Il DNA del virus viene poi iniettato nella cellula batterica, e può seguire due vie:- il ciclo litico in cui il batterio sintetizza nuovo DNA virale e proteine, formando nuovi virus che alla fine lisano la membrana cellulare e si liberano.
- il ciclo lisogeno, in cui il DNA virale si integra nel cromosoma batterico diventando provirus. Il batterio si replica copiando il provirus e trasmette questa informazione alle cellule figlie, formando una grande popolazione di batteri infetti. Questo stato di quiescenza può essere interrotto da stimoli appropriati, come radiazioni UV o stress, facendo sì che il DNA virale si separi dal cromosoma batterico e passi dal ciclo lisogeno a quello litico. Durante questa transizione, il frammento di DNA donatore può spezzarsi, e in alcuni casi, può avvenire in zone adiacenti, risultando nella perdita di una porzione di DNA virale e nell’acquisizione di sequenze di DNA batterico. In questo modo, si formano nuovi virus che portano un DNA ibrido e, infettando nuovi batteri, trasferiscono specifici geni batterici.
Inoltre, esiste un meccanismo aggiuntivo chiamato trasposizione, in cui il materiale genetico viene trasferito da una regione all’altra del cromosoma o dal plasmide al cromosoma nello stesso batterio.
Anche negli eucarioti, esiste un processo simile chiamato trasfezione, che consiste nel trasferimento di DNA esogeno nelle cellule di mammifero per studiare la funzione e i meccanismi di controllo dei geni. Questo meccanismo viene utilizzato nella ricerca scientifica o nella pratica clinica, come la terapia genica.