Batteri

Le cellule batteriche, a differenza di quelle degli organismi superiori (eucarioti), non hanno organelli delimitati da membrane (nucleo, apparato del Golgi…) e sono prive di cromosomi. I cromosomi sono strutture formate da DNA avvolto intorno a proteine (dette istoni), e hanno la funzione di rendere più compatte e ordinate le lunghe molecole di DNA contenute nel nucleo. I cromosomi sono fondamentali perché ordinano la grande quantità di materiale genetico contenuta nella cellula eucariota: infatti, se, per esempio, si svolgesse il DNA contenuto in una singola cellula somatica umana, si otterrebbe una molecola lunga circa due metri! Nei batteri, invece, il DNA non è contenuto in un nucleo ed ha una forma circolare. Altra caratteristica peculiare dei batteri è la presenza di una struttura protettiva (la parete) che circonda e racchiude l’intera cellula. La parete cellulare è costituita da proteine e zuccheri che, oltre a proteggere il microrganismo, mette in contatto la cellula con l’ambiente esterno e con le altre cellule batteriche.

Tante forme per i batteri

I batteri vengono classificati a seconda della forma, delle modalità di nutrizione, del metabolismo e delle caratteristiche della parete. Mediante l'osservazione diretta al microscopio è possibile identificare diverse forme cellulari. I cocchi (dal termine greco che significa bacche) hanno una forma sferica; quando si aggregano in gruppi vengono chiamati stafilococchi, mentre quando si riuniscono in catene sono definiti streptococchi. I procarioti a forma di bastoncino vengono chiamati bacilli. Di solito i bacilli si presentano come cellule separate, ma a volte si riuniscono in coppie (diplobacilli) oppure in catene (streptobacilli).

Batteri autotrofi ed eterotrofi

A seconda del modo con il quale si procurano le due risorse fondamentali per la vita, l'energia ed il carbonio (necessario per la sintesi dei composti organici), i batteri si dividono in autotrofi ed eterotrofi. I procarioti autotrofi sono in grado di sintetizzare le molecole organiche a partire da molecole inorganiche, come l’anidride carbonica. L’energia necessaria per alimentare queste sintesi può essere fornita dalla luce o da altri composti chimici. I batteri che, come le piante, sfruttano l’energia solare sono detti fotoautotrofi, mentre si dicono chemioautotrofi quelli che ricavano l’energia dalle reazioni chimiche.

Con ossigeno o senza

Per metabolismo si intende l’insieme di reazioni biochimiche necessarie alla vita che avvengono continuamente all’interno delle cellule di ogni essere vivente. Alcune di queste reazioni possono avvenire solo in presenza di ossigeno, altre, invece, non ne hanno bisogno. Si definiscono aerobici tutti i batteri che, come gli animali, “respirano” ossigeno, sono anaerobici i batteri che possono vivere in ambienti privi di questo gas. La riproduzione dei batteri è di tipo asessuato: avviene per semplice scissione e non attraverso lo scambio di materiale genetico tra due individui di sessi diversi.

Azoto fissatori

L’azoto è importante per tutti gli organismi poiché è tra gli elementi che formano le proteine e gli acidi nucleici (DNA). La maggior parte delle specie viventi non è in grado di assimilare azoto direttamente dall’atmosfera dove questo gas è il più abbondante (78%). Solo alcuni batteri riescono a trasformare l’azoto gassoso in composti assimilabili dagli altri esseri viventi (in particolare i vegetali) mediante una serie di reazioni metaboliche che prendono complessivamente il nome di “azotofissazione”. Integrato in molecole più complesse, come l’ammoniaca e i nitrati, l’azoto entra nella catena alimentare.

Decompositori

I batteri sono tra i principali organismi decompositori: degradano le sostanze organiche fino a liberare nell’ambiente molecole semplici utilizzabili dagli altri esseri viventi. Il loro ruolo è fondamentale: senza i batteri decompositori le sostanze che permettono la vita non sarebbero più reperibili nell’ambiente. Alcuni batteri, i nitrificanti, demoliscono le proteine liberando composti ricchi di azoto, altri liberano fosforo, zolfo e altre utili sostanze.

Batteri e digestione

L’apparato gastro-intestinale dell’essere umano è in grado di contenere, in media, 300-500 differenti specie di batteri che prendono complessivamente il nome di “flora batterica intestinale”. La maggior parte dei batteri è localizzata nel colon, mentre nello stomaco e nel primo tratto dell’intestino scarseggiano a causa della presenza di sostanze corrosive (acidi, bile e secrezioni pancreatiche), che rendono questi habitat inospitali per i microrganismi. La colonizzazione dell’intestino da parte dei batteri ha inizio fin dalla nascita e si completa nel giro di pochi giorni. La flora batterica è costituita da batteri anaerobi e aerobi.

Batteri del rumine

Gli erbivori non sono in grado di assimilare direttamente i vegetali di cui si nutrono, ma possono farlo solo grazie all’intervento dei batteri che colonizzano il loro apparato digerente. I bovini masticano a lungo i vegetali e li accumulano in grandi quantità nel rumine, ovvero il primo tratto dello stomaco. In questo ambiente caldo e molto umido i batteri si sviluppano velocemente e attaccano le fibre vegetali. L’azione dei batteri libera le sostanze nutritive contenute nelle erbe che vengono successivamente assorbite dall’intestino.

Ovunque nel mondo

I batteri vivono in ogni ambiente, anche nei più estremi dove nessuna altra forma di vita potrebbe sopravvivere. Se ne possono trovare sui fondali oceanici, nei deserti, nelle acque bollenti delle sorgenti vulcaniche, all’interno delle rocce, nel terreno ghiacciato del permafrost e persino in ambienti così acidi da distruggere qualsiasi altra forma di vita. Molte specie batteriche vivono all’interno o sulla superficie di altri organismi come simbionti o parassiti. La simbiosi è un’associazione tra due o più specie dalla quale ogni componente ricava un beneficio; al contrario, nel parassitismo solo uno dei membri trae vantaggio dall’associazione (il parassita) mentre l’altro (l’ospite) ne viene danneggiato.

I primi organismi

I batteri furono i primi organismi che vissero sulla terra. Apparvero 3 miliardi di anni fa nelle acque dei primi oceani. Inizialmente esistevano solo batteri eterotrofi anaerobi (l’atmosfera primordiale era pressoché priva di ossigeno). Circa 2 miliardi di anni fa apparvero i primi batteri autotrofi molto simili agli attuali cianobatteri. Questi organismi erano capaci di effettuare la fotosintesi, grazie alla quale l’atmosfera fu arricchita di prezioso ossigeno. I cianobatteri, o alghe azzurre, resero respirabile l’atmosfera primitiva e consentirono alla vita di colonizzare anche le terre emerse.

Il primo studioso che osservò e descrisse i batteri fu Anton van Leeuwenhoek (1632-1723). Era un mercante di stoffe che viveva in Olanda e usava lenti di ingrandimento per valutare la qualità delle stoffe. Nel 1668, durante un viaggio di affari in Inghilterra, acquistò alcune lenti molto potenti con le quali costruì un rudimentale microscopio. La sua curiosità lo spinse a osservare un po’ di tutto e fu così che casualmente vide per la prima volta i microbi. Nei suoi scritti van Leeuwenhoek descrisse i batteri come strani esseri dall’aspetto tondeggiante. Inizialmente furono incontrate numerose difficoltà per classificare questi nuovi organismi perché presentavano caratteristiche talmente peculiari da non poter essere assimilati a nessuno dei due gruppi con i quali si divideva l’intero regno dei viventi: i vegetali e gli animali. Un secolo dopo van Leeuwenhoek, Carlo Linneo concepì un nuovo regno nel quale riunire tutti i microrganismi conosciuti che chiamò chaos.

Batteri fermentanti

Tra i più importanti pionieri della microbiologia vi fu il francese Louis Pasteur che nel 1854 si occupò di fermentazione, spinto dalle richieste dei produttori di bevande alcoliche. Pasteur dimostrò il ruolo essenziale svolto dai microrganismi nei processi di fermentazione. Scoprì, inoltre, che la riproduzione indesiderata di sostanze, quali l’acido lattico o l’acido acetico nelle bevande alcoliche, è dovuta alla presenza di microrganismi di varia natura, tra cui i batteri. Grazie a queste scoperte fu possibile elaborare i primi sistemi efficaci per eliminare i microrganismi dannosi.

Batteri, malattie e antibiotici

Non tutti i batteri sono utili o innocui; alcuni causano malattie anche gravissime che, soprattutto in passato, hanno provocato grandi epidemie. L’origine batterica di patologie come la peste, il colera, la polmonite o la meningite è nota solo da poco tempo. In tempi storici, quando si ignorava l’esistenza dei batteri, si pensava che queste malattie fossero provocate da sortilegi, maledizioni o dall’influenza degli astri. La scoperta dell’esistenza dei microrganismi portatori di malattie ha stimolato la ricerca di sistemi capaci di sconfiggerli.

Batteri nell’alimentazione

L’uomo utilizza i batteri da migliaia di anni, ma solo da poco più di un secolo ne fa un uso consapevole. Gli alimenti preparati grazie all’intervento dei batteri sono moltissimi. L’azione dei microrganismi modifica le materie prime alimentari e le trasforma in prodotti nuovi con caratteristiche chimico-fisiche, sensoriali e nutritive differenti. Questi alimenti presentano inoltre una maggiore conservabilità e talora anche un più alto grado di sicurezza d’uso. Grazie all’azione di diverse specie batteriche otteniamo Il formaggio, lo yogurt, il pane, il vino, persino i salumi e le conserve.

L’industria casearia

I batteri lattici, come lo Streptococcus thermophiluse il Lactobacillus bulgaricus, sono tra i microrganismi maggiormente sfruttati dall’industria alimentare. Questi batteri, a forma di bacillo o di cocco, sono anaerobi (non richiedono ossigeno per vivere) e trasformano gli zuccheri semplici (glucosio e lattosio) in acido lattico mediante un processo metabolico chiamato fermentazione. L’acido lattico altera le caratteristiche chimiche e fisiche del latte trasformandolo in un nuovo alimento: lo yogurt. Anche la produzione di burro necessita dell’intervento di alcuni microrganismi.

Batteri dal buon sapore

I batteri lattici trovano impiego anche nella preparazione di molti prodotti da forno, come il panettone, il pandoro e i cracker. Questi alimenti, grazie all’azione batterica, acquistano un sapore e un aroma migliori. Anche nella produzione di vino, specie per i vini rossi destinati all’invecchiamento, vi è l’intervento di alcuni batteri che, trasformando l’acido malico in acido lattico, migliorano il sapore del vino. Nella preparazione dei salumi insaccati intervengono diversi batteri appartenenti ai generi Lactobacillus, Pediococcus e Micrococcus.

La pastorizzazione

La presenza dei batteri in alcuni alimenti non è gradita perché accelera i processi di decomposizione e potrebbe risultare dannosa per la salute umana. Il metodo più antico studiato per limitare la carica batterica in un alimento fu ideato da Louis Pasteur alla fine del XIX e per questo si chiama pastorizzazione. Si tratta di un procedimento che riduce la quantità di batteri ma non altera le caratteristiche nutrizionali e sensoriali dell’alimento. Questo processo consiste nel riscaldare il prodotto per qualche minuto a una temperatura compresa tra 55C° e 70C°.

Curiamoci con i batteri

I batteri sono utilizzati nella produzione di moltissime sostanze importanti dal punto di vista farmacologico. Gli attinomiceti, per esempio, sono batteri filamentosi che morfologicamente ricordano le muffe. Sono tra i più importanti produttori di antibiotici, come la streptomicina e le tetracicline. Anche la vitamina B12 (cobalamina) viene prodotta in laboratorio grazie ai batteri. Alcuni particolari ceppi batterici vengono impiegati come microrganismi test per determinare la presenza di antibiotici e di vitamine negli alimenti o in preparati farmaceutici.

Le biotecnologie

Attraverso la biotecnologia è possibile introdurre segmenti di DNA umano all’interno del patrimonio genetico di un batterio. Il DNA umano fornisce alla cellula batterica le istruzioni per la sintesi di proteine che normalmente il batterio non sintetizza. In questo modo è stato possibile ottenere proteine molto importanti per la cura di alcune malattie. Oggi, sostanze che in passato erano estratte da fonti naturali, spesso disponibili in quantità limitata, sono ottenute in grande quantità e a basso costo dai batteri.

Alcuni scienziati americani sono riusciti a creare organismi geneticamente modificati che producono petrolio. Attualmente negli Stati Uniti il carburante biologico più popolare è l’etanolo, estratto soprattutto dal mais, ma questa nuova tecnologia potrebbe soppiantarlo. L’etanolo, infatti, possiede solo due terzi del potenziale energetico del petrolio e sono necessarie molte risorse per la sua produzione. Il petrolio prodotto da microrganismi richiederebbe, invece, investimenti minimi in infrastrutture, ma ci sono ancora alcuni punti da chiarire per la sua produzione. L’idea degli scienziati americani è di prelevare dei pezzi di DNA, responsabili del ciclo di conversione del glucosio in molecole che immagazzinano energia, da differenti organismi per combinare questo materiale genetico e inserirlo in un microrganismo per fornirgli le istruzioni per la produzione di idrocarburi. Sono stati modificati altri geni di microrganismi in modo da bloccare alcune funzioni metaboliche, obbligandoli a concentrarsi sulla produzione di petrolio. Gli scienziati hanno scoperto il modo di aumentare la produzione di petrolio modificando alcune sequenze di DNA, ma per ora la produzione rimane ancora scarsa. Uno dei punti deboli della produzione è la fonte di cellulosa con cui vengono nutriti i microrganismi e si spera di poter trovare molto velocemente una fonte più economica ed efficiente.

Produzione di energia

Certi ceppi batterici appartenenti al genere Zymomonas sono in grado di trasformare lo zucchero in etanolo, lo stesso alcool che si trova nel vino e nella birra. L’etanolo ottenuto da questi batteri viene miscelato alla benzina per preparare carburanti per autotrazione. Questo processo è particolarmente sfruttato nei paesi caldi dove è presente una forte produzione di sostanze zuccherine, come la canna da zucchero. Anche il metano può essere prodotto per via batterica. I batteri metanogeni, infatti, devono il loro nome alla capacità di produrre gas a partire dalla fermentazione di sostanze organiche, come le deiezioni animali e i rifiuti.

Batteri contro l’inquinamento

Gli pseudomonas sono batteri aerobi di forma bastoncellare. Sono in grado di utilizzare oltre un centinaio di composti organici come fonte di energia e di carbonio. Per questa loro caratteristica alcuni ceppi sono stati impiegati per eliminare composti altamente inquinanti e di difficile degradazione, quali alcuni componenti del petrolio, anticrittogamici, antiparassitari ed erbicidi. La ricerca sta sperimentando diversi metodi per utilizzare questi batteri nei disastri ecologici provocati dalla perdita di greggio dalle petroliere.

Pioppo Ogm contro l’inquinamento

All’università di Seattle alcuni ricercatori hanno creato un pioppo ogm capace di ripulire il suolo da alcuni inquinanti industriali, tra cui il tricloroetilene. Grazie ad una modifica del DNA del pioppo, l’albero riesce a ripulire il terreno e in generale l’ambiente dalle tossine. Per questo esperimento gli scienziati hanno inserito nel DNA del pioppo un gene che codifica alcuni enzimi presenti nei mammiferi.

Lotta biologica

Tra gli insetti, i funghi e i protozoi ci sono alcuni tra i più importanti organismi nocivi per l’uomo e le sue attività. Tuttavia, a loro volta, anche gli organismi nocivi possono essere colpiti da malattie, molte delle quali sono provocate dai batteri. Mediante questi batteri è possibile eliminare organismi dannosi per l’agricoltura, le foreste, la salute degli animali e dell’uomo. Il Bacillus thuringensis, per esempio, è un batterio sfruttato in campo agricolo e forestale per combattere i bruchi di molte farfalle, responsabili della distruzione del fogliame.