Batteri

▶ Batteri

Come abbiamo visto nell’Unità 2 (La cellula), i batteri sono procarioti, ossia organismi unicellulari in grado di condurre vita autonoma, caratterizzati da un’organizzazione interna semplice. Il loro citosol è privo degli organelli normalmente presenti negli eucarioti (nucleo, mitocondri, cloroplasti, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi). Il loro genoma principale è costitui­to da un lungo filamento circolare di DNA addossato a un’estremità del citosol (a formare un nucleoide), oltre a un numero variabile di filamenti circolari minori di DNA, noti come plasmidi, contenenti pochi geni trasmissibili. I batteri dispongono anche di una parete cellulare esterna di spessore variabile (batteri Gram-positivi e Gram-negativi) con il compito di proteggerli e regolare gli scambi con l’ambiente esterno.

I batteri hanno forme molto diverse che possono essere apprezzate con l’ausilio di microscopi elettronici: tra quelle più ricorrenti ci sono i bacilli a forma di bastoncino, i cocchi dall’aspetto tondeggiante (streptococchi se crescono a catenelle, stafilococchi se formano delle strutture a grappolo e diplococchi se restano appaiati) e i vibrioni a forma ricurva a virgola. Altri batteri di forme meno comuni nel contesto delle contaminazioni sono le spirochete (vermiformi), gli spirilli (a spirale allungata), i batteri clavati ed elicoidali. Talvolta i batteri acquatici sono dotati di uno o più flagelli, simili a delle fruste roteanti con azione propulsiva, mentre per facilitare l’adesione alle superfici solide i batteri presentano talvolta delle cilia, sporgenze di membrana filiformi che rivestono la loro superficie esterna come un piumino.

LA PATAGENICITÀ DEI BATTERI

Di tutti i batteri che conosciamo soltanto il 10% è da considerarsi patogeno in senso stretto per l’uomo, mentre circa il 20% è opportunista, ossia diviene patogeno solo se si verificano condizioni favorevoli per infettare l’uomo (una ferita aperta, un individuo debilitato da un’altra malattia o comunque immunodepresso).

I batteri che causano infezioni o intossicazioni alimentari, e che dunque sono veicolati da alimenti contaminati, rappresentano un gruppo ristretto. Inoltre, per determinare l’insorgenza di un disturbo alimentare un singolo batterio non è sufficiente. La quantità minima di agenti patogeni necessari a causare una malattia è definita dose infettante minima (DIM). Tale valore può variare molto da una specie patogena all’altra: ad esempio per avere il 50% di probabilità di contrarre la salmonellosi un individuo sano deve ingerire un alimento che contenga circa un centinaio di salmonelle, mentre per ammalarsi di colera occorrono ben 100 milioni di vibrioni del colera.

LA RIPRODUZIONE DEI BATTERI

La riproduzione dei batteri, che porta al rapido aumento della loro presenza, solitamente avviene per scissione binaria o per gemmazione. La scissione binaria avviene quando da una cellula se ne originano due di dimensioni pressoché uguali, mentre la gemmazione è caratterizzata dalla formazione di una gemma dalla cellula madre che, inizialmente, appare come una piccola protuberanza e che in seguito si ingrandisce fino a formare una cellula matura. In entrambi i casi vengono formati cloni della cellula madre, ovvero organismi geneticamente identici tra loro.

Anche se si riproducono per via asessuata, in situazioni particolari i batteri sono in grado di scambiarsi parte del materiale genetico. In sostanza, alcuni batteri “donatori” possono trasferire a batteri “riceventi” dei frammenti del loro DNA: in questo modo i batteri riceventi danno origine a una popolazione batterica che ha caratteristiche diverse da quelle iniziali. Proprio questo meccanismo, detto coniugazione, è alla base della farmaco-resistenza acquisita, che rende molti ceppi di batteri “immuni” a intere famiglie di antibiotici.

Alcuni batteri, chiamati sporigeni, sono in grado di produrre forme di resistenza (spore) attraverso un meccanismo chiamato sporulazione. Ricorrono a questa modalità quando le condizioni ambientali sono particolarmente ostili. Le spore sono infatti strutture cellulari estremamente resistenti che possono rimanere quiescenti (cioè inattive) molto a lungo, in attesa che si presenti un contesto favorevole alla riproduzione e alla vita del batterio: alcune spore batteriche sono rimaste quiescenti ma vitali addirittura per più di 500 anni. La resistenza delle spore batteriche in situazioni che generalmente risultano letali per i batteri rappresenta un serio problema sanitario: per eliminare le spore da un alimento o da una superficie infetta è infatti necessario ricorrere a trattamenti termici prolungati oltre i 100-120 °C, che permettono di intaccare il loro spesso guscio protettivo.

Al loro interno, le spore contengono sia il DNA cellulare sia le strutture necessarie a superare condizioni di stress, come temperature elevate (molte spore resistono ai processi di cottura), la carenza parziale o totale di acqua (essiccamento), l’esposizione a raggi UV o a disinfettanti chimici.

LA CRESCITA BATTERICA

In un sistema chiuso (e cioè in un ambiente in cui le risorse non sono infinite, per esempio un alimento) una popolazione tende ad aumentare di numero seguendo l’andamento di una curva di crescita caratteristica. Come tutti gli esseri viventi, per crescere e riprodursi anche i microrganismi hanno bisogno di condizioni ambientali favorevoli. Conoscere quali siano tali condizioni favorevoli alla vita dei microrganismi è importante per due ragioni:

• consente di individuare le situazioni “a rischio” (cioè quelle in cui potrebbe verificarsi la contaminazione di un alimento);
• in alcuni casi permette di intervenire per eliminare gli elementi contaminanti.

In un sistema chiuso, ossia in un ambiente in cui le risorse nutritive sono limitate, la crescita batterica segue un andamento caratteristico distinto in quattro fasi.

• Fase di latenza: i batteri “prendono confidenza” con l’ambiente in cui sono capitati e si limitano ad attivare i geni che producono enzimi utili alla divisione e all’assorbimento dei nutrienti.
• Fase di crescita geometrica: in questa fase si verifica un accrescimento esponenziale: a intervalli regolari di tempo la popolazione raddoppia.
• Fase stazionaria: quando i nutrienti iniziano a scarseggiare, la popolazione smette di crescere (il numero di nuovi batteri formati è pari a quelli che muoiono) e si mantiene costante nel tempo.
• Fase di declino (o di morte): se nel sistema chiuso non si aggiungono altri nutrienti, i batteri muoiono per mancanza di risorse e per accumulo dei metaboliti tossici: il loro numero decresce rapidamente.

Fattori che influenzano la crescita batterica

Le condizioni ottimali di sviluppo dei batteri variano molto in base alla specie. I batteri sono infatti microrganismi molto adattabili e molte specie, definite estremofile, possono addirittura sopravvivere solo in ambienti estremi, in cui nessun’altra forma di vita riuscirebbe a svilupparsi, come le solfatare vulcaniche, i geyser, o le acque del Mar Morto. Conoscere i fattori che influenzano in modo positivo o negativo la vita dei microrganismi ha notevolmente migliorato la nostra capacità di contenere le contaminazioni, conservare gli alimenti e curare le infezioni.

I fattori principali che condizionano la vita batterica sono la temperatura, l’ossigeno, l’acqua, il pH, la pressione, la salinità e le radiazioni.

Temperatura

In campo alimentare, il controllo della temperatura è senza dubbio il metodo più diffuso ed efficace per influenzare la vita dei microrganismi, sia quando si desidera eliminare i contaminanti biologici (per esempio sterilizzando ad alte temperature), sia quando – al contrario – si vuole stimolare lo sviluppo di specie di interesse alimentare (come nella trasformazione del latte in yogurt). In base alla loro sensibilità termica i batteri si distinguono in:

• psicrofili: l’intervallo di temperatura che consente loro di vivere è compreso all’incirca tra 0 e 20 °C (la temperatura ottimale è pari o inferiore ai 10 °C). In natura questi batteri si possono trovare nelle zone ghiacciate o innevate e nelle acque profonde. Riescono a evitare la formazione di cristalli di ghiaccio nel loro citosol grazie a proteine ad azione “antigelo”. A temperature inferiori a 0 °C non muoiono, ma smettono di moltiplicarsi ed entrano in uno stato di quiescenza, definito batteriostasi, da cui si possono risvegliare non appena le temperature tornano a salire;
• mesofili: il loro intervallo termico è compreso fra i 15 e i 45 °C, con un picco ottimale di crescita fra i 35 e 40 °C. Questa categoria comprende gran parte delle specie microbiche del pianeta e include molti batteri patogeni per l’uomo, la cui temperatura ottimale è la stessa di quella corporea umana (37 °C);
• termofili: crescono in ambienti caldi con temperature comprese tra 40 e 70 °C, con un optimum intorno ai 60 °C. I loro habitat ideali sono le acque geotermali dei geyser. Sono invece definiti ipertermofili quei batteri estremofili che raggiungono un picco di crescita fra gli 80 e i 110 °C. Alcuni di essi si sviluppano sulle bocche dei vulcani sottomarini a temperature prossime ai 400 °C. Queste categorie di batteri difficilmente finiscono a contatto con gli alimenti.

Ossigeno

L’ossigeno è un altro parametro cruciale nel controllo dello sviluppo batterico. L’ossigeno presente nell’aria (20%) rappresenta una necessità per alcuni batteri e una causa di morte per altri, ma esistono molte condizioni metaboliche intermedie. In base alla capacità di sopravvivenza in presenza o assenza di ossigeno i batteri si distinguono in:

• aerobi: si definiscono così i batteri che riescono a vivere in presenza di ossigeno; si trovano nell’aria che respiriamo, così come su tutte le superfici a contatto con l’aria, sia solide sia liquide. Questo genere di batteri degrada le sostanze nutritive che assorbe dall’ambiente esclusivamente per ossidazione;
• anaerobi: per i batteri di questo tipo, l’ossigeno è un gas tossico con effetti letali e la degradazione dei nutrienti avviene esclusivamente per fermentazione. Questi batteri riescono a crescere solo in luoghi privi di ossigeno libero, come le profondità dei mari, dentro le confezioni di cibo sotto vuoto o sottolio, o all’interno di organismi (per esempio l’intestino degli animali, le radici degli alberi);
• aerobi-anaerobi facoltativi: vi rientrano i batteri in grado di vivere sia in presenza che in assenza di ossigeno.

Acqua

Come abbiamo visto, i batteri necessitano di un ambiente ad alto contenuto di acqua libera per potersi sviluppare (indice Aw > 0,9), a differenza di funghi e muffe che richiedono concentrazioni minori di acqua. Ciò dipende essenzialmente dal fatto che i batteri non riescono a estrarre i nutrienti da un tessuto o un alimento troppo secchi, poiché gli enzimi che essi liberano nell’ambiente esterno devono potersi diffondere nel mezzo liquido per digerirne le macromolecole. Un batterio che contamina la superficie di un biscotto o una caramella, per esempio, non potrà dunque moltiplicarsi sulla sua superficie o penetrarne lo spessore per carenza d’acqua libera. Un’eccezione importante è rappresentata dai batteri alofili, ossia capaci di crescere in ambienti saturi di sale (come il Mar Morto), il cui Aw si aggira intorno a 0,75.

pH

La maggior parte dei batteri si sviluppa preferibilmente a un valore di pH intorno alla neutralità (6,6-7,5). Esistono tuttavia numerose situazioni più isolate in cui i livelli di acidità e di basicità sono ben più estremi, ma anche in queste condizioni si ritrovano dei batteri capaci di svilupparsi al meglio.

Da questo punto di vista i batteri si distinguono in:

• neutrofili: si definiscono così i batteri che si trovano a loro agio in ambienti con valori di pH tra 5,5 e 8,5. Tali batteri sono fra i più numerosi e a questo gruppo appartengono sia i batteri che vivono in simbiosi con l’organismo (microbiota umano) che molti patogeni;
• acidofili: sono tali i batteri in grado di vivere in ambienti anche molto acidi, con valori di pH compresi tra 1 e 5,5, come i bordi delle solfatare da cui si sprigiona acido solforico in forma di gas, ma anche all’interno dello yogurt (pH circa 4) o dell’aceto (pH circa 3);
• basofili o alcalofili: all’estremità opposta della scala del pH, fra i valori 8,5 e 11,5, troviamo batteri che preferiscono gli ambienti basici, come i laghi di soda.

Altri fattori che influenzano la crescita batterica

Oltre a quanto appena elencato, è possibile influire sullo sviluppo dei batteri intervenendo su numerosi altri fattori, tra i quali:

• la pressione: la maggior parte dei batteri vive a una pressione ambientale pari a 1 atmosfera; tuttavia sono stati trovati batteri, detti barofili, in profondità oceaniche in cui si superano le 400 atmosfere;
• le radiazioni: i batteri sono sensibili ai raggi UV; le radiazioni ultraviolette con lunghezza d’onda pari a 260 nm hanno un elevato contenuto energetico e sono in grado di danneggiare il DNA dei microrganismi, e vengono infatti utilizzate nei processi di decontaminazione delle acque e di sterilizzazione delle attrezzature.