Appunti di Microbiologia

Appunti di microbiologia

La microbiologia (dal greco mīkros, "piccolo"; bios, "vita", Logia “studio”) è una branca della biologia che studia la struttura e le funzioni dei microrganismi, cioè di tutti quegli organismi viventi unicellulari o pluricellulari non visibili ad occhio nudo. Ciò comprende batteri, archaea, alcuni tipi di funghi, lieviti, alghe e protozoi; la microbiologia studia inoltre virus e prioni, sebbene questi non siano classificati come esseri viventi in senso stretto.

Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule, le unità strutturali elementari a cui possiamo attribuire le proprietà essenziali del vivente. Alcuni organismi sono costituiti da una sola cellula (organismi unicellulari), altri da più cellule solitamente differenziate in classi diverse (organismi pluricellulari). La maggior parte degli organismi viventi sulla Terra (sia come numero assoluto sia, presumibilmente, come numero di specie) sono unicellulari. Questi, insieme ad alcune classi di organismi pluricellulari, rappresentano i microrganismi. Il nome deriva dal fatto che normalmente questi organismi non sono visibili a occhio nudo. Per osservarne quindi forma e struttura è necessario ricorrere al microscopio ottico.

Dalle testimonianze fossili sappiamo che la vita esisteva 3,8 miliardi di anni fa; quindi, l’origine delle forme di vita più primordiali può essere datata a 4 miliardi di anni fa. I primi organismi viventi furono protocellule: unità autonome, circondate da membrana, con una organizzazione funzionale complessa, che consentiva l’attività essenziale della vita, l’autoriproduzione. Gli organismi più primitivi, simili a batteri, proliferarono, dando origine a una grande varietà di forme batteriche, alcune delle quali capaci di fotosintesi. Da queste si originano i cianobatteri, produttori di ossigeno, circa 3 miliardi di anni fa.

Batteri e archea

I batteri e gli archea sono detti procarioti, termine che significa letteralmente “privi di nucleo”. Essi contengono un singolo cromosoma che comprende una sola, grossa molecola di DNA, non localizzata in un nucleo circondato da membrana, ma presente in una regione nucleare chiamata nucleoide. Il DNA non è collegato a proteine istoniche e i procarioti sono privi degli organuli dotati di membrana, quali mitocondri, plastidi, apparato di Golgi e reticolo endoplasmatico. Durante la divisione cellulare, il nucleoide si divide e copie del DNA cellulare vengono trasferite alle cellule figlie. I procarioti sono privi di organizzazione cromosomica e di una vera divisione cromosomica (mitotica) simile a quella di animali, funghi e piante.

I procarioti comprendono due linee distinte di discendenti:

• Gli Eubacteria (i “veri” batteri);
• E gli Archeabacteria (chiamati Archea).

Le differenze principali sono che le pareti cellulari degli archeobatteri non contengono acido muramico, presente in tutti gli altri batteri, e vi sono sostanziali differenze nel loro metabolismo. La prova più convincente della differenza tra questi due gruppi è messa in evidenza dalla tecnica del sequenziamento degli acidi nucleici; infatti, la sequenza delle basi in un tipo di RNA, quello ribosomiale, è ben diversa da quella di tutti gli altri batteri.

Differenze principali

1. Le catene apolari sono unite al glicerolo tramite legami etere anziché legami estere. Il legame etere è più resistente all’idrolisi del legame estere.

2. Le catene alchiliche sono ramificate anziché lineari. Esse sono costituite da ripetizioni di frammenti a cinque atomi di carbonio, più resistenti all’ossidazione. La resistenza all’idrolisi e all’ossidazione dei lipidi degli archei permette a questi organismi di sopportare condizioni estreme, come temperature elevate, valori bassi di pH, elevate concentrazioni saline, cioè le condizioni in cui crescono normalmente alcuni di questi tipi di cellule.

3. Infine, la stereochimica del residuo di glicerolo dei lipidi degli archei è invertita.

Teoria endosimbiotica

La complessità organizzativa degli eucarioti è notevolmente maggiore di quella dei procarioti, al punto che è difficile immaginare come un eucariote poté originarsi da qualche procariote conosciuto. La teoria endosimbiotica afferma che una popolazione ancestrale di cellule eucariotiche, derivate da batteri anaerobici (senza metabolismo ossidativo), abbia evoluto un nucleo e altre membrane intracellulari da invaginazioni della membrana cellulare. Le cellule di questa popolazione avrebbero acquistato, per ingestione o parassitismo, batteri aerobici che, evitando la digestione, dovrebbero essersi stabiliti nel citoplasma della cellula ospiti.

Il batterio endosimbiotico aerobico avrebbe metabolizzato ossigeno, tossico per il proprio ospite anaerobico, e la cellula ospite anaerobica avrebbe dato ai propri batteri aerobici cibo e protezione fisica. Questo rapporto di mutualismo vantaggio sarebbe stato reso permanente dalla selezione. Tra i risultati di questa simbiosi ci sarebbe la compattezza dell’endosimbionte e la perdita di geni ridondanti con quelli dell’ospite (o viceversa).

I dati raccolti provano la ragionevolezza del meccanismo proposto. I reperti fossili indicano che i batteri sia aerobici sia anaerobici erano presenti già 2,5 miliardi di anni fa e che le cellule contenenti nuclei e membrane interne apparvero per la prima volta in quell’era. Dei batteri sono stati introdotti sperimentalmente in cellule eucariotiche e si sono propagati come unità simbiotiche per molte generazioni. Tali esperimenti hanno dimostrato, inoltre, che la cellula ospite può diventare dipendente dai propri batteri residenti se questi sostituiscono alcune attività metaboliche della cellula ospite con le proprie.

Classificazione del mondo dei viventi

L’uso del microscopio ha consentito l’identificazione di numerosissimi “esseri viventi” che non rientravano nelle tradizionali categorie (dette anche regni, con riferimento a una forma di organizzazione sociale umana un tempo prevalente) di piante (Plantae) e animali (Animalia). Nel 1866 venne proposto il nuovo regno dei protisti (Protista), dove si poteva inserire tutto ciò che non rientrava nei due regni tradizionali. Quando, verso la metà degli anni ’40 del secolo scorso, cominciò ad essere utilizzato il microscopio elettronico, divenne evidente che tra i protisti alcuni avevano strutture intracellulari non dissimili da quelle di piante e animali (nucleo delimitato da una membrana nucleare, complesso sistema di membrane interne, organelli racchiusi in membrane), mentre altri erano privi di tutto ciò. Per questi ultimi fu coniato il termine di procarioti, distinti da tutti gli altri organismi detti eucarioti.

I procarioti dichiararono così l’indipendenza dai protisti, fondando il nuovo regno Monera. Un’ulteriore scissione nel regno dei Protista avvenne quando venne proposto che i funghi venissero raggruppati nel regno indipendente dei funghi (Fungi).

Tuttavia l’unità dei procarioti (Prokarya), comunemente detti anche batteri, era solo apparente. Alcuni “batteri” presentavano caratteristiche abbastanza peculiari (la composizione dei lipidi di membrana, ad esempio). Quando negli anni ’80 Carl Woese iniziò studi filogenetici con metodi molecolari, arrivò alla conclusione che tutti i procarioti non potessero convivere in un unico regno, poiché al loro interno c’erano differenze più grandi di quante non ne esistessero tra gli altri quattro regni (piante, animali, funghi, protisti). Woese propose quindi di riclassificare il mondo vivente in tre “domini”: Eukarya (comprendente i regni di piante, animali, funghi e protisti), Bacteria e Archaea, con questi ultimi derivanti dalla scissione dei procarioti.

Antoni van Leeuwenhoek

Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) fu il primo a descrivere batteri, lieviti e protozoi. Leeuwenhoek si era appassionato alla costruzione di microscopi che potevano raggiungere ingrandimenti di circa 50-300 volte rispetto alle dimensioni reali. Inizialmente il suo interesse per il microscopio era probabilmente legato all’uso di lenti di ingrandimento per esaminare la qualità dei tessuti. Successivamente, essendo dotato di notevole curiosità, egli studiò qualunque oggetto o materiale naturale che potesse essere osservato al microscopio: semi, embrioni di piccoli animali invertebrati, spermatozoi, globuli rossi. La sua fama, tuttavia, è dovuta principalmente alla scoperta del mondo microbico, cioè il mondo degli animalcules, o piccoli animali come venivano allora chiamati, scoperta avvenuta nel 1676 mentre studiava al microscopio alcuni infusi; le descrizioni da lui fatte sono così accurate che da esse è possibile identificare le specie esaminate. L’esplorazione del mondo microbico, iniziata così brillantemente da Leeuwenhoek, restò tuttavia ferma per più di cento anni dopo la sua morte, fino a quando con la disponibilità di microscopi composti si diede inizio a una nuova fase di osservazione del mondo microbico, che si avvalse anche dello sviluppo di nuove tecniche per lo studio dei microrganismi in laboratorio. I più importanti progressi nella costruzione dei microscopi avvennero verso la fine del XIX secolo e coincisero con il periodo di maggior sviluppo della microbiologia come scienza.

Generazione spontanea

Se il microscopio è stato lo strumento indispensabile per “vedere” i microrganismi, la nascita e lo sviluppo della microbiologia hanno richiesto lo sviluppo di strumenti concettuali altrettanto importanti: la teoria cellulare e la teoria della biogenesi. L’idea della generazione spontanea di organismi viventi è antica, semplice, quasi intuitiva. Come la teoria geocentrica tolemaica, anche quella della generazione spontanea è legata alla percezione immediata della realtà: dal formaggio o dalla carne in putrefazione “nascono” le larve di vari insetti, dalle acque stagnanti insetti o girini, e perfino topolini dalle derrate alimentari. Fino alla metà del XVIII secolo, la generazione spontanea non era solo una credenza popolare, ma era presente anche nel dibattito filosofico e scientifico, arrivando a postulare una vis vitalis (forza vitale) responsabile anche di questi fenomeni.

Incredibilmente, la teoria della generazione spontanea non sembrava inconciliabile con le teorie creazioniste dominanti ed era suffragata da esperimenti alquanto discutibili. Uno di questi si basava sulla generazione di larve dalla carne lasciata all’aria senza alcuna protezione. Il medico Francesco Redi (1626-1697) dimostrò, nel 1668, la falsità di questa prova realizzando un esperimento. Egli prese tre pezzi di carne: uno fu lasciato all’aria senza protezione della carta; in questo caso le mosche avevano libero accesso alla carne, su cui deporre le uova. Dopo alcuni giorni si svilupparono larve di mosca. Un secondo recipiente contenente la carne fu sigillato con un foglio di carta che impediva l’ingresso delle mosche (ma anche, come osservato da alcuni, il libero passaggio dell’aria): le larve di mosca non si svilupparono. Un terzo recipiente contenente carne venne ricoperto con una fitta garza che impediva l’ingresso delle mosche ma non il passaggio di aria. Anche in questo caso non si svilupparono larve. Infine prese un pezzo di garza utilizzata per proteggere la carne dalle mosche, la depose su un pezzo di carne fresca e chiuse il tutto in un recipiente sigillato con un foglio di carta. Dopo alcuni giorni si poté osservare la presenza di larve di mosca, evidentemente sviluppatesi da uova precedentemente depositate sulla garza dalle mosche.

Si provava così che le larve potevano derivare solo dalle uova e non dalla carne per generazione spontanea. Con questo esperimento Redi distrusse la credenza dello sviluppo spontaneo dei vermi dalla carne e diede fine al dibattito sulla generazione spontanea, almeno riguardo a organismi di grandi dimensioni.

Nello stesso periodo l’invenzione del microscopio, come accennato sopra, poneva le basi per due “rivoluzioni” nello studio degli organismi viventi. La prima è la teoria cellulare, secondo la quale tutti gli organismi viventi sono costituiti da unità fondamentali dette cellule; la seconda è la scoperta di un mondo prima invisibile, costituito da microrganismi anche unicellulari. Questa seconda scoperta rimise però in gioco la teoria della generazione spontanea, che sembrava ormai insostenibile dopo gli esperimenti di Redi. Infatti, la gran varietà di “animaletti” microscopici che compariva e proliferava nell’acqua piovana, negli infusi di erbe, nei brodi, nel latte, nel cibo deteriorato ecc., poneva il problema della loro origine.

Il dibattito sulla generazione spontanea fu ripreso a metà del Settecento su fronti opposti dal naturalista italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799) e dall’ecclesiastico inglese John Turberville Needham (1713-1781). Quest’ultimo, forte sostenitore della generazione spontanea, osservava che campioni di brodo o infusi bolliti e conservati in fiasche chiuse con tappi di sughero dopo pochi giorni diventavano torbidi per la crescita di svariati tipi di organismi microscopici, nonostante la bollitura avrebbe dovuto uccidere ipotetici “germi vitali”. Needham concludeva che l’intorbidimento del liquido fosse causato dalla generazione spontanea di microrganismi prodotta da una “forza vitale” capace di ricrearli a partire dalla “materia non vivente” contenuta nelle fiasche. Spallanzani, al contrario, bollendo a lungo i campioni di brodo e sigillando ermeticamente alla fiamma le fiasche immediatamente dopo la bollitura, dimostrò che il brodo poteva conservarsi indefinitamente senza che si osservasse crescita di microrganismi. Egli giunse pertanto alla conclusione che la bollitura uccidesse i “germi vitali” presenti nel brodo e che la sigillatura impedisse l’ingresso di nuovi germi capaci di moltiplicarsi nel brodo presenti nell’aria. Il concetto di generazione spontanea, quindi, non poteva applicarsi neppure agli organismi microscopici.

Si obiettava però che la bollitura prolungata avrebbe potuto distruggere la “forza vitale”, o una sua componente, presente nell’aria. Non aiutava inoltre a risolvere la diatriba il fatto che non sempre la bollitura e la chiusura ermetica bastavano a impedire l’intorbidimento del liquido, specialmente quando si usavano infusioni vegetali [solo circa un secolo dopo John Tyndall (1820-1893) dimostrò l’esistenza di spore resistenti alla bollitura, oggi dette endospore, prodotte da alcuni batteri]. Il dibattito sulla generazione spontanea venne chiuso definitivamente con gli esperimenti che Louis Pasteur (1822-1895) condusse verso la metà dell’Ottocento, ponendo così le solide fondamenta su cui poggia la microbiologia. Egli per primo dimostrò con un semplice esperimento che il pulviscolo atmosferico è ricco di microrganismi: filtrò diversi campioni di aria attraverso batuffoli di fulmicotone (nitrocellulosa) che trattenevano le particelle solide; la nitrocellulosa veniva poi sciolta con una miscela di etere e alcol e le particelle solide erano recuperate dopo decantazione. L’analisi al microscopio di questo materiale precipitato rivelava la presenza di numerosi microrganismi che assomigliavano a quelli spesso trovati in materiali in decomposizione. Pasteur comprese che questi microrganismi presenti nell’aria potevano depositarsi su materiali esposti e contaminarli. Sostenuto dall’Accademia di Francia, Pasteur sviluppò altri esperimenti i cui risultati demolirono definitivamente la teoria della generazione spontanea. Al paradigma della teoria cellulare si poteva così aggiungere quello della biogenesi, che si può riassumere nell’aforisma omnis cellula e cellula, omne vivum e vivo (ogni cellula deriva da un’altra cellula, ogni organismo vivente è generato da un altro organismo vivente). Ma la tesi omne vivum e vivo già conteneva in sé la contraddizione riguardo all’origine della vita.

Morfologia, dimensioni e organizzazione delle cellule procariote

I batteri sono invisibili a occhio nudo e hanno generalmente dimensioni lineari (lunghezza o diametro) nell’ordine del micrometro (µm, micron). A parte alcune eccezioni, la tipica dimensione dei batteri va da 0,2 a 2 µm. Questo fa sì che il rapporto superficie/volume delle cellule procariote sia in genere molto più elevato di quello delle cellule eucariote (dimensioni lineari tipiche nell’ordine delle decine di µm), con ovvie conseguenze sulla velocità con cui avvengono gli scambi molecolari tra cellula e ambiente, il trasporto di nutrienti, la crescita, la divisione cellulare e, di conseguenza, anche l’evoluzione.

Essendo per lo più unicellulari, i batteri presentano una limitata varietà di forme: sferoidali, bastoncellari, a virgola, a spirale, filamentose, ramificate ecc. Le forme più comuni sono la forma sferica (o coccoide) e quella bastoncellare, che prendono rispettivamente il nome di cocco e bacillo. I cocchi poi possono essere più o meno ovali e allungati fino a diventare coccobacilli. Quando i cocchi si dividono possono rimanere attaccati in vario modo uno all’altro. Se restano appaiati dopo la divisione si chiamano diplococchi, se formano catenelle si dicono streptococchi. In qualche caso i cocchi si dividono su due piani e restano uniti in gruppi di quattro formando tetradi o si dividono su tre piani formando sarcine costituite da gruppi di otto cellule; se invece formano grappoli irregolari si chiamano stafilococchi. I bacilli possono rimanere appaiati formando diplobacilli o formare catene.