Moduli di Microbiologia

Introduzione

La microbiologia consiste nello studio di microorganismi facenti parte di un ampio spettro di organismi viventi, che va dagli organismi eucariotici a quelli procariotici, fino ad arrivare ai virus. Essa può essere considerata sia come una disciplina a sé stante, in qualità di studio di microorganismi, che come disciplina applicata, in quanto si va ad inserire in tutti gli ambiti delle altre discipline. I microorganismi possono avere sia una valenza positiva che una valenza negativa: possono essere considerati come agenti eziologici di malattie (valenza negativa) oppure anche come la base fondamentale attorno alla quale, ad esempio, ruotano la maggior parte dei cicli biochimici.

La differenza fondamentale tra una cellula procariotica e una cellula eucariotica non consiste solo nella dimensione della cellula ma anche nell’assenza di compartimentazione. Da un punto di vista metabolico sono molto simili, anche se con delle differenze di base. Da un punto di vista riproduttivo, vi sono delle cellule che si riproducono in maniera asessuata, attraverso una serie di modalità che consentono di svolgere quello che normalmente gli esseri superiori sono in grado di fare per riproduzione sessuale: per quanto riguarda la divisione cellulare, vi sono dei meccanismi di scissione binaria, ai quali si affiancano meccanismi di trasmissione di materiale genetico orizzontale, utili per la variabilità genetica. Pertanto, ogni cellula vive come un singolo individuo: quando si parla di microorganismi si parla di popolazione (tutto ciò che un individuo umano è in grado di svolgere come persona, i batteri riescono a svolgerlo come popolazione).

Classificazione dei microrganismi

Possiamo classificare i microrganismi in commensali, dannosi o pericolosi:

• I commensali sono assolutamente innocui o spesso e volentieri utili per l’uomo.
• I dannosi sono associati a delle intossicazioni alimentari; questi sono in grado di produrre tossine che vanno a creare problemi intestinali di varia pericolosità.
• I pericolosi sono microrganismi con ruolo negativo.

Un’ulteriore classificazione la possiamo fare in microrganismi patogeni, non patogeni e opportunisti:

• I patogeni hanno una caratteristica patogenicità o di virulenza o di antibiotico-resistenza; sono in grado di dare una malattia. Ogni microrganismo non è patogeno su tutti gli individui, ma diventa patogeno anche in relazione alla risposta delle difese immunitarie dell’ospite.
• I non patogeni sono microrganismi non legati ad una condizione di patogenicità.
• I microrganismi opportunisti sono una categoria particolare in quanto sono normalmente innocui, ma in determinate condizioni, come nel caso in cui l’organismo ospite ha un problema immunitario, e il microorganismo si trova per esempio in un distretto che non è il suo, diventa opportunista.

Il metodo scientifico

Il metodo scientifico può essere applicato a tutte le discipline e serve per poter andare a fare una serie di sperimentazioni che possono dare validità ad un pensiero. I metodi scientifici attualmente utilizzati sono due: quello di Karl Popper e quello di Galileo Galilei.

Galileo Galilei diede un impulso fondamentale allo sviluppo della scienza affermando la necessità della sperimentazione come metodo di ricerca e insieme all'astronomo tedesco Keplero diede inizio alla rivoluzione scientifica culminata nell'opera di Isaac Newton. Il contributo fondamentale di Galileo è stato quello di aver intuito per primo proprio che la scienza si deve basare sulla costruzione di un metodo scientifico che permetta di arrivare a delle conclusioni inconfutabili attraverso le osservazioni sperimentali. Il metodo scientifico di Galileo si basa su un metodo induttivo-deduttivo:

• L’osservazione e la sperimentazione: come primo step si vanno a fare tutta una serie di esperimenti, da cui si ottiene il materiale grezzo su cui lavorare.
• La misurazione, la catalogazione e la selezione dei dati sperimentali: la catalogazione necessita di leggi matematiche per poter essere applicata e poter fare tutta una serie di schemi di inquadramento, che rendono tutti i dati ottenuti dagli esperimenti comprensibili in un certo modo a tutti.
• Fase induttiva: viene formulata un’ipotesi; dal dato soggettivo si passa al livello oggettivo attraverso la catalogazione di tutti i relativi esperimenti, ovvero dall’esperimento si passa all’ipotesi.
• Fase deduttiva: verifica della legge e dell’ipotesi.
• Verifica sperimentale: si fanno tutta una serie di esperimenti di convalida che possono dimostrare o meno se la teoria si basa su esperimenti di base validi (in caso negativo crolla tutta l’ipotesi e si ricomincia tutto l’iter).

Popper basò tutta la sua teoria sul falsificazionismo, ovvero non bisogna cercare di indurre qualcosa, ma bisogna cercare di falsificarla e, pertanto, bisogna provare a far crollare in tutti i modi un’ipotesi, in modo che se l’ipotesi non crolla allora sarà abbastanza vera, perché non esiste comunque un metodo scientifico con una teoria che possa essere valida a priori. Per cui il metodo di Popper fu un metodo ipotetico-deduttivo: la fase dell’induzione viene sostituita dalla fase dell’ipotesi, poiché, secondo Popper, non basta solo osservare, ma bisogna anche sapere cosa osservare. Il metodo ipotetico-deduttivo viene utilizzato oggi nelle ricerche scientifiche. Quando si sta svolgendo un lavoro di ricerca:

• La prima cosa che un ricercatore deve fare è avere un obiettivo, uno scopo del lavoro da andare a verificare andando a sviluppare un’ipotesi.
• Scelta dell’informazione necessaria per saggiare l’ipotesi, ovvero del materiale e dei metodi necessari per andare ad applicare quell’ipotesi.
• Raccolta dei risultati ottenuti dalle osservazioni e dagli esperimenti.
• Analisi dell’informazione dei dati risultati attraverso i quali si giunge a delle conclusioni.
• A questo punto vi è la fase deduttiva per cui se l’ipotesi è confermata si fa un test di conferma, mentre se l’ipotesi risulta falsa si costruisce una nuova ipotesi e la si va a validare e sviluppare.

Facce del metodo scientifico

Quindi, possiamo dire che il metodo scientifico presenta diverse facce:

• Sperimentale: si osserva e si analizza un fenomeno, riproducendolo in laboratorio e controllandone lo sviluppo, dopo aver isolato le sue variabili.
• Descrittivo: raccoglie e razionalizza i dati sia qualitativi sia quantitativi e si può articolare in:
  • Morfologico (di carattere qualitativo, che rileva le proprietà dei sistemi esaminati);
  • Classificatorio (di carattere qualitativo, che confronta e seleziona le proprietà che permettono di raggruppare classi di oggetti);
  • Di misura (di carattere quantitativo, che confronta una sola proprietà di oggetti diversi sulla base di regole);
  • Statistico (di carattere quantitativo, che individua la frequenza e la distribuzione delle proprietà in una ampia classe di oggetti).
• Per modelli: permette di interpretare, usando strumenti matematici, i dati raccolti, così da poter estendere il modello ad altri sistemi.

L'evoluzione della microbiologia

Pasteur studiò il metabolismo microbico e capì che le fermentazioni sono diverse in base al tipo di organismo: fermentazione alcolica (microorganismi con forma sferica come i lieviti); fermentazione lattica (microrganismi con forma allungata come i bacilli). Egli, nei suoi studi di immunologia, studiando il colera, vide che se inoculava un organismo con colture fresche dell’agente eziologico del colera (Vibro Cholerae), questo organismo moriva. Un giorno per errore inoculò un pollo con delle colture molto vecchie e si accorse che non solo il pollo non moriva ma che era diventato immune nei confronti dell’agente eziologico (se il pollo veniva inoculato con delle colture fresche, questo non moriva). Pasteur scoprì anche i virus.

Microrganismi e microbiologia

Come ogni scienza, anche la microbiologia attinge i suoi fondamenti dalla storia. La scoperta di organismi invisibili a occhio nudo è legata all’invenzione del microscopio. Van Leeuwenhork fu la prima persona a vedere i batteri: a conoscenza del lavoro effettuato in passato da Hoke (descrisse i corpi fruttiferi delle muffe), Van Leeuwenhork usò un microscopio estremamente semplice, che egli stesso aveva costruito, per esaminare il contenuto microbico di una serie di sostanze naturali. Egli, con un’attenta manipolazione, agendo continuamente sul fuoco, riuscì a vedere i batteri. Le sue osservazioni furono confermate in seguito da altri scienziati ma, solo nel XIX secolo, con l’utilizzo di un microscopio più efficiente, fu possibile cogliere la diffusione e la natura delle forme microbiche.

Ferdinand Cohn iniziò i suoi studi come botanico e studiò le piante unicellulari, le alghe e, successivamente, i cianobatteri. Cohn credeva che tutti i batteri facessero parte del regno vegetale e i suoi studi al microscopio ben presto si spostarono a un numero sempre maggiore di batteri differenti, fino ad arrivare alla scoperta del genere Bacillus e del processo di formazione delle endospore. Cohn descrisse l’intero ciclo vitale di Bacillus (cellula vegetativa-> endospora-> cellula vegetativa) e scoprì che le cellule vegetative, ma non le endospore, vengono distrutte dal calore. Così le osservazioni di Cohn aiutarono a comprendere perché scienziati come Tyndall avessero definito la bollitura come una tecnica di sterilizzazione usuale non sempre efficace.

Tra la metà e la fine del XIX secolo si è assistito al grande sviluppo delle scienze microbiologiche: crollava la teoria della generazione spontanea e si metteva a punto la tecnica delle colture pure, metodo fondamentale in campo microbiologico. L’idea di base della generazione spontanea aveva radici nella vita quotidiana ed era facilmente comprensibile: per esempio, il cibo lasciato all’aria per un certo periodo di tempo andava in putrefazione e, se esaminato microscopicamente, esso risultava brulicante di batteri e probabilmente anche di organismi superiori come larve e vermi. Da dove provenissero questi organismi non si capiva, dal momento che non erano stati apparentemente osservati nel cibo fresco. A tal proposito allora alcuni scienziati ascrissero che si sviluppavano da semi o germi provenienti dall’aria, altri che si generavano spontaneamente da materiale non vivente. Nel ‘600 Redi mise in dubbio la teoria della generazione spontanea ponendo a contatto con l’aria un pezzo di carne coperto e un altro pezzo di carne coperta da una garza: su quello scoperto erano presenti batteri, mentre su quello coperto no. Pasteur scoprì che nell’aria erano costantemente presenti cellule microbiche e, pertanto, concluse che tali organismi derivavano dai microorganismi dell’aria e che queste cellule erano depositate su tutti gli oggetti. Da ciò, Pasteur dedusse che rendendo l’alimento sterile e proteggendolo da ulteriore contaminazione, si sarebbe potuto ovviare alla putrefazione (Pasteur utilizzò la bollitura come tecnica di sterilizzazione, dal momento in cui si era dimostrato che il calore era in grado di uccidere gli organismi viventi). Tuttavia, il lavoro di Pasteur fu criticato dai sostenitori della teoria della generazione spontanea: questi dichiararono che fosse necessaria l’aria fresca e, per i motivi inerenti alla bollitura, l’aria all’interno della fiasca non consentiva la generazione spontanea. Pasteur superò questa obiezione grazie all’utilizzo della fiasca di Pasteur (o a collo di cigno), all’interno della quale i nutrienti potevano essere portati a ebollizione: dopo il raffreddamento, l’aria poteva rientrare ma la curvatura del collo avrebbe impedito l’entrata del materiale particolato contenente i batteri o altri microorganismi, mantenendo il brodo sterilizzato; al contrario, se la fiasca veniva inclinata in modo che il liquido sterile potesse venire in contatto con la parte contaminata del collo, si osservava putrefazione e il brodo pullulava di microorganismi.

La dimostrazione che i microorganismi fossero responsabili di malattie diede un fortissimo impulso agli studi microbiologici. Kock diede un importante contributo per quella che poi fu chiamata teoria microbica delle malattie. I suoi primi lavori riguardavano il carbonchio o antrace, malattia dei bovini che può occasionalmente trasmettersi all’uomo e che è causata da un bacillo sporigeno, il “Bacillus anthracis”, di cui il sangue dell’animale infettato contiene innumerevoli cellule. Kock stabilì, mediante accurati studi di microscopia, che il microorganismo era sempre presente nel sangue degli animali morti per questa malattia. Kock dimostrò che era possibile prelevare un’aliquota di sangue da un topo infettato e iniettarla in un altro topo, che in seguito a ciò contraeva la malattia e moriva. Egli allora prelevò il sangue da questo secondo animale e lo iniettò in un altro animale ancora, ottenendo i sintomi caratteristici della malattia. Ripetendo più volte questo esperimento, Kock dimostrò, mediante microscopia, la presenza delle medesime cellule batteriche sporigene nel sangue di tutti gli animali infettati dal microorganismo. Attraverso esperimenti ulteriori Kock provò che i microorganismi potevano essere coltivali in brodi al di fuori dell’ospite e anche dopo numerosi trasferimenti in coltura i batteri potevano causare la malattia originaria se re-inoculati in un animale. Sulla base di questi esperimenti, egli stesso formulò i cosiddetti postulati di Kock:

• L’organismo sospetto patogeno deve ritrovarsi in tutti i casi di malattia ed essere assente in animali sani.
• L’organismo sospetto deve poter crescere come coltura pura.
• Cellule da una coltura pura dell’organismo sospetto devono indurre la malattia in animali sani.
• L’organismo deve poter essere nuovamente isolato e se ne deve poter dimostrare l’identità con l’originario.

Nei suoi studi, inizialmente, Kock utilizzava come terreno di coltura le fette di patata, sulla quale, se esposta all’aria, si venivano a formare colonie batteriche, ciascuna dotata di forma e colore caratteristiche. Egli ipotizzò che ogni colonia derivasse da una singola cellula batterica che, sulla superficie della fetta di patata, aveva trovato le condizioni nutrizionali adatte per poter crescere e moltiplicarsi. In altre parole, ogni colonia rappresentava una coltura pura. Tuttavia, l’utilizzo delle fette di patata come terreno di coltura presentava dei limiti: non tutti i microrganismi crescevano su fette di patata; spesso, queste, risultavano contaminate da funghi. Allora Kock passò all’utilizzo della gelatina come agente solidificante. La gelatina era un meraviglioso terreno di coltura per isolare e studiare vari microorganismi, ma mostrava diversi svantaggi, quali il non riuscire a mantenere lo stato di solidità alla temperatura corporea di 37°C, che è la temperatura ideale di molti microorganismi patogeni per l’uomo. Per questo motivo, alla fine, egli passò all’utilizzo dell’agar, il quale possedeva numerose altre proprietà, tali da renderlo particolarmente adatto come agente gelificante per le colture microbiche: intanto rimaneva solido alla temperatura corporea, rimaneva liquido a circa 45°C dopo il processo di sterilizzazione e, in questa fase, poteva essere dispensato nelle piastre di Petri. Inoltre, a differenza di quanto avveniva per la gelatina che può essere idrolizzata da numerosi batteri causando la liquefazione del terreno, l’agar non viene degradato. Per tutte queste caratteristiche ulteriori, l’agar ha trovato un posto importante negli annali di microbiologia ed è largamente utilizzato per l’ottenimento e il mantenimento di colture pure. Mediante le colture pure, Kock comprese inoltre che determinati organismi potevano avere effetti specifici, non solo in relazione alle malattie ma relativi anche ad altre attività.

Tassonomia e filogenesi

Il sistema della cellula può essere considerato come un sistema chimico in quanto scambia energia con l’esterno. Questo si deve andare a collocare nel sistema dell’universo, che si muove verso una condizione di grande disordine, con molecole e atomi che si dispongono in modo casuale. Tuttavia, la vita non è casuale e la natura non casuale della cellula è dimostrata dalla sua stessa composizione chimica molto diversa dall’ambiente in cui le cellule inestricabilmente vivono.

L’evoluzione rappresenta il cambiamento di una linea di discendenti che, nel tempo, porta alla formazione di nuove specie. La filogenesi, invece, è una disciplina che consente di andare a studiare tutte le connessioni e i rapporti evolutivi tra le diverse forme viventi. A sua volta, la filogenesi può essere espressa attraverso gli alberi filogenetici, i quali mostrano le distanze evolutive tra gli individui che si stanno confrontando.

Ai tempi di Darwin non vi era definito ancora il concetto di procariote ed eucariote e, pertanto, gli organismi venivano distinti in due regni, ovvero quello delle piante (in grado di foto-sintetizzare) e quello degli animali (dotati di movimento). In tal modo, però, veniva esclusa tutta una serie di gruppi intermedi. Pertanto, successivamente, Haeckel differenziò questo sistema in tre regni, introducendo il regno dei protisti (alghe, protozoi, funghi e batteri, ovvero tutti quegli organismi che non avevano caratteristiche assimilabili singolarmente al regno delle piante e degli animali). L’introduzione dei Protisti è stato il primo passo alla chiarificazione sistematica. Andando avanti nel tempo, Wittaker propose un sistema a 5 regni: animali, piante, funghi, protisti e monera (con quest’ultimi si ha l’introduzione dei procarioti). Con questo sistema si ottiene una differenziazione più vicina alla realtà, dal momento in cui, oltre agli organismi superiori (pia