Tassonomia batterica

La tassonomia è la classificazione degli organismi in gruppi (taxa) sulla base di somiglianze tra loro: in questa lezione impareremo quindi come si classificano gli organismi (in particolare i batteri) e come fare a identificare e classificare un microrganismo non identificato.

Negli organismi superiori (animali e piante) riconoscere le similitudini è di solito semplice anche alla vista: si capisce ad esempio che la scimmia e l'uomo sono più vicini tra loro che al leone, e che tutti e tre sono molto più vicini tra loro che ad una quercia. Nei microrganismi invece le cose non sono così semplici: dalla loro forma si può difficilmente capire qualcosa, anche perché la quasi totalità dei batteri ha forma di bacillo o di cocco. Per classificarli quindi occorrerà confrontare caratteristiche meno immediate, ad esempio il loro metabolismo, o addirittura il loro patrimonio genetico.

La gerarchia tassonomica

Quando si classifica un essere vivente, lo si inserisce in categorie via via più specifiche:

• Per prima cosa lo si colloca in un regno: ad esempio il regno dei Bacteria (in tassonomia, tutti i nomi si scrivono in latino);
• successivamente si individua una divisione o phylum: per esempio, Proteobacteria;
• poi viene la classe: es. γ-proteobacteria;
• l'ordine: es. Enterobacteriales;
• la famiglia; es. Enterobacteriaceae;
• il genere; es. Escherichia;
• la specie; es. coli.

Questa è la struttura generale, ma spesso si inseriscono delle categorie intermedie per una classificazione più precisa.

Da questa classificazione deriva il nome scientifico degli organismi: questo è composto dal genere e dalla specie (scritti in corsivo, il primo maiuscolo e il secondo minuscolo), nell'esempio è Escherichia coli.

Classificazione naturale o filogenetica

Il padre di questa classificazione è stato, nel XVIII secolo, lo svedese Carl von Linné, che propose di ordinare gli esseri viventi secondo una classificazione naturale, dettata dalle somiglianze nelle caratteristiche così come si presentano attualmente.

Quando però la teoria evolutiva si affermò, si cominciò a preferire una classificazione filogenetica, ovvero una classificazione basata sulla storia evolutiva degli organismi (che spesso, ma non sempre, coincide con la classificazione basata sulle caratteristiche attuali).

Questo tipo più moderno di classificazione è stato possibile applicarlo subito agli organismi superiori, di cui si potevano trovare i fossili; per i batteri invece c'è stato bisogno di arrivare a sequenziarne gli acidi nucleici per poterne stabilire l'evoluzione.

Tassonomia numerica

Passiamo ora da una descrizione più generale della tassonomia agli aspetti pratici.

Per confrontare le caratteristiche di diversi organismi tra loro, è stato sviluppato un metodo matematico, piuttosto semplice:

• per ogni coppia di organismi, si osservano un certo numero di caratteristiche che possono essere presenti o assenti;
• si sommano le caratteristiche presenti in entrambi gli organismi, le caratteristiche presenti in un solo organismo e quelle non presenti in nessuno dei due;
• il risultato si può esprimere in due modi:
  • il coefficiente di accoppiamento semplice è il rapporto tra la somma delle caratteristiche presenti in entrambi o in nessun organismo fratto il totale delle caratteristiche osservate;
  • il coefficiente di Jaccard è il rapporto tra le caratteristiche presenti in entrambi e la somma delle caratteristiche presenti in almeno un organismo.

Questi coefficienti esprimono la "distanza" tra i due organismi: ricavandoli per diverse coppie, si possono individuare le relazioni tra loro (ad esempio, organismi con coefficienti molto simili tra loro apparterrano ad uno stesso gruppo, mentre un organismo con coefficiente maggiore sarà imparentato solo ad un livello più generale).

Caratteristiche fenotipiche

Ovviamente, per poter applicare la tassonomia numerica è necessario individuare le caratteristiche da confrontare. Per i batteri, le prime caratteristiche studiate sono state quelle relative al fenotipo, ovvero le caratteristiche che quell'organismo mostra allo stato evolutivo attuale.

Alcune caratteristiche che possono aiutare la classificazione di un microrganismo sono:

• caratteristiche morfologiche, tra cui:
  • dimensione;
  • forma;
  • reazione alla colorazione di Gram;
• mobilità (per mezzo di flagelli, vescicole gassose o per scivolamento);
• caratteristiche fisiologiche, come:
  • metabolismo (fototrofia, eterotrofia o litotrofia);
  • tolleranza e/o utilizzo dell'ossigeno;
  • tolleranza e/o necessità di temperature, pH o salinità particolari;
  • capacità di sfruttamento di particolari fonti di carbonio, azoto o zolfo;
• produzione di pigmenti, inclusioni cellulari o strati superficiali;
• patogenicità;
• sensibilità agli antibiotici.

Tutte queste possono essere ricavate effettuando analisi specifiche: ovvio che questo richiede molto tempo, per effettuarle una ad una. Per velocizzare l'identificazione del microrganismo sono stati quindi ideati dei test multipli preconfezionati (test API), che di norma consistono in tante microcolture (ognuna predisposta, con opportuni terreni e indicatori, a evidenziare una caratteristica) che, al momento dell'utilizzo, vengono tutte inoculate con lo stesso ceppo da identificare.

Caratteristiche genotipiche

Le caratteristiche fenotipiche, però, non danno molte informazioni sulla storia evolutiva dell'organismo, che per la tassonomia moderna è l'aspetto più importante: per riuscire a capire l'evoluzione dei batteri è necessario confrontare il loro patrimonio genetico. Fino a non molti anni fa questo era, se non impossibile anche da pensare, decisamente improponibile; ma con i progressi della scienza oggi sono disponibili diverse tecniche.

Composizione in basi del DNA

Un metodo di confronto semplice ma non troppo preciso consiste nel misurare in quale proporzione le quattro basi azotate sono presenti nei cromosomi batterici: organismi molto diversi tra loro, quindi con DNA molto diverso, avranno anche una diversa proporzione di basi.

Questa proporzione si potrebbe determinare idrolizzando il DNA, ma risulta più semplice denaturarlo: scaldando a una temperatura che si aggira tra gli 80° e i 90° le due eliche si separano, e l'esatta temperatura è determinata dalla percentuale di guanina e citosina presenti (formano tre legami a idrogeno tra loro, a differenza delle altre due basi, adenina e timina, che ne formano due,così rendono più stabile la doppia elica e innalzano la temperatura di denaturazione). La temperatura a cui avviene la denaturazione viene rilevata attraverso uno spettrofotometro, dato che al momento di separazione cambia l'assorbanza del DNA.

Questo metodo non è però molto preciso: se è vero che batteri con percentuali di G+C molto diverse sono diversi tra loro, batteri con le percentuali molto simili possono essere anch'essi diversi, perché potrebbe cambiare la sequenza con cui queste basi sono presenti.

Sequenziamento del rRNA

Una tecnica di gran lunga più precisa, che permette di identificare quasi univocamente gruppi di batteri geneticamente (e quindi evolutivamente) identici, consiste nel sequenziare il loro codice genetico e confrontarlo.

Sequenziare tutto il DNA non è fattibile, data la sua lunghezza (nonostante nei batteri sia di norma corto); è quindi necessario trovare una molecola o una sequenza di acidi nucleici che sia in grado di identificare comunque l'organismo. Le caratteristiche che deve avere sono:

• essere universale, ovvero presente in tutti gli organismi;
• essere essenziale per la vita dell'organismo, per evitare che ne possa fare in qualche caso a meno;
• comprendere delle sezioni molto conservate (cioè che non cambiano, o cambiano poco, durante l'evoluzione) in modo da poterla riconoscere, e delle sezioni invece libere di cambiare, da poter confrontare tra i diversi organismi.