BIOLOGIA GENERALE E BIOLOGIA DEI MICRORGANISMI 1

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:

• Riconoscere ed interpretare le correlazioni tra le strutture microbiche, le vie metaboliche e l'adattamento all'ospite o all'ambiente.
• Correlare i fenomeni di variabilità genetica 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 acquisisce 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, ed esercitazioni di laboratorio in aula.

Nel dettaglio, l'insegnamento si articola in 35 ore di didattica erogativa (DE) comprensive 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).

Frequenza 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 fototrofia (fotosintesi anossigenica); 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.

Criteri di valutazione:

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).

• Quali sono le differenze strutturali e tintoriali tra la parete dei batteri Gram-positivi e Gram-negativi?
• Come si definiscono e si determinano i parametri quantitativi di sensibilità antimicrobica (es. MIC, MBC e antibiogramma)?
• Descrivere i principali meccanismi molecolari di regolazione dell'espressione genica nei batteri (es. operone lac o trp).
• Descrivere le fasi della curva di crescita batterica in un sistema chiuso (batch) e i fattori fisici che la influenzano.
• Quali sono le differenze essenziali tra il ciclo litico e il ciclo lisogeno dei batteriofagi?