BIOLOGIA GENERALE E BIOLOGIA DEI MICRORGANISMI 3

Modulo BIOLOGIA DEI MICRORGANISMI

Gli studenti acquisiranno conoscenze fondamentali riguardanti vari aspetti della biologia dei microrganismi: le caratteristiche morfo-funzionali di batteri, virus e funghi, evidenziando le differenze tra questi microrganismi; i diversi tipi di nutrizione microbica e come i fattori ambientali e chimici influenzano la crescita dei microrganismi, approfondendo i processi metabolici che li caratterizzano. Comprenderanno i meccanismi molecolari della genetica microbica, come la replicazione del DNA, l'espressione genica, le mutazioni e la ricombinazione genica. Si soffermeranno sulla regolazione del metabolismo batterico, studiando le modalità attraverso cui i batteri adattano il loro metabolismo in risposta a variazioni ambientali. Un altro aspetto importante che verrà trattato è la coltivazione e identificazione dei microrganismi: i principi e le tecniche per coltivare, isolare e caratterizzare fenotipicamente e genotipicamente i microrganismi; i test per valutare la sensibilità agli antibiotici, comprendendo i meccanismi d'azione degli agenti antimicrobici e i meccanismi di resistenza. Infine, il corso fornirà le nozioni per le applicazioni biotecnologiche dei microrganismi, evidenziando il loro ruolo cruciale nei processi industriali e ambientali. Queste conoscenze offriranno una base solida per comprendere l'importanza dei microrganismi nella scienza e nelle biotecnologie.

Al termine del corso lo studente sarà in grado di:

• identificare ed interpretare le correlazioni tra le strutture microbiche, le vie metaboliche e l'adattamento all'ospite o all'ambiente.

• Correlare i fenomeni di variabilità genica associati a mutazioni e al trasferimento genico orizzontale

• Scegliere ed applicare i principali saggi di laboratorio per la determinazione della sensibilità agli antibiotici (es. antibiogramma, MIC) e per la sterilizzazione/disinfezione.

Lo studente svilupperà la capacità di analizzare in modo critico dati sperimentali di microbiologia di base, valutando la scelta dei metodi opportuni per la coltivazione, la profilassi antimicrobica e il controllo dei microrganismi negli ambiti biomedico e biotecnologico. Lo studente acquisirà la capacità di esporre in modo chiaro, ordinato e rigoroso i concetti chiave della microbiologia generale e molecolare, utilizzando una terminologia scientifica corretta ed appropriata durante le verifiche orali e le discussioni in aula. Lo studente maturerà la capacità di reperire, consultare e comprendere in autonomia testi scientifici, manuali di laboratorio e risorse online specializzate per aggiornare ed approfondire le proprie conoscenze nel campo della microbiologia e delle sue applicazioni biotecnologiche.

L'insegnamento prevede didattica frontale erogata in aula con l'ausilio di diapositive e proiezioni multimediali. In particolare, l'insegnamento si articola in 35 ore di didattica erogativa (DE) comprensiva di lezioni frontali di lezioni frontali partecipate con proiezioni di diapositive, e 12 ore di didattica interattiva (DI) dedicate ad esercitazioni Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus

Per una proficua comprensione dei contenuti dell'insegnamento è indispensabile che lo studente possieda

adeguate conoscenze di base di:

• Chimica Generale e Inorganica (soluzioni, pH, legami chimici, reazioni redox).

• Chimica Organica (struttura e proprietà delle principali macromolecole biologiche: carboidrati, lipidi,

proteine e acidi nucleici).

• Biologia generale (replicazione del DNA; trascrizione, traduzione e sintesi proteica).

Obbligatoria

1)        Microbiologia: origine ed evoluzione

Definizione; scopi ed importanza della microbiologia; i microrganismi e i loro ambienti naturali; i microrganismi come causa di malattie; gli effetti indotti dai microrganismi sulla sostanza organica ed inorganica.

Storia della microbiologia: le origini, l'era della microbiologia generale; la scoperta della diversità microbica; gli inizi della microbiologia moderna; l'avvento delle biotecnologie: il presente ed il futuro.

L'albero della vita; le prime forme di vita; la teoria dell'endosimbiosi; la vita ad RNA; la tassonomia classica; l'orologio molecolare; come si misura l'evoluzione molecolare; il concetto di specie in microbiologia.

2)        L'infinitamente piccolo va osservato per mezzo del microscopio: metodi

Il microscopio ottico; la microscopia tridimensionale: a contrasto di fase, a forza atomica, confocale; la microscopia elettronica e a fluorescenza; preparazione e colorazione dei campioni.

3)        Natura del mondo microbico: struttura e funzione della cellula procariotica

Il peptidoglicano e la parete cellulare; la membrana cellulare ed i sistemi di trasporto; la membrana esterna dei Gram -

Le strutture di superficie, gli annessi citoplasmatici; l'apparato di locomozione: flagelli e chemiotassi

4)   Metabolismo microbico: I parte energetica.

La torre biologica; gli enzimi come catalizzatori; le reazioni energetiche;  la fosforilazione ossidativa

5)   Metabolismo microbico: II parte biosintetica

Respirazione aerobica, anaerobica e fermentazioni: Glicolisi e ciclo di Krebs, via dei pentoso-fosfati, shunt dell'esoso-monofosfato;

6)  Diversità metabolica: la chemiolitotrofia; la fissazione dell'azoto.

7)   Sviluppo e colture batteriche - La crescita microbica - Influenza dell’ambiente sulla crescita

Moltiplicazione cellulare; misura dell’accrescimento dei microrganismi; valutazione della massa cellulare; accrescimento batterico; matematica dell’accrescimento batterico; curva di crescita di una coltura batterica; crescita sincrona e metodi di sincronizzazione; colture continue; fattori che influenzano la crescita dei microrganismi; crescita dei microrganismi in ambiente naturale.

8)   I metodi della microbiologia

Isolamento e coltura pura; i principi della nutrizione microbica, i terreni di coltura; la sterilizzazione; parametri chimico-fisici che regolano la crescita microbica.

9)  Antibiotici

Meccanismi d’azione e meccanismi di resistenza

10)  Mutazioni

Adattamento fisiologico; adattamento genetico; origine della variazione genetica; test di fluttuazione, replica plating; tasso di mutazione; mutazioni puntiformi; origine e natura chimica delle mutazioni spontanee, reversioni; mutagenesi indotta; tipi di mutanti; nomenclatura dei mutanti.

11) Genetica dei microrganismi

Ricombinazione omologa e sito specifica. Sistemi di trasferimento di materiale genetico nei batteri: trasformazione e competenza nei batteri Gram-positivi e negativi. Plasmidi: organizzazione e struttura; coniugazione; Formazione ceppi Hfr; Traduzione generalizzata e specializzata. Elementi genetici trasponibili: sequenze d’inserzione (IS) e trasposoni; sistemi di replicazione: conservativa e replicativa.

12) Regolazione del metabolismo nei procarioti

Regolazione della sintesi delle proteine; utilizzazione del lattosio in E.coli; Induzione; Geni di controllo; Teoria dell’operone; mutanti costitutivi (I^-, O^c); repressore; promotore. Regolazione dell’espressione genica: proteina allosterica, sistemi feed-back. Isoenzimi. Variazione di fase in Salmonella. Sistemi regolazione associati ai fattori sigma; controllo positivo e negativo: operon lac ed arginina; operon maltosio; operone triptofano; polarità; crescita diauxica; regolazione globale; attenuazione.

13) La spora batterica, esempio di differenziamento cellulare nei procarioti

Struttura; analisi genetica e molecolare: regolazione del processo di sporulazione e fattori sigma alternativi; germinazione.

14) I virus

Caratteristiche generali e strategie replicative; classi replicative virali.

1) Brock. Biologia dei microrganismi. Microbiologia generale, ambientale e industriale. Pearson Editore.

2) Gianni Dehò e Enrica Galli. Biologia dei microrganismi. Casa editrice Ambrosiana.

La verifica dell'apprendimento prevede un colloquio orale finale sull'intero programma dell'insegnamento. Contestualmente, laddove le condizioni didattiche e organizzative lo consentano, potranno essere svolte prove di verifica in itinere.

Ai fini dell’attribuzione del voto finale, espresso in trentesimi, saranno valutati il livello di conoscenza degli argomenti trattati, la capacità di analisi e di collegamento tra i diversi contenuti dell’insegnamento, nonché la proprietà del linguaggio scientifico.

Lo studente sarà considerato non idoneo (<18/30) in presenza di gravi lacune nelle conoscenze fondamentali relative alla struttura, alla fisiologia e alla genetica microbica, di una limitata capacità di comprensione e integrazione dei contenuti e di un uso inappropriato della terminologia scientifica.

Una conoscenza basilare dei principali contenuti dell’insegnamento, con una capacità di analisi e sintesi ancora limitata e un’esposizione semplice ma complessivamente corretta, consentirà il superamento dell’esame con una valutazione compresa tra 18 e 20/30. La piena padronanza degli argomenti, una buona capacità di analisi, sintesi e collegamento tra i diversi contenuti, unite a un uso corretto e appropriato del linguaggio scientifico, consentiranno il conseguimento di valutazioni progressivamente più elevate (21–29/30). Una Conoscenza eccellente ed approfondita di tutti i contenuti; brillante capacità di rielaborazione critica, argomentazione e contestualizzazione applicativa, consentirà il conseguimento della valutazione massima di 30/30 e lode.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'integrazione Attiva e Partecipata - Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del Dipartimento di Scienze Biomediche e Biotecnologiche (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Descrivi i principali saggi di laboratorio utilizzati per determinare l'antibiotico-sensibilità.

Descrivi i principali meccanismi di regolazione genica.

Cosa si intende per coltura pura.

Come si alestisce una conta vitale.