ISBN 978-88-08-18626-3 INDICE XV

1 ALLA SCOPERTA DEL MONDO MICROBICO 4 Gianni Dehò ed Enrica Galli

1.1 Il mondo dei microrganismi 41.1.1 Cellula, organismo vivente, microrganismo 41.1.2 Unità e diversità del mondo vivente 51.1.3 Procarioti-eucarioti, Bacteria-Archaea 6

1.2 Come si costruisce una cellula 71.2.1 Energia-materia-informazione 71.2.2 Dalle molecole semplici alle strutture

sopramolecolari 71.2.3 Accrescimento e divisione 9

1.3 Dalla microbiologia inconsapevole alla scoperta dei microrganismi 9

1.3.1 La confutazione della teoria della generazione spontanea 10

1.3.2 Lo sviluppo delle tecniche di base per lo studio dei microrganismi 13

1.4 Distribuzione dei microrganismi nell’ambiente 14

SEZIONE A – STRUTTURA E FUNZIONI DELLA CELLULA BATTERICA

A cura di Anna Maria Puglia

1.4.1 Microrganismi come agenti di malattie 15

1.5 Microrganismi e trasformazione della sostanza organica 16

1.6 Sviluppo della microbiologia come scienza di base e applicata 161.7 Aree specialistiche della microbiologia 17

Approfondimenti • Alcuni eventi fondativi della microbiologia come

scienza 11

2. STRUTTURA E FUNZIONI DELLE CELLULE PROCARIOTE 18A cura di Anna Maria Puglia

LA CELLULAAnna Maria Puglia

2.1 Cellula procariota 19Paola Quatrini2.1.1 Differenze e similitudini tra cellula procariota e

cellula eucariota 192.1.2 Differenze e similitudini tra batteri e archei 20

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2.1.3 Organismi modello e diversità biologica 202.1.4 Morfologia batterica, dimensioni e organizzazione 212.1.5 Morfogenesi cellulare 22

2.2 Rivestimento della cellula batterica 23Alessandra Polissi2.2.1 Membrana plasmatica 232.2.2 Funzioni della membrana citoplasmatica 27

2.3 Parete batterica 30Paola Quatrini2.3.1 Il sacculo di mureina 302.3.2 Il peptidoglicano 312.3.3 Biosintesi del peptidoglicano e accrescimento

della parete mureinica 322.3.4 Biogenesi della parete mureinica 402.3.5 Parete dei batteri Gram positivi 41

2.4 Parete dei batteri Gram negativi 46Alessandra Polissi2.4.1 Il periplasma 462.4.2 Membrana esterna: struttura, composizione e

funzioni 472.4.3 Biogenesi della membrana esterna 502.4.4 Il trasporto delle proteine integrali della

membrana esterna 502.4.5 Il trasporto delle lipoproteine 512.4.6 Il trasporto del lipopolisaccaride 51

2.5 Altri tipi di parete nei Bacteria 52Paola Quatrini

2.6 Parete cellulare negli Archaea 55Anna Maria Sanangelantoni

2.7 Capsula e altri rivestimenti esterni 56Anna Maria Puglia2.7.1 Strato S 562.7.2 Capsule e polisaccaridi extracellulari 57

BIOGENESI DEI RIVESTIMENTI BATTERICI E SECREZIONE DI MACROMOLECOLEAlessandra Polissi

2.8 Via di secrezione dipendente da sec e sue diramazioni 60

2.8.1 Indirizzamento delle proteine alla membrana interna 61

2.8.2 Indirizzamento delle proteine all’ambiente extracellulare 62

2.9 Sistemi indipendenti da sec 642.9.1 Trasporto attraverso la membrana plasmatica di

proteine ripiegate: il sistema Tat 642.9.2 I trasportatori ABC 662.9.3 Il sistema di secrezione di tipo III 682.9.4 Il sistema di secrezione di tipo IV 69

APPENDICI ESTERNEAnna Maria Puglia

2.10 Flagelli 702.10.1 Struttura del flagello 702.10.2 Il movimento dei flagelli 712.10.3 Chemiotassi 722.10.4 Biosintesi del flagello 732.10.5 Endoflagelli delle spirochete 742.10.6 I flagelli degli Archaea 76

2.11 Pili (fimbrie) 76

IL PROTOPLASTOPaola Quatrini e Anna Maria Puglia

2.12 Citoplasma 782.12.1 Nucleoide 792.12.2 Ribosomi 79

2.13 Corpi di inclusione 792.13.1 Granuli di riserva 792.13.2 Microcompartimenti cellulari 802.13.3 Magnetosomi 812.13.4 Vescicole gassose 81

DIFFERENZIAMENTO CELLULARE NEI BATTERiEzio Ricca

2.14 Endospore batteriche 822.14.1 Sporulazione 832.14.2 Struttura della spora 86

Approfondimenti • Antibiotici Stefania Stefani • Antibiotici che agiscono sulle membrane 28 • Antibiotici inibitori della sintesi del

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peptidoglicano 1° e 2° stadio 36 • Antibiotici inibitori della sintesi del peptidoglicano 3° stadio 37

• Colorazioni Anna Maria Sanangelantoni • La colorazione di Gram 43 • I batteri Gram positivi 44 • I micoplasmi, batteri Gram positivi senza parete 48 • Le clamidie: batteri Gram negativi senza parete 49

• La colorazione di Ziehl-Neelsen (acido resistenza) Paola Quatrini 54

• Colorazione delle spore (metodo di Shaeffer-Fulton) Ezio Ricca 83 • I micobatteri Anna Maria Sanangelantoni 55 • Differenziamento e sviluppo batterico Anna Maria Puglia 87 • Insetticidi e tossine entomopatogene di Bacillus thuringiensis Anna Maria Sanangelantoni ed Ezio Ricca 90

SEZIONE B – CRESCITA MICROBICA E METABOLISMO

A cura di Anna Maria Sanangelantoni

3. NUTRIZIONE E CRESCITA MICROBICA 95Ezio Ricca e Loredana Baccigalupi

NUTRIZIONE MICROBICA

3.1 Composizione elementare delle cellule 963.1.1 I sei elementi che costituiscono le macromolecole

biologiche 98

3.2 Categorie nutrizionali 1003.2.1 Fattori di crescita: prototrofia e auxotrofia 101

3.3 Assimilazione dei nutrienti: trasporto di molecole dall’ambiente 1013.3.1 Trasporto con traslocazione di gruppo 1043.3.3 Idrolisi di macromolecole e trasporto dei prodotti

di degradazione 105

3.4 Terreni di coltura 1053.4.1 Terreni minimi e complessi 1053.4.2 Terreni solidi 106

3.4.3 Uso dei terreni solidi per l’isolamento di colture pure 107

3.4.4 Terreni arricchiti, selettivi e differenziali 108

CRESCITA DELLE POPOLAZIONI MICROBICHE

3.5 Come si determina la quantità di microrganismi presenti in una coltura 109

3.5.1 Determinazione della biomassa: peso secco 1103.5.2 Misurazione della torbidità di una coltura 1103.5.3 Conta totale 1113.5.4 Conta vitale 111

3.6 Descrizione matematica della crescita microbica 1123.6.1 Rappresentazione grafica della crescita batterica 114

3.7 Curva di crescita 1153.7.1 Fase di latenza 1153.7.2 Fase di crescita esponenziale 115

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3.7.3 Fase stazionaria 1163.7.4 Fase di morte 1173.7.5 Crescita diauxica 1173.7.6 Crescita continua 117

3.8 Fattori che influenzano la crescita microbica 1193.8.1 Temperatura 1193.8.2 pH 1203.8.3 Disponibilità di acqua 1213.8.4 Disponibilità di ossigeno 1223.8.5 Colture microbiche aerobie e anaerobie 123

IL CONTROLLO DELLA CRESCITA MICROBICA

3.9 Metodi fisici 1253.9.1 Calore 1253.9.2 Radiazioni 1273.9.3 Filtrazione 127

3.10 Metodi chimici 127

3.11 Antibiotici 129Stefania Stefani3.11.1 Effetti degli antibiotici sul microrganismo 1323.11.2 Saggi di sensibilità agli antibiotici 1323.11.3 Spettro d’azione di un antibiotico 1333.11.4 Meccanismi d’azione dei principali antibiotici 134

Approfondimenti • Descrizione matematica della crescita

esponenziale 116 • Antibiotici: uso e conseguenze 130 • Il metabolismo secondario: ruolo fisiologico e

sviluppo industriale 131

4. METABOLISMO MICROBICO 135Anna Maria Sanangelantoni

4.1 Principali forme di energia utile nelle reazioni biologiche 137

4.1.1 Energia libera e potenziali di ossidoriduzione 137

4.2 Reazioni di ossidoriduzione biologica 1394.2.1 Potenziali di riduzione 1404.2.2 Torre degli elettroni 1414.2.3 Trasportatori di elettroni 142

4.3 ATP e altri composti ad alta energia 145

4.4 Sintesi di ATP 146

4.4.1 Fosforilazione a livello del substrato 1464.4.2 Fosforilazione a livello di membrana 147

4.5 ATP sintasi e sintesi di ATP a livello di membrana 149

Approfondimenti • S tato di ossidazione di un elemento 139 Pirofosfato e polifosfati per la produzione

di ATP 147 • Energia libera di Gibbs e calcolo del potenziale elettrico 148

5. CHEMIOTROFIA 151Anna Maria Sanangelantoni

ENERGIA DALLA DEGRADAZIONE DI SOSTANZE ORGANICHE: I BATTERI CHEMIORGANOTROFI (ETEROTROFI)

5.1 Metabolismo fermentativo 1535.1.1 Degradazione del glucosio ad acido piruvico 1555.1.2 Fermentazione lattica 1585.1.3 Fermentazione alcolica (lieviti e batteri) 1585.1.4 Fermentazione acido mista e 2,3-butandiolica

degli enterobatteri 1635.1.5 Fermentazione propionica 1695.1.6 Fermentazione butirrica e aceton-butanolica dei

clostridi e altre fermentazioni 169

5.2 Metabolismo respiratorio 1745.2.1 Respirazione aerobia dei batteri chemioeterotrofi 1755.4.2 Respirazione anaerobia dei batteri chemioeterotrofi 178

5.3 Diversità delle fonti organiche di energia 1885.3.1 Catabolismo dei carboidrati 1885.3.2 Catabolismo dei lipidi 1915.3.3 Catabolismo di proteine e aminoacidi 1915.3.4 Energia da composti organici ad un atomo di Carbonio. Metilotrofia 355.3.5 Catabolismo degli idrocarburi e dei composti

xenobiotici 194

ENERGIA DA REAZIONI DI OSSIDAZIONE DI COMPOSTI INORGANICI RIDOTTI: I MICRORGANISMI CHEMIOLITOTROFI

5.4 Microrganismi chemiolitotrofi 197Davide Zannoni

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5.4.1 Ossidazione dell’idrogeno molecolare (H2): batteri H2 ossidanti 1975.4.2 Ossidazione dei composti ridotti dello zolfo: batteri

zolfo-ossidanti o solfobatteri 1985.4.3 Ossidazione del ferro (Fe2+): batteri ferro-ossidanti 2005.4.4 Ossidazione dell’azoto: batteri nitrificanti 2025.4.5 Ossidazione anaerobia dell’azoto: i batteri “anammox” 203

Approfondimenti • I batteri lattici 161 • I bifidobatteri 163 • Il batterio Zymomonas 167 • I batteri enterici 168 • I batteri propionici 170 • Il genere Clostridium 172 • La fermentazione acetica: un’ossidazione

incompleta 174 • Metanogenesi 184 • Acetogenesi 188 • I batteri metofili 193 • Pseudomonadaceae e Pseudomonas 196

6. ENERGIA DALLA LUCE: I PROCARIOTI FOTOTROFI 205

Davide Zannoni

6.1 Fototrofia basata sulla batteriorodopsina: pompe protoniche “primarie” 206

6.2 Pigmenti fotosintetici e membrane fotosintetiche 208

6.3 Fototrofia basata sulla clorofilla e/o batterioclorofilla: pompe protoniche “secondarie” 210

6.4 Fotosintesi anossigenica 2126.4.1 Ciclo fotosintetico “secondario”, fotofosforilazione

e sintesi di NADH 212

6.5 I cianobatteri e la fotosintesi ossigenica 2146.5.1 Flusso di elettroni nella fotosintesi ossigenica 2146.5.2 Sintesi di ATP (flusso ciclico e non ciclico) 215

6.6 I microrganismi fotosintetici 216Anna Maria Sanangelantoni6.6.1 Phylum Cyanobacteria (cianobatteri) 2166.6.2 Phylum Protobacteria 2216.6.3 “Clade” dei batteri aerobi che contengono

batterioclorofille 2236.6.4 Phylum Chlorobi (batteri verdi sulfurei) 2236.6.5 Phylum Chloroflexi (batteri verdi non-sulfurei) 2246.6.6 Phylum Firmicutes 224

Approfondimenti • ON LINE Genetica della fotosintesi anossigenica

e risposta dell’ossigeno alla luce

7. METABOLISMO ASSIMILATIVO E BIOSINTETICO 225

Anna Maria Sanangelantoni e Davide Zannoni

7.1 Come i procarioti si procurano il carbonio: eterotrofia 226

7.2 Come i procarioti si procurano il carbonio: autotrofia 228

7.2.1 Ciclo di Calvin 2287.2.2 Ciclo riduttivo del TCA e ciclo

dell’idrossipropionato 229

7.3 Assimilazione dell’azoto 2317.3.1 Assimilazione dell’ammoniaca 2317.3.2 Assimilazione del nitrato 2337.3.3 Fissazione dell’azoto 233

7.4 Assimilazione di zolfo e fosforo 2367.4.1 Zolfo 2367.4.2 Fosforo 236

7.5 Strategie delle vie biosintetiche 2377.5.1 Biosintesi degli aminoacidi e dei nucleotidi 2387.5.2 Biosintesi dei lipidi 2387.5.3 Biosintesi delle sostanze di riserva del carbonio 239

Approfondimenti • L’azotofissazione 234

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8. IL GENOMA DEI PROCARIOTI 243Luciano Paolozzi8.1 Il nucleoide 2458.1.1 Struttura fisica del nucleoide 2458.1.2 Architettura del cromosoma batterico 249

8.2 Elementi genetici accessori 2598.2.1 I plasmidi 2598.2.2 Elementi genetici trasponibili: sequenze IS e

trasposoni 2648.2.3 Elementi virali 2688.2.4 Integroni 2698.2.5 Retroelementi procarioti 2698.2.6 Ruolo degli elementi genetici accessori

nell’evoluzione batterica 269

8.3 Mappe genetiche dei procarioti 271

Approfondimenti • Lo stato topologico del DNA 248 • Il genoma di Borrelia burgdorferi 251 • Il repertorio del pool genico, uno specchio che riflette la fisiologia batterica 256 • La scoperta dei plasmidi 260 • Diverse architetture del genoma dei procarioti 261 • I metodi per lo studio dei plasmidi 263 • Due esempi di plasmidi modello 266 • La diversificazione dei genomi di Escherichia coli: ruolo degli elementi genetici accessori 271

9. REPLICAZIONE E RICOMBINAZIONE DEL DNA 273Luciano Paolozzi

LA REPLICAZIONE

9.1 Proteine della replicazione 276

9.2 L’inizio della replicazione 2829.2.1 L’origine di replicazione di E. coli 2829.2.2 L’inizio della replicazione a oriC 2849.2.3 Meccanismi di controllo dell’inizio della

replicazione 2849.3.4 L’inizio della replicazione di batteri con più

cromosomi 285

9.3 L’innesco della sintesi e l’allungamento del dna 282

9.4 Terminazione e risoluzione (separazione) dei nuovi cromosomi 288

9.5 La replicazione degli elementi extracromosomali ed il suo controllo 288

9.5.1 La replicazione del fattore F 2889.5.2 La replicazione di ColE 1 2899.5.3 Il controllo del numero delle copie del DNA 2899.5.4 La replicazione dei cromosomi lineari 290

9.6 La replicazione negli Archaea 291

RICOMBINAZIONE GENETICA NEI BATTERI

9.7 La ricombinazione generale o omologa 2949.7.1 Modelli e meccanica della ricombinazione omologa 2949.7.2 Il modello di ricombinazione promossa da rotture a doppia elica (double-strand break repair) 2969.7.3 La formazione di ssDNA e il ruolo

SEZIONE C – GENETICA BATTERICA E BIOLOGIA MOLECOLARE

A cura di Luciano Paolozzi e Gianni Dehó

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INDICE XXIISBN 978-88-08-18626-3

del complesso RecBCD 2969.7.4 Identità delle sequenze interagenti 2999.7.5 La ricombinazione omologa RebCD dipendente promossa da rotture del DNA a doppia elica 299

9.8 La ricombinazione non omologa 3009.8.1 Enzimi e bersagli della ricombinazione sito specifica 3009.8.2 I vari tipi di ricombinazione sito specifica 3019.8.3 L’inversione programmata di sequenze di DNA 3029.8.4 La trasposizione 303

Approfondimenti • Le DNA polimerasi 277 • Pol I, l’enzima Eureka e le altre polimerasi 279 • Altre proteine necessarie per la replicazione 280 • Regolazione dell’inizio della replicazione nei batteri 285 • Un esperimento di trasposizione 304 • ON LINE L’evoluzione dei modelli di ricombinazione: dalla “scelta della copia” alla “rottura a doppia elica” • ON LINE L’integrazione di λ • ON LINE Inversione geneticamente programmata di segmenti genomici • ON LINE Il primosoma nei batteri • ON LINE L’assemblaggio ciclico della primasi e

DNA polimerasi III sul lagging strand e sintesi dei frammenti di Okazaki

10. INTEGRITÀ DELL’INFORMAZIONE GENETICA E GENERAZIONE DI MUTAZIONI 309Luciano Paolozzi

10.1 Mutanti batterici 311

10.2 Natura delle mutazioni ed eventi che ne provocano l’insorgenza 31210.2.1 Errori di replicazione e mutazioni dirette 31310.2.2 Mutazioni che derivano da lesioni al DNA 314

10.3 I meccanismi che mantengono l’integrità dell’informazione genetica 31510.3.1 La correzione degli errori di copiatura da parte della DNA polimerasi 31610.3.2 Rettifica di misappaiamenti (mismatch repair, MMR) 31810.3.3 La riparazione dei danni del DNA 318

10.4 La frequenza delle mutazioni spontanee 323

10.5 Mutazione, selezione e adattamento batterico 32510.5.1 Il test di fluttuazione di Luria e Delbrück (1943) 32610.5.2 La selezione indiretta di mutanti mediante replica di Ledeberg & Ledeberg (1952) 32810.5.3 La selezione indiretta di mutanti mediante arricchimento in coltura liquida di Cavalli Sforza e Lederberg (1956) 329

10.6 Le mutazioni “post adattative” 330

Approfondimenti • Agenti mutageni 316 • Le strategie di sopravvivenza al danno del DNA di Deinococcus radiodurans 323 • I batteri e la sconfitta della roccaforte del lamarckismo 328

11. PLASTICITÀ DEL GENOMA BATTERICO: TRASFERIMENTO GENICO ORIZZONTALE 322Luciano Paolozzi

11.1 I meccanismi del trasferimento genico orizzontale 335

11.2 La coniugazione 33711.2.1 Il plasmide coniugativo F 33811.2.2 I plasmidi coniugativi in altri batteri Gram negativi e nei Gram positivi 341

11.3 La trasformazione batterica 34711.3.1 Natura del DNA trasformante 35011.3.2 Apparati di trasformazione 35011.3.3 Destino del DNA trasformante 35011.3.4 Meccanismi e condizioni per la traslocazione del DNA trasformante 35111.3.5 La competenza artificiale 35311.3.6 Il significato biologico della competenza 353

11.4 La trasduzione 35311.4.1 La trasduzione generalizzata 35311.4.2 La trasduzione specializzata 354

11.5 Il trasferimento genico orizzontale in natura 357Marco Bazzicalupo

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11.5.1 Coniugazione 35711.5.2 Trasformazione 35811.5.3 Trasduzione 35811.5.4 L’integrazione di DNA estraneo nel genoma batterico 35911.5.5 La selezione naturale e il destino dei geni trasferiti orizzontalmente 36011.5.6 Il ruolo del trasferimento genico orizzontale nell’evoluzione 360

Approfondimenti • La traslocazione del DNA nei processi coniugativi 335 • La scoperta della coniugazione e della ricombinazione nei batteri 343 • La scoperta della trasformazione: un esempio del carattere imprevedibile del percorso scientifico 348 • La competenza: uno stato fisiologico regolato e transiente delle cellule batteriche 352 • Una barriera al TGO: il riconoscimento del DNA “self” dal “non self”, ossia il fenomeno della modificazione e restrizione 356

12. TRASCRIZIONE E TRADUZIONE 362Luciano Paolozzi e Marco Bazzicalupo

12.1 Trascrizione nei batteri 36312.1.1 Fasi della trascrizione 366

12.2 Trascrizione negli Archaea 37412.2.1 RNA polimerasi e l’apparato di trascrizione degli Archaea 37412.2.2 Regolatori della trascrizione degli Archaea 37412.2.3 Inibitori della trascrizione 374

12.3 Traduzione nei batteri 37512.3.1 Inizio della traduzione 37512.3.2 Fase di elongazione 37612.3.3 Terminazione della traduzione 376

12.4 Traduzione in Archaea ed eucarioti 37812.4.1 Antibiotici inibitori della sintesi proteica 379

Approfondimenti • Scelta dei promotori da parte dell’RNA polimerasi nelle risposte adattative 371

13. REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA 384Luciano Paolozzi

13.1 Aspetti generali della regolazione genica 38513.1.1 Come i batteri “sentono” l’ambiente 38613.1.2 Sistemi di regolazione delle funzioni cellulari e

livelli di regolazione 38713.1.3 Elementi del controllo dell’espressione genica 387

13.2 Modelli di regolazione in sistemi catabolici 38813.2.1 Operone lac per l’utilizzazione del lattosio. Modello classico di regolazione negativa e controllo positivo di cAMP·CRP 38813.2.2 Regulone maltosio, esempio di regolazione positiva 39013.2.3 Operone arabinosio: regolazione positiva e negativa in una sola proteina (con l’aiuto di CRP) 39213.2.4 Utilizzazione del galattosio: un regulone complesso 394

13.3 Modelli di regolazione di sistemi anabolici: regolazione della sintesi degli aminoacidi 396Marco Bazzicalupo13.3.1 Regolazione feedback dell’attività enzimatica 39613.3.2 Regolazione trascrizionale 39913.3.3 Regolazione negativa 40013.3.4 Altri sistemi di regolazione riguardanti gli aminoacidi e la sintesi proteica 40313.3.5 Regolazione della sintesi della metionina 406

13.4 Modelli di regolazione globale 40613.4.1 La risposta a stress da calore (heat shock) 40713.4.2 Regolazione del regulone sH in Escherichia coli 40813.4.3 Sistema SOS di Escherichia coli 41013.4.4 Risposta alla carenza di aminoacidi 41013.4.5 Meccanismo dell’induzione della sintesi di (p)ppGpp 411

13.5 Il controllo temporale dell’espressione genica 412Marco Bazzicalupo13.5.1 La sporulazione 412

13.6 I geni della sporulazione 413Marco Bazzicalupo13.6.1 Il fosforelay 41313.6.2 La cascata dei fattori σ e la regolazione spazio-temporale 413

Approfondimenti • Il trasporto del lattosio nella cellula:

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il segnale intracellulare della presenza del lattosio 389 • La regolazione post-trascrizionale nei procarioti 404 • La riattivazione W delle particelle fagiche e la scoperta del sistema SOS 409 • Sviluppo della competenza e trasformazione 415 • ON LINE Storia di una teoria scientifica: l’operone lac, un’introduzione alla regolazione • ON LINE La resistenza al mercurio e l’attivazione del promotore merT

14. DIVISIONE CELLULARE E DIFFERENZIAMENTO 418Luciano Paolozzi

14.1 La divisione delle cellule procariote 41914.1.1 Il ciclo di crescita del batterio modello Escherichia coli 42014.1.2 La costruzione dell’apparato di citochinesi 42114.1.3 La dinamica e il controllo della formazione dell’anello Z in Escherichia coli 42514.1.4 Ripartizione del DNA durante la citochinesi 42514.1.5 La ripartizione dei plasmidi 431

14.2 Il differenziamento nei procarioti 43314.2.1 Polarità cellulare, compartimentalizzazione delle proteine e differenziamento nei procarioti 43314.2.2 Il differenziamento come risposta adattativa 436

14.3 Il differenziamento di Caulobacter crescentus 43614.3.1 Il ciclo vitale di Caulobacter crescentus 436

Approfondimenti • L’occlusione del nucleoide e le proteine anti-ghigliottina 428 • L’anello Z dei plastidi e l’origine degli eucarioti 428 • Le proteine del citoscheletro batterico nei processi di divisione e differenziamento 429 • ON LINE La complessa regolazione delle

proteine di divisione

15. EREDITÀ INFETTIVA: I VIRUS 442Luciano Paolozzi e Giorgio Gribaudo

15.1 Proprietà generali dei virus 443

15.1.1 Struttura e organizzazione dei virioni 44315.1.2 Moltiplicazione virale 44715.1.3 Classificazione dei virus 44715.1.4 Modalità di studio dei virus 449

15.2 Batteriofagi 45215.2.1 Struttura e organizzazione 45215.2.2 Riproduzione dei batteriofagi 45515.2.3 Analisi genetica dei fagi 46215.2.4 Alcuni esempi di batteriofagi modello 463

15.3 Virus degli eucarioti 47915.3.1 Struttura e organizzazione 47915.3.2 Replicazione dei virus animali 480

15.4 Agenti subvirali 48615.4.1 Viroidi 48615.4.2 Virus satelliti 48615.4.3 Prioni 486

Approfondimenti • L’adsorbimento del fago alla cellula ospite 457 • Lisare o non lisare? Un problema aperto tra caso, genetica ed epigenetica 476 • Virus e tumori 487 • ON LINE La scoperta dei virus • ON LINE Alla ricerca delle leggi complementari della fisica • ON LINE Il calcolo dei batteri non infettati e la molteplicità di infezione • ON LINE Applicazioni dell’uso dei batteriofagi

16. ANALISI GLOBALE DELLE CELLULE BATTERICHE 488Marco Bazzicalupo

16.1 Genomica 48916.1.1 Sequenziamento di genomi batterici 49016.1.2 Annotazione 492

16.2 Metagenomica 492

16.3 La genomica funzionale 49516.3.1 La trascrittomica e i microarray a DNA (DNA chips) 49516.3.2 Ibridazione genomica comparativa 49716.3.3 Proteomica 497

16.4 Metabolomica e fenomica 498

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Approfondimenti • Tecniche di sequenziamento genomico 491 • L’esempio di Caulobacter crescentus 496

17. TASSONOMIA, SISTEMATICA, FILOGENESI, EVOLUZIONE 500Anna Maria Sanangelantoni, Giovanna Lucchini e Marco Bazzicalupo

17.1 Tassonomia 50217.1.1 Sistemi di classificazione 502

17.2 Evoluzione 505

17.3 Filogenesi molecolare dei microrganismi 505

17.3.1 I metodi molecolari 50717.3.2 Le sequenze usate nella filogenesi molecolare 51517.3.3 TGO 520

17.4 Gruppi tassonomici 52117.4.1 Bacteria 52117.4.2 Archaea 52117.4.3 Microrganismi eucarioti 522

Approfondimenti • Storia della Terra 501 • Storia della classificazione dei batteri 504 • ON LINE Costruire un albero

18. INTERAZIONI TRA BATTERI, PROCESSI COOPERATIVI, COMPETIZIONE E AGGRESSIONE 536Paolo Landini

18.1 Comunicazione intercellulare: il “quorum sensing” 53818.1.1 Quorum sensing nei batteri Gram negativi 53918.1.2 Ruolo del quorum sensing nell’interazione batteriorganismi eucarioti 54318.1.3 Quorum sensing in batteri Gram positivi 54418.1.4 Quorum sensing e sua relazione con la produzione di agenti antimicrobici 54618.1.5 Altre molecole con funzione di autoinduttori 547

18.2 Associazioni microbiche: i biofilm 54818.2.1 Definizione generale 548

18.2.2 Formazione del biofilm e sua architettura 54918.2.3 Macromolecole e strutture cellulari batteriche

coinvolte nella formazione del biofilm 55118.2.4 Meccanismi di regolazione genica legati al biofilm 55218.2.5 Biofilm microbico nella prospettiva ecologica e nel contesto delle malattie infettive 555

18.3 Antibiotici nell’interazione tra microrganismi 557

Approfondimenti • Esempi di meccanismi di quorum sensing regolati da acil-omoserin-lattoni: • Vibrio fischeri e Pseudomonas aeruginosa 542 Quorum sensing: una dimostrazione

SEZIONE D – INTERAZIONI TRA MICRORGANISMI E CON ALTRI ORGANISMI

A cura di Maria Lina Bernardini

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del valore intrinseco della ricerca di base 548 • di-GMP ciclico e suo ruolo nella produzione della cellulosa e nella formazione del biofilm 553

19. INTERAZIONI CON GLI ORGANISMI ANIMALI: IL MICROBIOMA 560Maria Lina Bernardini

19.1 Introduzione alla microflora endogena: gli esseri umani non sono microbiologicamente sterili 561

19.2 Microbiota della pelle e del naso 562

19.3 Microbiota della cavità orale e dell’orofaringe 563

19.4 Microbiota delle vie respiratorie 565

19.5 Microbiota delle vie urogenitali 566

19.6 Microbiota del tratto gastrointestinale 56719.6.1 Il colon: un incubatore microbico naturale 568

19.7 “Microbioma”: un concetto innovativo che svela alcune delle funzioni del microbiota 568

19.8 Batteri “benefici” del colon: introduzione ai probiotici 571

19.9 Simbiosi mutualistiche fra batteri e insetti 572

Approfondimenti • La placca dentale 564 • La microflora e il sistema immunitario: il ruolo negativo dell’igiene eccessiva, ovvero una revisione critica del concetto di igiene 570 • Il rapporto fra la flora batterica e l’obesità 574

20. INTERAZIONI CON GLI ORGANISMI ANIMALI: PATOGENESI 575

Maria Lina Bernardini

20.1 Patogenicità e virulenza batterica: due concetti da definire 575

20.2 Batteri patogeni, postulati di Koch e misura della virulenza 577

20.3 Importanza del DNA alieno: dai commensali ai patogeni 580

20.4 Fenotipo dei batteri patogeni: fattori di virulenza 585

20.5 Fattori di adesione: mediatori di molti fenotipi di virulenza 586

20.6 Invasività, effettori batterici e invasine 58920.6.1 I meccanismi molecolari dell’invasività batterica: trigger e zipper 589

20.7 Stili di vita dei batteri invasivi 593

20.8 Regolazione genica: arma segreta dei batteri patogeni 595

Pietro Alifano

20.9 Tossine: “frecce” molecolari dei batteri patogeni 59820.9.1 Le tossine che agiscono dall’esterno della cellula 60020.9.2 Tossine solubili con target intracellulari 60120.9.3 Le neurotossine 604

Approfondimenti • Helicobacter pylori e l’epitelio gastrico 578 • Le forme patogene degli Escherichia coli 582 • Come Salmonella divenne un batterio patogeno 594Pietro Alifano • Eventi regolativi nella virulenza di Salmonella enterica 596Pietro Alifano • Lo studio dell’espressione genica nell’ospite e la reverse vaccinology 607Pietro Alifano

21. INTERAZIONI CON GLI ORGANISMI ANIMALI. MECCANISMI DI DIFESA DELL’OSPITE: IMMUNITÀ INNATA 609Maria Lina Bernardini21.1 Difese fisiche contro i patogeni 611

21.2 Immunità innata: un sistema di difesa ancestrale 61421.2.1 PAMPs, Pathogen-Associated Molecular Patterns - Strutture batteriche 61621.2.2 PRRs, Pattern Recognition Receptors 61721.2.3 PRRs di membrana: i recettori Toll-like 61921.2.4 PRRs citosolici: le proteine NLR 621

21.3 Cellule del sistema immunitario: la popolazione eterogenea dei leucociti 622

21.4 Neutrofili, una popolazione cellulare sulla prima linea di difesa 625

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21.5 Macrofagi (fagociti mononucleati) 628

21.6 Cellule Natural Killer 62921.7 Sistema del complemento 630

21.8 Citochine 631

21.9 Chemochine 634 21.10 Processo di “Evasione Immune” dei batteri patogeni 63421.10.1 Difese “strutturali” dei microrganismi 63521.10.2 Evasione dalla difesa delle barriere della cellula ospite 63521.10.3 “Camuffamento”, strategia per diminuire il riconoscimento da parte del sistema immunitario innato 63621.10.4 Cambiamento delle strutture di superficie per imbrogliare il sistema immunitario dell’ospite 63721.10.5 Fagosoma: strategia di difesa 638

Approfondimenti • Le cellule M dell’intestino: il “tallone di Achille” dell’epitelio intestinale 612 • Toll vs Imd: le armi molecolari di Drosophila melanogaster 616 • L’apoptosi o morte cellulare programmata (PCD): un suicidio cellulare 618 • Le malattie infiammatorie dell’intestino e le proteine NLRs 623 • Shock settico e reazioni di Schwartzman 633

22. INTERAZIONI CON GLI ORGANISMI ANIMALI. DIFESE SPECIFICHE DELL’ORGANISMO: IMMUNITÀ ADATTATIVA 640Maria Lina Bernardini

22.1 Effettori dell’immunità adattativa: gli anticorpi 642

22.2 Tipologia degli anticorpi e loro ruolo 643

22.3 Selezione e sviluppo degli anticorpi 64722.3.1 Organizzazione dei loci genici delle immunoglobuline 647

22.4 Meccanismi molecolari della diversità immunitaria 64822.4.1 Ricombinazione somatica 64822.4.2 Altri meccanismi della variabilità anticorpale 648

22.5 Linfociti T e riconoscimento degli antigeni 650

22.6 Organizzazione dei loci genici del TcR 651

22.7 Selezione dei linfociti T 652

22.8 Molecole del complesso maggiore di istocompatibilità (MHC) 65322.8.1 MHC di classe I 65422.8.2 MHC di classe I e caricamento degli antigeni 65422.8.3 MHC di classe II 655

22.9 Cellule presentanti l’antigene (APC): cellule dendritiche 656

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22.10 Linfociti T effettori: linfociti T helper e citotossici (CTL) 659

22.11 Linfociti T helper e polarizzazione della risposta 662

Approfondimenti • Il sistema immunitario delle mucose 646 • Le cellule dendritiche e la mucosa intestinale 660

23. INTERAZIONI CON GLI ORGANISMI VEGETALI 664Pietro Alifano

23.1 Rizosfera e fillosfera 66523.1.1 Modificazione della rizosfera da parte di batteri e funghi 66623.1.2 Micorrize 66623.1.3 Batteri azotofissatori endosimbionti 66823.1.4 Rizobi e leguminose 669

23.2 Ciclo dell’azoto nel suolo: nitrificazione e denitrificazione 673

23.3 Riconoscimento dei batteri patogeni 67423.3.1 Immunità innata primaria: sistema MAMP-PRR nelle piante 67523.3.2 I mmunità innata secondaria: geni di resistenza (R) delle piante e di avirulenza (avr) dei batteri 67623.3.3 Resistenza sistemica acquisita (SAR) e resistenza sistemica indotta (ISR) 677

23.4 Agrobacterium e induzione di tumori nelle piante 678

23.5 Utilizzo dei microrganismi della rizosfera nelle nuove tecnologie agrarie 680

Approfondimenti • Altri tipi di micorrize 668

INDICE ANALITICO 681

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