Microbiologia

Microbiologia

Definizione

Microbiologia è la scienza che studia i microrganismi, cioè le forme di vita troppo piccole per essere osservate a occhio nudo. Si tratta dello studio di organismi che possono esistere come singole cellule o avere struttura subcellulare, contengono un genoma costituito da un acido nucleico e sono capaci di replicare il proprio genoma. Alla luce delle recenti scoperte di batteri di circa 1 mm, la precedente definizione sembra inaccurata e una nuova definizione è in via di formulazione.

Storia

Anticamente

Nella preistoria si utilizzavano alcune erbe per curare le malattie (attività antimicrobica), ci si cibava di funghi, di vino e di birra. Salatura, essicamento e stagionatura sono processi utilizzati per la conservazione degli alimenti da molto prima che si comprendesse il ruolo dei microrganismi nel loro deterioramento. Anche le epidemie sono state descritte fin dall’antichità (es. peste del ‘300) così come le pratiche popolari utilizzate per ridurre il contagio e la diffusione della malattia.

Il 1600 e la sua applicazione allo studio degli esseri viventi

La scoperta del microscopio ha rivoluzionato la conoscenza degli organismi già noti (vermi, insetti), rivelando l’organizzazione cellulare dei tessuti e svelando l’esistenza di microrganismi che popolano l’acqua, la terra e i liquidi organici. La relazione fra malattia e presenza di parassiti o di esseri microscopici è sempre più diffusamente accettata.

Galileo Galilei: (1603-1680), gesuita tedesco lavorò a Roma per più di 30 anni, fu molto esperto nell’uso dei nuovi microscopi, e li impiegò non solo per osservare, ma anche per sperimentare. È considerato il padre della microbiologia sperimentale. Nel 1656 a Roma, durante un’epidemia di peste, cercò in malati e cadaveri i germi della peste [morbi pestiferi seminaria]. E disse di averli visti. In realtà non sappiamo se il microscopio di cui disponeva fosse davvero così potente, ma è straordinario che sia andato a cercarli.

Francesco Redi (1626-1698), con i suoi esperimenti sulla carne e le mosche, demolì la teoria della generazione spontanea, sostenendo che da sostanze inanimate (brodo di carne) non nascessero spontaneamente esseri viventi (mosche).

Nel 1665, Robert Hooke (1635-1703) pubblica il primo trattato di Micrographia, il primo volume dedicato alle osservazioni al microscopio, dove disegna i corpi fruttiferi dei funghi e scopre le cellule come le unità di cui gli organismi viventi sono composti.

Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) fu il primo a osservare e accuratamente raffigurare quelli che chiamava animalcula: non solo protozoi, ma anche batteri (cocchi, bacilli, spirochete). Osservò i batteri mentre studiava un infuso di acqua e pepe, e riportò i suoi risultati in una serie di lettere indirizzate alla Royal Society di Londra, dove poi vennero pubblicate.

Il 1700

Nel secolo dei lumi e del razionalismo, dell’Encyclopedie e della Rivoluzione Francese, il dogmatismo scolastico è definitivamente archiviato. L’eziologia microbica delle malattie infettive è sempre più diffusamente accettata. La sistematica di Linneo (1707-1778) contribuisce a portare ordine anche fra i parassiti, che vengono classificati e più facilmente riconosciuti. Anche gli animalcula cominciano a essere classificati.

I vasti studi di Lazzaro Spallanzani (1729-1799) sugli infusori furono in parte stimolati dall’esigenza di controbattere nuove teorie intese a rivalorizzare la generazione spontanea. Fu il primo a parlare di “germi”.

Variolazione: pratica utilizzata per secoli dai Cinesi, consistente nell’innestare materiale ottenuto da croste vaiolose nei bambini sani per proteggerli in seguito dal vaiolo, conosciuta in Europa all’inizio del ‘700. Edward Jenner osservò che i mungitori che avevano contratto il vaiolo bovino non si ammalavano di vaiolo; nel 1795 si decise a inoculare pus vaccinico (da cui “vaccino”) a un bambino, confermando l’innocuità della vaccinazione e la sua efficacia nel proteggere dal vaiolo; con la vaccinazione antivaiolosa introdotta in tutta Europa a partire dalla fine del secolo, ha inizio l’era dell’immunizzazione attiva per la profilassi delle malattie infettive.

Il 1800

La definitiva acquisizione del ruolo dei microrganismi come agenti di malattia e la scoperta del loro ruolo (fermentazione, putrefazione) nella modificazione dei substrati organici e nella regolazione (cicli del carbonio, dell’azoto, dello zolfo, dell’ossigeno) segnano la nascita della microbiologia moderna. L’ottocento è il secolo della descrizione razionale dei microrganismi osservati, il secolo in cui si scoprono i cicli biologici dei vari parassiti e si cominciano a studiare gli ospiti intermedi, il secolo in cui il concetto filosofico di contagium animatum si trasforma definitivamente in una dimostrazione sperimentale dell’eziologia microbica delle malattie infettive. Lo studio dei microrganismi si specializza in varie branche. In particolare, si definiscono e si rendono autonome la parassitologia e la batteriologia.

Bartolomeo Bizio (1791-1862), nei suoi studi sulle alterazioni della polenta (polenta porporina), scopre la Serratia marcescens, sviluppando il primo studio sperimentale sull’azione e la trasmissione di un microrganismo e realizzando per la prima volta una coltura su terreno solido (la polenta stessa).

Agostino Bassi (1773-1856), nei suoi studi sui bachi da seta, fornisce il primo esempio di una malattia sostenuta da un agente infettante specifico (un fungo), di cui analizza le caratteristiche epidemiologiche e traccia le linee di profilassi.

La reazione positivista spinge verso un’osservazione più materialistica, ma anche più oggettiva dei fenomeni naturali. Le teorie evoluzionistiche di Charles Darwin (1809-1882) rivoluzionano l’approccio alla classificazione degli esseri viventi, compresi i microrganismi. Sono definitivamente spazzati via gli ultimi rigurgiti della generazione spontanea.

Ferdinand Cohn (1828-1898), fu un botanico che studiò le alghe unicellulari e i batteri, soprattutto quelli resistenti al calore. Scoprì lo solfobatterio Beggiatoa e descrisse il ciclo vitale del Bacillus, scoprendo così le endospore che erano proprio esse a resistere al calore. Inventò innumerevoli sistemi per prevenire la contaminazione come il cotone (usati poi da Kock).

Ernst Haeckel (1834-1919), nel suo albero genealogico degli esseri viventi, per la prima volta riconosce una terza branca, oltre agli animali e ai vegetali, che chiama “protisti”.

Louis Pasteur (1822-1895) è il vero genio microbiologico del secolo. È lui a coniare il termine “microbiologia” e a fare le seguenti scoperte:

• Definitiva confutazione della teoria della generazione spontanea;
• Chiarificazione del processo della fermentazione;
• Messa a punto del processo di pasteurizzazione;
• Studio di malattie dell’uva e del baco da seta;
• Produzione di vaccini attenuati contro il carbonchio e il colera dei polli;
• Immunizzazione contro la rabbia (1885 1a vaccinazione su un ragazzo).

Pasteur fondò a Parigi (1888) l’Istituto che porta il suo nome, e creò una grande Scuola:

• Emile Roux (1853-1933) suo successore alla guida dell’Istituto
• Elia Metchnikoff (1845-1916) scopritore della fagocitosi
• Alexandre Yersin (1863-1943) descrisse il bacillo della peste
• Albert Calmette (1863-1933) vaccinazione contro la tubercolosi
• Jules Bordet (1870-1961) scopritore dell’agente eziologico della pertosse
• Félix d’Hérelle (1873-1949) scopritore nel 1917 del batteriofago

Coi suoi studi sulle vaccinazioni, Pasteur creò empiricamente l’immunologia sperimentale, pur senza affrontarne le basi teoriche. Sarà Paul Ehrlich (1854-1915), con la sua teoria delle catene laterali, a porre le basi teoriche dell’immunità attiva e passiva.

È il periodo della “caccia ai microbi”, ossia la scoperta dei microrganismi responsabili delle varie malattie infettive, tra cui quelli responsabili del carbonchio, della tubercolosi e del colera.

L’altra grande scuola del secolo, dopo quella francese di Pasteur, fu quella tedesca di Robert Koch (1843-1910), Nobel per medicina nel 1905:

• Sviluppo dei terreni agarizzati e degli strumenti (piastre di Petri) per la coltivazione dei batteri, grazie ai quali potranno essere isolati e scoperti i principali patogeni.
• Enunciazione dei postulati di Koch: criteri e regole per associare un determinato microrganismo a una determinata malattia.

Postulati molecolari di Koch

• Il carattere di virulenza da studiare deve essere associato più spesso a ceppi patogeni della specie che a ceppi non patogeni.
• L’inattivazione del gene o dei geni sospettati del carattere di virulenza deve far diminuire la virulenza in modo sostanziale.
• La sostituzione del gene mutato con il gene originario deve ripristinare pienamente la patogenicità.
• Il gene deve essere espresso in qualche momento durante il processo infettivo e di malattia.
• Gli anticorpi e le cellule del sistema immunitario dirette contro i prodotti del gene dovrebbero proteggere l’ospite.

Altri protagonisti di progressi decisivi in vari campi della nascente microbiologia:

• Il medico tedesco Ignaz Semmelweis (1818-1865), febbre puerperale, infezioni ospedaliere;
• Il chirurgo inglese Joseph Lister (1827-1912), introduzione dell’antisepsi in chirurgia;
• Il botanico tedesco Ferdinand Cohn (1828-1898), studi sulle spore batteriche;
• Lo zoologo italiano Giovanni Battista Grassi (1854-1925) e il medico militare inglese Ronald Ross (1854-1932), scoperta della trasmissione anofelica della malaria e del ciclo biologico del plasmodio.

La microbiologia ambientale

Martinus Beijerinck (1851-1931) formulò il concetto di cultura di arricchimento, dove i microrganismi sono isolati da campioni naturali controllando selettivamente la composizione di nutrienti e le condizioni di incubazione, in modo da favorire specifici gruppi di microrganismi rispetto ad altri. Con questa tecnica riuscì a isolare batteri solfato-riduttori, zolfo-ossidanti e azoto-fissatori. Usando tecniche di filtrazione selettiva dimostrò che l’agente infettivo della “malattia del mosaico da tabacco” era più piccolo dei batteri, scoprì i virus e pose le basi della virologia.

Sergei Vinogradskij (1856-1953), studioso della microbiologia del suolo, introdusse il concetto di chemiolitotrofia, ovvero l’ossidazione di composti inorganici per la produzione di energia, e dimostrò che gli organismi di questo genere ottengono il carbonio dalla CO₂ e quindi che, come gli organismi fotosintetici, questi batteri sono autotrofi. Isolò il primo batterio azoto-fissatore che servì anni dopo a Beijerinck per le sue scoperte.

Accenni di virologia

• 1892: scoperta di un agente filtrabile causa della malattia del mosaico del tabacco, in seguito scoperta e isolamento del primo virus animale.
• 1915: scoperta dei batteriofagi (D’Herelle e Twort).
• 1930: microscopio elettronico.
• 1940/50: sviluppo delle tecniche di coltivazione su colture cellulari.
• 1950: I virus sono in grado di replicarsi (Delbruck).
• 1970: scoperta della trascrittasi inversa (Nobel a Temin, Baltimore e Dulbecco).
• 1983: scoperta dell’HIV, responsabile dell’AIDS (Montagnier).

Moderne scoperte

• 1977: Woese e Fox scoperta degli Archea come gruppo microbico distinto.
• 1981: Prusiner caratterizzazione dei prioni.
• 1995: Venter e Smith completamento della prima sequenza di un genoma batterico (H. influenzae).
• 2000: Delong scoperta di un Archea marino e di altri aspetti della vita procariotica marina.

I campi della microbiologia

• Microbiologia medica - malattie dell’uomo e degli animali;
• Microbiologia di sanità pubblica, controllo della diffusione delle malattie contagiose, sorveglianza delle industrie alimentari e degli approvvigionamenti idrici;
• Microbiologia agraria - malattie delle piante, incremento della fertilità del suolo, impiego di patogeni virali e batterici degli insetti in sostituzione dei pesticidi;
• Ecologia microbica - connessioni esistenti tra i microrganismi e il loro habitat;
• Microbiologia ambientale - contributo apportato ai cicli del carbonio, dello zolfo e dell’azoto, contributo alla depurazione dalle sostanze tossiche;
• Microbiologia alimentare e casearia - prevenzione del deterioramento degli alimenti da parte dei microrganismi, trasmissione delle malattie di origine alimentare; impiego dei microrganismi per la produzione di alimenti, utilizzazione dei microrganismi come fonte di nutrimento;
• Microbiologia industriale - produzione di antibiotici vaccini, steroli, alcool, solventi, vitamine, enzimi, alimenti.

Il mondo microbico

Evoluzione

L'antenato comune chiamato LUCA (Last Universal Common Ancestor). L’evoluzione è stata segnata in primo luogo dallo scambio genetico tra specie diverse, che ha portato alla formazione di varianti che sono state selezionate per i miglioramenti che apportavano. Questo scambio può avvenire anche tra i domini.

Filogenetica

Per determinare l’origine e l’albero genealogico dei microrganismi sono state necessarie le scoperte degli ultimi 40-50 anni sulla genetica, infatti tramite lo studio dei geni che codificano l’rRNA (16S) è stato possibile dividere in 3 domini: Bacteria, Archaea e Eukarya. Inoltre, si è dimostrato che Bacteria e Archaea sono filogeneticamente distinti pur presentando caratteristiche strutturali simili, e che Archaea e Eukarya siano maggiormente correlati; per questo si è ipotizzato che a partire dagli A. si siano sviluppati successivamente gli E.

Metabolismo

I microrganismi raccolgono nutrienti dall’ambiente e lo trasformano in nuovo materiale cellulare e prodotti di scarto. Il processo di crescita (aumento del numero di organismi) avviene tramite i seguenti passaggi:

• Viene avviato il flusso di informazioni e replicato il genoma, tramite i processi di trascrizione e traduzione si formano le proteine.
• Gli enzimi forniscono l’energia e i precursori necessari alla biosintesi dei composti organici.

Procarioti e Eucarioti

Procarioti:

• Movimento: flagellare, per scivolamento, a piccoli scatti (twitching)
• Riproduzione: fissione binaria, coniugazione sessuale, sporulazione, frammentazione, gemmazione
• Fonti di carbonio: composti organici e inorganici
• Fonti di energia: composti organici e inorganici, energia luminosa → energia chimica

Eucarioti (alghe, protozoi, funghi):

• Movimento: tramite flagelli e ciglia, tramite pseudopodi
• Riproduzione: fissione binaria, coniugazione sessuale, sporulazione, frammentazione, gemmazione
• Fonti di carbonio: composti organici e inorganici
• Fonti di energia: composti organici e inorganici, energia luminosa → energia chimica

Struttura

Organismi procarioti: Presentano membrana citoplasmatica e all’interno il citoplasma, parete cellulare (assente nelle cellule animali), il DNA è un cromosoma circolare chiuso e raccolto nel nucleoide.

Organismi eucarioti (alghe, protozoi, funghi): Presentano membrana citoplasmatica e all’interno il citoplasma, parete cellulare (assente nelle cellule animali), un sistema di membrane interne e organelli e il DNA raccolto nel nucleo.

Virus: Non hanno cellula ma l’unità strutturale è il virione, contengono solo DNA o RNA, generalmente non hanno enzimi, polisaccaridi e lipidi, e non hanno mai sistemi di produzione energetica.

Morfologia dei procarioti

Cocco: forma sferica o ovoidale, possono raggrupparsi in colonie affiancandosi tra loro e avvolti da una “capsula” rilasciata dalle cellule (streptococchi).

Bastoncello: forma cilindrica.

Spirillo: bastoncelli avvolti a spirale.

Spirocheta: batteri spiraliformi.

Batteri peduncolati o gemmati: con peduncoli (funghi) o si formano per gemmazione (lieviti).

Batteri filamentosi: cellule lunghe e sottili, oppure catene di cellule (cianobatteri).

Dimensioni: diametro da 0,2 μm a 700 μm (Thiomargarita, solfobatterio chemiolitotrofo), la maggior parte dei bastoncelli coltivati in laboratorio varia tra 0,5 a 4 μm. In generale la misura tipica dei bastoncelli è 1X2 μm (come Escherichia coli). I virus stanno nella misura dei nm. La misura minima che permetta di ospitare le componenti necessarie è di 0,15 μm.

Le diverse morfologie sono proprietà determinate geneticamente e evolute per massimizzare il successo nell’adattamento di una specie all’habitat. Streptococco Spirocheta è maggiore più le cellule sono piccole, questo è di notevole vantaggio per diversi fattori come: scambio di nutrienti, crescita ed evoluzione. Infatti le cellule piccole crescono più velocemente e quindi hanno più possibilità di riscontrare mutazioni genetiche che stanno alla base dell’evoluzione e dell’adattamento di una specie.

Accenni di microrganismi eucariotici

Si sono probabilmente originati in seguito all’inglobamento di una cellula procariotica da parte di una cellula di dimensioni maggiori. Contengono DNA con due origini diverse: endosimbionte e ospite. Contengono organelli cellulari