Appunti di Microbiologia (professor Mastromei)

Microbiologia

Storia della microbiologia

La microbiologia come disciplina scientifica è una materia relativamente giovane. Il problema dell'affermarsi della microbiologia come disciplina è l'oggetto dello studio. La microbiologia studia e descrive forme di vita piccole, che nella maggior parte dei casi non sono visibili a occhio nudo. Quindi ciò che noi non vediamo, abbiamo la tendenza a dire che non esiste. Già dai filosofi greci c’era la sensazione di dire che c'era qualcosa di molto piccolo che causava problemi. In modo empirico l'uomo ha sempre utilizzato i microrganismi, ad esempio per fare il formaggio, il vino e il pane.

Antoni van Leeuwenhoek e il primo microscopio

Si inizia a parlare di microbiologia con l'avvento dei microscopi. Il primo strumento che ha fatto sì che si vedessero i microrganismi è il microscopio. Nel 1700 Leeuwenhoek, ricco mercante olandese con la passione delle scienze naturali, si pose una domanda, “se c'è una pozzanghera, per caso ci può essere vita all'interno di questa pozzanghera qualcosa che io non vedo. Come posso fare?” sviluppa allora uno strumento particolare. Lo strumento di Leeuwenhoek faceva sì che in corrispondenza dell'occhio c'era una lente che ingrandiva e il campione era montato su uno spillo. La lente era montata su un foro. Il campione su uno spillo e la messa a fuoco avviene attraverso tutta una serie di viti, che consentiva di spostare il campione per metterlo a fuoco.

Leeuwenhoek ha costruito tutti i suoi strumenti manualmente. Costruiva tutti gli strumenti in base al campione che doveva osservare. Strumenti diversi per campioni differenti (circa un centinaio). Leeuwenhoek scrisse tutta una serie di lettere descrivendo quello che aveva fatto e quello che osservava destinate all’accademia delle scienze reali Inglese. Per Scienze Reali si intende la nobiltà inglese che si dilettava in scienze. Chiaramente le lettere che provenivano da un plebeo, un commerciante non erano degne di nota, ma queste lettere non venivano cestinate, bensì archiviate. Negli archivi quindi si sono ritrovate le sue lettere. Ha disegnato le forme che lui vedeva degli organismi, addirittura ha osservato che si potevano muovere spostare. Questi strumenti riuscivano ad avere un potere di ingrandimento fino a 300 volte. Il limite di ingrandimento di un microscopio ottico, oggigiorno, è di circa 1000/1100 volte. Per cui, lo strumento di Leeuwenhoek era uno strumento valido (abbastanza potente da poter distinguere i microrganismi nella goccia d’acqua, e anche a disegnarli).

Generazione spontanea, Spallanzani e Redi

Nello stesso periodo di Leeuwenhoek è attiva una grossa discussione scientifico-filosofica che riguarda una diatriba sulla “generazione spontanea”. Cioè la domanda che veniva discussa è: da dove venissero gli organismi viventi, anche quelli più piccoli?

Nella teoria della generazione spontanea alcuni sostenevano che “alcuni organismi viventi in particolare le mosche ad esempio potevano nascere, generarsi da materia organica in decomposizione/putrefazione”. L'esempio che loro portavano era prendere un pezzo di carne, lasciarlo in un posto e dopo pochi giorni si riempie di mosche.

In questa discussione entrano Spallanzani e Redi, due scienziati italiani. Redi, per dimostrare il contrario, prende un retino abbastanza fitto, copre il pezzo di carne e guarda caso da quel pezzo di carne non nascono mosche. Non nascono mosche perché il retino è fitto e impedisce alle mosche di posarsi e depositare le uova. La teoria della generazione spontanea fu quindi confutata per organismi come gli insetti, ecc.

Ma i sostenitori della teoria della generazione spontanea sostenevano che i batteri si formassero spontaneamente, portando come esempio il brodo di carne, che una volta fatto e lasciato aperto per qualche giorno era pieno di colonie batteriche. Quindi i sostenitori di questa teoria affermavano che valeva per i microrganismi.

Spallanzani allora prepara il suo brodo, lo prende, lo mette in un contenitore, lo chiude con un tappo ermetico, scalda il barattolo e lo lascia lì e i batteri non si formano. Il brodo resta limpido. Spallanzani dice che i batteri non si riproducono spontaneamente ma ci sono arrivati dall'aria e poi si riproducono (quindi in pratica i microrganismi crescono se ci sono stati altri microrganismi). Spallanzani ha fatto l'esperimento per confutare la teoria della generazione spontanea, l'ha pubblicato e l’ha diffuso.

Appert e l’introduzione del cibo in scatola

Uno scienziato francese, Appert, legge il lavoro di Spallanzani e pensa che sia una buona cosa prendere gli alimenti e chiuderli in contenitori ermetici e scaldarli così da far fuori i microrganismi (quindi l’alimento non viene consumato da loro ma da noi) e far durare di più un alimento e così è (ha inventato il cibo in scatola in pratica). Alcuni studiosi della scienza che analizzano il periodo storico in cui vive Appert fanno un ulteriore passo che può essere vero, non vero o in parte vero, sul fatto che Appert sia parte della causa della sconfitta di Napoleone, vivendo nell'età napoleonica, nel periodo in cui Napoleone sta studiando la possibilità di una Campagna di Russia, uno dei problemi fondamentali del periodo era quello di dar da mangiare alle truppe (che erano molto lontano dal fonte di cibo, avevano bisogno appunto del cibo in scatola). Come assicurare la possibilità delle vettovaglie alle truppe che sono così lontane? La possibilità di conservare gli alimenti a lungo con questo sistema potrebbe aver influito sulla scelta di Napoleone di svolgere poi questa campagna.

I sostenitori della teoria generazione-spontanea concordano in parte con l'idea di Spallanzani ma dicono che manca l'aria, serve l'ossigeno per la vita. Quindi questo è il motivo per cui il brodo resta limpido.

Pasteur

Arriva Pasteur, padre della microbiologia assieme a Koch, fa un ulteriore esperimento (ripete quello di Spallanzani), mette il suo brodo all'interno di palloni di vetro (fiaschi), poi il collo di questo fiasco viene piegato con il calore: il collo è molto lungo e non è sigillato e quindi è aperto a “collo di cigno” però questa è una piegatura che non sigilla, non chiude, quindi non separa dall’aria. Poi scalda, il calore uccide i microrganismi presenti e poi lascia lì questo pallone e il brodo resta limpido a tempo indeterminato. Il contatto con l'aria c'è quindi, questa è la prova finale che la teoria della generazione spontanea non ha ragione di esistere perché in questo caso l'aria arriva, ma gli organismi sono stati uccisi, non ne arrivano di nuovi, per cui questo resta limpido. La cosa ancora più importante è che ad un certo punto se uno prende questo pallone e lo inclina, fa arrivare il liquido nella parte iniziale del collo e poi lo raddrizza. In breve tempo questi palloni, il brodo che diventa il terreno dei microrganismi, viene colonizzato da batteri perché i microrganismi ci sono, sono presenti nell'aria e l'aria che entra nel pallone se li porta dietro, ma poiché il percorso è a curve, l’aria non ce la fa a trasportarli e li deposita nella parte iniziale di questo collo.

Pasteur dimostra che i microorganismi sono presenti nell'aria. Questo è molto importante perché ci permette di passare al lato pratico della microbiologia. Pasteur: individua l’importanza dei microrganismi nelle malattie infettive e nei processi industriali. Quindi lui fu tra i primi a capire che i microrganismi erano dietro anche alle malattie. La tecnologia per curare queste malattie non esiste ancora. Quindi inizia l’era dell’igiene pubblica. Pasteur è il primo che studia l'uso industriale dei microrganismi. Lui studia in modo preciso i lieviti e le loro funzioni, a livello industriale. Nello stesso tempo, studia il rapporto tra i microrganismi e le malattie infettive. Pasteur visse nella metà dell'ottocento quando in Europa paese industrializzato, all’avanguardia giravano come malattie il colera, la peste, tubercolosi, tifo. Malattie che oggi sono quasi sconosciute, a quel tempo c'erano le epidemie di queste. Pasteur capisce che queste sono malattie infettive, c’è quindi una trasmissione. Una malattia di tifo a Londra, grazie ai suoi studi era imputabile ad un pozzo con acqua inquinata di microrganismi. Purtroppo ci vorranno più di 100 anni prima di trovare una cura per queste malattie. La tubercolosi invece era veramente una piaga sociale, colpiva in modo estremamente ampio e brutto le persone più deboli. Pasteur inizia a sviluppare le modalità di trasmissione. Altri studi che hanno seguito le orme di Pasteur riescono a scoprire la sorgente dell'epidemia di peste in un pozzo contaminato da roditori. Bloccando quel pozzo hanno ridotto anche l'epidemia di tifo. La peste viene trasmessa da pulci infette dei ratti (ospite del batterio della peste), l’agente eziologico è Yersinia pestis.

Lister

In sala operatoria, nell’800, il chirurgo era ancora un segaossa, era quello che era bravo ad amputare un arto e la bravura risiedeva nella capacità di farlo il più velocemente possibile perché il paziente era sveglio (ancora non c’era l’anestesia, quindi si andava avanti a whisky e a botte in capo). Agli inizi del 1800 la chimica scopre le proprietà del cloroformio, dell’etere che hanno proprietà di addormentare. Il chirurgo poteva anche effettuare operazioni più complesse, il problema era che il paziente puntualmente moriva, perché si sviluppavano infezioni (ogni paziente moriva). A metà del 1800 un medico inglese, Lister propone, dopo aver letto il saggio di Pasteur in cui dice che ci sono i microrganismi nell'aria, di trattare l'aria in cui si opera con uno spray al fenolo. Il fenolo è una molecola potentissima antimicrobica molto efficace. Ben presto, le operazioni fatte in queste condizioni, avevano risultati decisamente superiori rispetto a prima (problemi ci saranno sempre, perché ancora non ci sono gli antibiotici). Si iniziano a avere le prime basi di asepsi chirurgica ma ci vorranno anni. Ancora nei primi anni '90 negli ospedali passavano le ostetriche o i medici, da una partoriente all’altra senza mai lavarsi le mani, il risultato è che c'era una forte mortalità per febbre puerperale, cioè malattie infettive dovute a questa scarsa igiene. IS: Lister nel 1867 introduce l’asepsi chirurgica a base di fenolo.

Koch padre della microbiologia

Koch è il padre della batteriologia medica, mette le basi molto precise e organizzate dello studio dei batteri in campo medico. Sviluppa quelli che sono i postulati di Koch. Koch studia la tubercolosi polmonare, l'agente responsabile della tubercolosi è il bacillo della tubercolosi, Mycobacterium tuberculosis. Il bacillo della tubercolosi è un bacillo molto fastidioso da crescere, ha una crescita lenta e se non si sta attenti l'ambiente in cui viene fatto crescere è facilmente contaminato da altri organismi che crescono più velocemente. Lui dimostra una serie di postulati per provare in modo inequivocabile che il bacillo della tubercolosi è responsabile della malattia:

• Il primo microrganismo usato deve essere presente in ogni caso della malattia ma non deve essere presente negli organismi sani. Koch per dimostrare questo, sviluppa una tecnica di colorazione specifica tutt'ora utilizza per individuare il bacillo della tubercolosi in campioni di tessuto polmonare o sputo. Lui dimostra che il batterio Tubercolosis è presente negli individui malati ma non è presente negli individui sani, attraverso la semplice colorazione, se si colora, l’individuo era malato senno no.
• Va isolato e coltivato in coltura pura cioè solo lui senza la presenza di altri microrganismi. Koch lo fa utilizzando un terreno a base di sangue coagulato perché creano un ambiente favorevole (agarsangue).
• Questo microrganismo cresciuto in laboratorio deve essere inoculato in animali di laboratorio e deve sviluppare la stessa malattia. Koch prende delle cavie nelle quali inocula il microrganismo cresciuto precedentemente, queste si ammalano di tubercolosi (questo passaggio non sempre è possibile farlo, vedi più avanti il sistema immunitario, diciamo che con Mycobacterium tuberculosis si può fare).
• Da questi animali ammalati deve essere isolato lo stesso microrganismo. Lui lo dimostra e chiude il ciclo.

Questo è l’iter tutt’ora in uso (per certe malattie) che viene utilizzato per vedere la relazione tra un microrganismo e una determinata malattia. IS: Koch dimostra che dietro ad una malattia c’è un microrganismo.

Caratteristiche dei microrganismi

• Sono all'origine di tutte le forme viventi, la cellula procariota è il primo tipo di cellula che compare e solo dopo questo periodo di tempo compaiono anche le cellule eucariote.
• La diversità tra i vari tipi di microrganismi (filogenetica) è molto molto più ampia rispetto a quella vegetale e animale. La variabilità genetica è generata dalla riproduzione che a sua volta ha bisogno del tempo. Più divisioni ci sono più variabilità è creata. I batteri dividendosi ogni 30/60 minuti ovviamente creano più variabilità. Sull’evoluzione gioca molto il numero di individui, pensa al fatto che in un volume molto piccolo ci possono essere miliardi di individui.
• Sono estremamente numerosi.
• Sono ovunque in qualunque posto in cui ci sia acqua allo stato liquido. Crescono in qualunque ambiente, a patto che ci sia acqua allo stato liquido (se congeliamo loro restano li, non si possono riprodurre, l’acqua è necessaria per l’aumento di volume).
• Sono necessari per le trasformazioni della materia necessaria per la vita (cicli della materia).
• Modificano la Geosfera, sono coinvolte nella formazione di montagne, rocce e altri tipi di minerali.
• Possono influenzare il clima, cioè possono formare nuvole, quindi poco sole in certe zone del pianeta.
• Sono coinvolti in simbiosi con piante e animale. Questa simbiosi è fondamentale per la vita.
• Possono causare malattie.
• In alcuni casi, è stato visto che possono influenzare il comportamento delle piante o degli animali perché la loro riproduzione, simbionti, all'interno dell'organismo possono rilasciare molecole che poi vanno a influenzare il comportamento o dell'organismo vegetale o animale.

Uso dei microrganismi

Si ha un enorme uso dei microrganismi in vari settori, l'uso dei microrganismi è ampiamente diffuso:

• A livello industriale, molte volte sono utilizzati per svolgere reazioni chimiche di rilevante importanza industriale. Ci sono dei processi industriali dove la reazione biologica operata dai microrganismi o da enzimi prodotti dai microrganismi è interconnessa con pure reazioni chimiche. A esempio la sintesi del cortisone a livello chimico: Il costo è stato notevolmente abbassato soprattutto perché uno dei passaggi difficili di questa reazione chimica è stato reso più semplice usando gli enzimi di origine microbica (in pratica la resa della reazione senza microrganismi è bassa, perché magari c’è uno step difficile da ottenere, ma con i microrganismi il problema non si presenta). A livello industriale, i microrganismi vengono utilizzati per superare passaggi che la pura reazione chimica rallenterebbe.
• La modificazione genetica dei microrganismi ormai è ampiamente discussa come strumento per arrivare a qualcosa o come strumento fine a se stesso per contenere la produzione di qualche molecola. Es. insulina per diabetici. Oppure i vaccini.
• A livello alimentare, il loro uso è usato dalla notte dei tempi. Possono migliorare la produzione e conservazione degli alimenti. Ad esempio, il latte fermentato, lo yogurt etc. Da un punto di vista storico, che vantaggio ha questo cambiamento delle caratteristiche del latte? Il latte è un alimento estremamente ricco è un ambiente meraviglioso per la proliferazione di un numero enorme di microrganismi. Quando noi diciamo che il latte è andato a male vuol dire che il lattobacilli che ci sono dentro hanno fatto la fermentazione acida e lo hanno rovinato come gusto. Questi succede in frigo. A temperatura ambiente, se avviene questa fermentazione, viene cambiato il pH del latte. Nelle popolazione nomadi del deserto, che vivono in zone estremamente calde, scoprono che se lo fanno fermentare cambia il pH e si conserva molto più a lungo, si forma appunto lo yogurt. È cambiato l’ambiente (è acido) i microrganismi non possono più proliferare quindi dura più a lungo. Un altro esempio, sono i crauti. I crauti sono cavoli che sono stati fatti fermentare. C'è una fermentazione microbica. Il risultato di questo processo è avere questa verdura che si mantiene molto più a lungo. Perché è tipico del nord Europa? Andando indietro nel tempo, quando la navigazione era a vela e i marinai partivano e stavano in mare per tanto tempo, una malattia di cui soffrivano era lo Scorbuto, dovuto dalla mancanza di vitamina C. La vitamina C è presente negli agrumi ma anche nei cavoli cappuccio ma cresce solo nel periodo estivo, per conservarlo più a lungo (le popolazioni nordiche) hanno sviluppato questo metodo di conservazione (quindi possono avere un buon apporto di vitamina C anche in periodi in cui il cavolo effettivamente non c’è oppure ormai è finito, grazie appunto ai crauti).
• Possono costituire una importanza in campo ambientale, della salute pubblica, ovvero il biorisanamento di siti inquinati, oppure per la salute pubblica attraverso impianti di depurazione delle acque. Ad esempio