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Lo strumento principe della microbiologia è il microscopio; attraverso l'attenta osservazione e opportune colorazioni è possibile riconoscere la maggior parte dei microrganismi. Benché ne esistano diversi tipi, il microbiologo sfrutta essenzialmente il classico microscopio ottico, utilizzato sia a basso ingrandimento per visualizzare la morfologia della colonie batteriche, sia ad alto ingrandimento, per analizzare le caratteristiche dei singoli batteri. Il microscopio elettronico viene invece utilizzato a scopo di ricerca nella virologia, la scienza che studia i virus, piccole entità biologiche che non possono essere apprezzate con la normale microscopia.
Batteri, virus, funghi e protozoi possono essere inoltre coltivati; si utilizzano dei terreni di coltura, particolari miscele di diverse sostanze in grado di apportare il nutrimento necessario alle colonie di microrganismi in accrescimento. Mentre i batteri e i virus crescono su terreni relativamente semplici, come brodi o gelatine, i virus necessitano di colture cellulari, piastre che contengono cellule umane o animali in grado di fornire gli apparati replicativi ed energetici di cui i virus hanno bisogno. Questi terreni sono molto importanti perché, in base alle preferenze "alimentari" di alcuni batteri, si riesce a riconoscere il genere e talora la specie di cui fanno parte. Un esempio è la capacità che hanno alcuni batteri di crescere in terreni arricchiti con bile (Enterobacteriaceae), con sale (Staphylococcus) o tellurito (Corynebacterium).
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Un batterio è un microrganismo unicellulare procariota. Questo significa che un batterio non ha un nucleo delimitato da membrane e il suo materiale genetico fluttua nel citoplasma. La grandezza di un batterio varia fra ogni genere; i batteri più piccoli possono raggiungere gli 0.2 μm, quelli più grandi anche 30 μm. I primi sono di solito intracellulari, termine che indica la capacità che hanno questi batteri di "abitare" e nascondersi all'interno delle cellule; tra questi i più importanti fanno parte del genere Mycoplasma, Chlamydia e Rickettsia. Alcuni batteri, tra questi le spirochete (dimensioni 20-30 μm), hanno la capacità di spostarsi attraverso i flagelli o di aderire ai tessuti e proteggersi dalla fagocitosi grazie ad una capsula.
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Un virus è un parassita endocellulare obbligato; in parole povere, un virus non può replicarsi se non infettando le cellule per sfruttarne gli apparati replicativi ed energetici. I virus sono molto più piccoli dei batteri e per questo possono essere osservati solo con strumenti appositi quale il microscopio elettronico a trasmissione; tra i più piccoli (20-30 nm) ci sono i Picornaviridae, famiglia che comprende il virus della poliomielite e del raffreddore, tra i più grandi (più di 200 nm) spiccano i Poxviridae, famiglia del virus del vaiolo. I virus possono essere considerati dei "contenitori" di materiale genetico e vengono classificati sulla base di quest'ultimo: esistono virus a DNA e virus a RNA, virus a singolo filamento e a doppio filamento, virus il cui RNA deve essere prima convertito a DNA, virus con RNA che deve essere ricopiato al contrario per funzionare (trascrittasi inversa) e virus il cui materiale genomico è segmentato, come il virus dell'influenza.
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- Molti antibiotici sono prodotto da microrganismi; la penicillina, ad esempio, è prodotta da una muffa, il Penicillium notatum.
- Metodiche di ingegneria genetica hanno permesso di ricavare dal Saccharomyces cerevisiae, comunemente conosciuto come lievito di birra, il moderno vaccino per l'epatite B.
- Le spore di Clostridium tetani, bacillo responsabile del tetano, resistono per decenni nel terreno senza essere inattivate.
- Il virus dell'HIV possiede una retrotrascrittasi, enzima in grado di fare integrare il suo materiale genomico al nostro DNA.
- I funghi dimorfi sono organismi in grado di trasformarsi da muffa a lievito in base alla temperatura esterna.
- La malaria è provocata da un protozoo chiamato Plasmodium trasportato dalle zanzare del genere Anopheles.
- Il nome vaccino deriva da vacca, animali il cui virus del vaiolo veniva usato da Edward Jenner per indurre resistenza al vaiolo umano.
- La parete cellulare di alcuni funghi è composta da chitina, polisaccaride strutturale che forma l'esoscheletro degli insetti.
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