batteriologia

Microbiologia

Introduzione

Definizione di microbiologia: studio dei microrganismi e quindi di qualcosa di piccolo, tanto piccolo da non poter essere visto ad occhio nudo. Un microrganismo è un’entità vivente che è così piccola da non poter essere vista ad occhio nudo.

Potere di risoluzione

Il potere di risoluzione dell’occhio umano è di circa 0,2 mm. Il potere di risoluzione è la capacità di vedere come distinti due punti. Maggiore è il potere di risoluzione, minore è la vicinanza tra i due punti. I microrganismi hanno una dimensione inferiore a 0,2 mm. 1 micrometro è 10^-6, cioè la millesima parte del millimetro. 1 nanometro è 10^-9, cioè la millesima parte del micron. Quando si parla di microrganismi, batteri, funghi o protozoi si parla dell’ordine di grandezza dei micron.

Anche gli antichi avevano supposto l’esistenza di qualche forma di vita tanto piccola che non si poteva vedere ad occhio nudo, ma solo quando abbiamo avuto lo strumento tecnico per migliorare il potere di risoluzione dell’occhio, e per vedere chiaramente, siamo stati certi che esistevano, perché fino ad allora la loro esistenza era stata solo supposta. Questo strumento è il microscopio.

Il microscopio

Il primo microscopio si fa risalire a Galileo. Riproduzione dei primi del ‘700, formato da un tubo con due lenti convesse ai due lati. È poggiato su un supporto che serve per la messa a fuoco. Il potere di risoluzione di questo strumento non era tale da poter vedere i batteri, nemmeno i lieviti, semmai piccoli insetti, protozoi nell’acqua, ma i batteri e i lieviti no.

Successivamente ci fu un miglioramento di questo strumento, con un sistema di illuminazione e lenti migliori, che aumentarono il suo potere di risoluzione. Robert Hooke utilizzò il nuovo microscopio per fare tutta una serie di osservazioni su insetti, protozoi ecc., e pubblicò le osservazioni nel trattato chiamato “Micrografia” del 1665. Hooke, osservando sottili fettine di sughero, vide che c’erano delle cavità che chiamò “cellule”. Fu lui il primo a usare il termine cellula, scoprendo che è l’unità fondamentale degli esseri viventi. Anche lui, tuttavia, non riuscì a vedere batteri e microrganismi più piccoli.

L’olandese Anthony van Leeuwenhoek fu il primo a vedere i microrganismi. Per vedere bene la trama dei tessuti che commerciava progettò uno strumento, costruendo lui stesso le lenti, che erano a differenza delle precedenti di vetro pieno, biconvesse di vetro soffiato. Si vede una piccola lente in cima allo spillo, e questo è il primo microscopio con il quale sono stati visti i batteri. Questo sistema di viti serviva per la messa a fuoco, e questo olandese disegnava quello che vedeva. Fu il primo che disegnò bacilli, cocchi raggruppati tra loro (gli stafilococchi) o a catenelle (streptococchi), e questi suoi disegni li raccolse e li mandò alla Royal Society, e ancora sono visibili.

Costruì molti altri strumenti, come la scatola magica (lanterna magica). Il pittore Vermeer per dipingere usa una scatola all’interno della quale è riprodotta la scena che vuole dipingere. Con un sistema di lenti riesce a vedere e riprodurre nella scatola la scena esterna.

La controversia sulla generazione spontanea

Una delle diatribe andate avanti per secoli è la controversia sulla generazione spontanea. Il primo fu Aristotele a dire che gli animali non molto evoluti potevano svilupparsi in particolari situazioni ambientali, le rane dal terreno umido, i topi dal grano in putrefazione ecc. Questa teoria riguardante gli animali meno evoluti, o anche gli insetti, andò avanti fino a quasi la fine del XVII secolo. Il primo che tentò di confutare in modo scientifico questa teoria fu Francesco Redi con l’esperimento dei due contenitori con la carne, uno coperto con la garza e uno no, tenuti all’aria per settimane. Quello coperto con la garza imputridisce, in quello tenuto all’aria si sviluppano delle larve. Redi disse che in quello con la garza non si era sviluppato niente perché la mosca non era potuta andare a farci le uova, quindi aveva confutato la teoria della generazione spontanea.

Però l’avvento del microscopio cambiò questa teoria. Le osservazioni di John Needam servirono per dire che sì, le mosche e le larve non si sono sviluppate, ma si sono sviluppati i batteri, i microrganismi, perché prendendo questa carne lui vide che c’erano degli esseri viventi, qualcosa che si muoveva.

Un italiano, Spallanzani, vide che se il brodo di carne veniva messo in delle beute, poi fatto bollire e chiuso ermeticamente, non si sviluppavano i batteri, ma i suoi detrattori dissero ok, l’hai tappato ermeticamente quindi la linfa vitale, lo spirito vitale presente nell’aria non è potuto arrivare al brodo per far sviluppare i microrganismi.

Quello che confutò definitivamente la teoria della generazione spontanea fu Pasteur, francese. Si specializzò in chimica. Fece l’esperimento mostrato a destra. Il suo merito fu anche quello di aver inventato il metodo per studiare i microrganismi. Si rifece all’esperimento di Spallanzani, prese una fiasca e vi mise del brodo di carne, e piegò il collo della fiasca in modo da fare una doppia curva, poi fece bollire il liquido, e lasciò la fiasca all’aria. Vide che anche dopo tanto tempo il liquido non si intorbidiva, e non c’erano microrganismi all’interno del liquido, questo perché l’aria prima di arrivare al brodo fa un percorso molto lungo, per cui nel collo della fiasca, nel vetro, vi si depositano le particelle in sospensione e tra queste anche i microrganismi, che sono veicolati dalle particelle in sospensione presenti nell’aria, per cui non riescono ad arrivare al brodo. Se poi si inclina la fiasca e si fa sì che il brodo vada a contatto con il materiale depositato, dopo poco tempo i batteri cominciano a moltiplicarsi e si vede l’intorbidamento del liquido. Quindi in questo modo Pasteur aveva completamente confutato la teoria della generazione spontanea.

Venne chiamato da delle aziende vinicole francesi per capire come mai il mosto diventava aceto. Pasteur cominciò a studiare cosa richiedeva il mosto, e vide che c’erano due tipi di microrganismi: un tipo più grosso che si vedeva molto bene al microscopio, che quando era presente, il mosto non diventava aceto. Un altro tipo più piccolo, che quando presente, il mosto diventava aceto. I primi erano i lieviti, e i secondi i batteri. I primi facevano la fermentazione alcolica, e quindi usciva il vino buono, e i secondi facevano la fermentazione acetica. Pubblicò questa sua teoria intorno al 1850, e dalla pubblicazione si fa risalire l’inizio della microbiologia, scienza relativamente moderna.

Non si limitò solo agli studi sulle fermentazioni, ma studiò diverse malattie. Quella del baco da seta, il carbonchio Bacillus Antracis, colore nero, perché gli animali che ne morivano avevano la milza nera, il sangue nero. È una malattia che colpiva anche l’uomo, ma soprattutto gli animali d’allevamento. Pasteur fu chiamato a capire se si poteva fare qualcosa per poter evitare questa malattia. Egli cominciò a fare degli esperimenti con gli animali da laboratorio, e vide che i volatili non si infettavano con questo microrganismo, e pensò che questo fosse dovuto alla temperatura corporea. I polli hanno una temperatura corporea più elevata, intorno ai 40 gradi, e quindi il batterio a quella temperatura forse non si moltiplicava bene e non dava la malattia.

Fece molti esperimenti con i polli, finché non riuscì a far adattare i batteri in modo da svilupparsi in questi animali, però una volta ripreso da questi animali e passato al bovino, il batterio aveva perso la capacità di dare malattia anche nel bovino. In questo modo aveva costruito un vaccino per il carbonchio, costituito da un microrganismo che oggi si dice “attenuato”, cioè costituito da un microrganismo ancora vivo che ha perso la capacità di dare malattia, però ha ancora una certa capacità di moltiplicarsi, e quindi di stimolare il sistema immunitario in modo che ci sia, da parte di chi riceve il vaccino, una risposta immunitaria tale che lo protegga quando viene infettato dal batterio selvaggio, patogeno.

“Vaccino” in onore di Jenner, il primo che ha utilizzato la vaccinazione per indurre questo stato immunitario di resistenza verso la malattia, utilizzò il vaiolo vaccino, immunizzando contro il vaiolo, perché aveva visto che le lattaie che mungevano le vacche che avevano il vaiolo vaccino avevano sì una piccola infezione, ma poi si risolveva così, ed erano immuni dal vaiolo umano. Per cui pensò di utilizzare questo vaiolo delle mucche per infettare le persone, così con la reazione sarebbero diventate resistenti al vaiolo umano letale. Fece la prima vaccinazione a un bambino.

Anche Pasteur usò un bambino per il vaccino contro la rabbia, malattia virale, e all’epoca dei virus non si sapeva niente, si pensava che tutte le malattie infettive fossero causate da batteri. Pasteur per analogia al carbonchio, fece qualcosa per diminuire la patogenicità di questa entità che causava la rabbia. Malattia trasmessa dal morso dei carnivori, cani in particolare, e il virus si localizza nel sistema nervoso. Gli erbivori sono meno suscettibili. Pasteur infettò dei conigli, seccò il loro midollo spinale, e con questo preparò dose scalari – cominciò con una piccola quantità di questo midollo secco, poi sempre di più – per immunizzare un bambino che era stato morso da un cane, e riuscì a salvarlo, questo perché la rabbia ha un tempo di incubazione molto lungo, e permette con la vaccinazione alle difese immunitarie di formarsi in modo da contrastare il virus.

Associazione dei microrganismi con la malattia

Non era una cosa scontata. Un tempo si pensava che le malattie fossero una punizione divina, la perdita dell’anima, il contrasto tra forze opposte presenti nel nostro corpo, la presenza del demonio nel corpo, e quando andava bene si usavano dei rimedi naturali, ma in altri casi si usavano pratiche pericolose come la trapanazione del cranio, o il salasso = tolto il sangue al malato per portare via gli umori cattivi.

Negli anni passati, anche nell’antichità, c’erano comunque state delle intuizioni in questo senso, Lucrezio, fra Castoro… soprattutto per osservazioni di tipo epidemiologico, come la malattia si trasmette da una persona all’altra. Avevano fatto delle ipotesi che queste si trasmettessero per qualcosa che era presente nell’aria.

Agostino Bassi fu il primo a stabilire che una malattia era causata da un microrganismo. Anche stavolta si parla di bachi da seta, rendevano molto e venivano molto studiati. Egli scoprì che una malattia del baco da seta era causata da un fungo, la Beauveria Bassiana.

Un medico ungherese Semmelweis, vissuto tra metà e inizio ‘900, lavorava in un ospedale e fece delle osservazioni sulle puerpere. Vide che le donne che partorivano in ospedale si ammalavano molto più spesso di febbre puerperale rispetto alle donne che partorivano a casa. Questa febbre era una malattia gravissima, un’infezione che partiva dall’utero dove ci sono le lesioni dovute al parto, per poi diventare setticemia e diffondersi a tutto l’organismo attraverso il sistema circolatorio, con alta mortalità.

Egli vide che i medici, prima di andare a visitare le partorienti, avevano fatto autopsie, e in questo modo lui pensò che trasportassero qualcosa dal cadavere alla donna, e impose a tutti i medici, prima di andare a visitare le donne, di disinfettarsi le mani con un disinfettante forte, il cloruro di calcio. Osservò che l’incidenza delle febbri si ridusse molto. Però fu molto criticato dai contemporanei, i medici avevano l’impressione di venire sminuiti, così alla fine fu licenziato.

Un altro che fece osservazioni interessanti sui microbi come causa di malattia fu Joseph Lister, che era un medico chirurgo inglese, che operò soprattutto in tempo di guerra, e faceva molte amputazioni. Fece delle osservazioni sulle infezioni delle ferite chirurgiche, e vide che se si bollivano i ferri, si applicavano garze imbevute di acido fenico sulle ferite, e non si metteva la ferita a contatto con l’aria, queste si infettava molto meno e guariva più rapidamente.

Altro personaggio che sancì il collegamento tra presenza di microrganismi e malattia è Robert Koch, quasi contemporaneo di Pasteur. Egli studiò diverse malattie, come la tubercolosi. Utilizzava a differenza di Pasteur che utilizzava brodi, i terreni solidi, che gli permettevano di ottenere microrganismi in coltura pura, perché si formavano le colonie. Se su un terreno solido si mette una certa sospensione di microrganismo, le cellule del microrganismo si dividono l’una dall’altra, una cellula comincia a moltiplicarsi, fino a che si forma un mucchio di microrganismi che si vedono ad occhio nudo, e quella è la colonia. La colonia però deriva da una sola cellula, e quindi è praticamente un clone, è una coltura pura, sono cellule tutte uguali che derivano da un’unica cellula progenitrice, per cui si possono studiare meglio. Mentre in un brodo di coltura, si mescola tutto, ed è più difficile ottenere una coltura pura.

Il primo terreno solido che utilizzò fu la patata, però la patata non era un buon substrato. Poi iniziò a cercare di far diventare solidi i brodi di Pasteur, utilizzò all’inizio la gelatina, ma a 37 gradi è piuttosto fluida, e lui studiava microrganismi patogeni per l’uomo, quindi microrganismi che dovevano essere capaci di svilupparsi a 37 gradi, quindi la gelatina non gli andava bene, e inoltre parecchi microrganismi sono in grado di metabolizzarla. Ci fu la moglie di un suo assistente, che gli suggerì di utilizzare l’agar, perché lei la usava per fare budini e gelatine. È un polisaccaride che viene estratto dalle alghe, che è abbastanza inerte, i microrganismi non lo metabolizzano per la maggior parte, ed è piuttosto solido a 37 gradi, per cui questo terreno solido veniva fatto aggiungendo ai brodi di Pasteur l’agar. Poi un suo collaboratore progettò anche dei piattini di vetro con il coperchio, nei quali poter colare ancora caldo questo terreno di coltura con l’agar dentro, e poi venivano coperti in modo da prevenire il contatto con l’aria. Queste sono le capsule di Petri, ancora oggi utilizzate, non più di vetro ma di plastica. Petri era il suo assistente, che aveva progettato queste piastre.

Koch studiò varie malattie, e questo lo portò a formulare i cosiddetti 4 postulati. Se un microrganismo rispetta questi 4 postulati, si può concludere che è l’agente eziologico di quella determinata malattia infettiva. I 4 postulati quali sono? Si parte dall’animale malato e dall’animale sano. Si fa un prelievo di un qualche liquido biologico o tessuto, e si deve vedere che dall’animale malato, in tutti i casi nel preparato, si vedono i microrganismi sospetti patogeni, mentre nell’animale sano non si vedono. In questo caso sono prelievi di sangue. In tutti i casi vediamo il sospetto patogeno, dai sani mai. Se lo si mette in coltura si deve sviluppare una coltura pura, senza altri microrganismi. In più, se prendo i microrganismi dalla coltura pura e li inoculo in un altro animale, questo si ammala della stessa malattia, e dal suo sangue vedo di nuovo il sospetto patogeno, e lo posso coltivare di nuovo in coltura pura.

I 4 postulati gli permisero di identificare l’agente della tubercolosi, molto lento nello svilupparsi, per cui fu difficile capire che era proprio lui il responsabile della tubercolosi. Però non sono universalmente validi questi postulati. Alcuni microrganismi non si coltivano in laboratorio, come il micobatterio responsabile della lebbra. O altri microrganismi non hanno un animale da esperimento sensibile alla loro infezione, quindi non si possono verificare tutti i postulati, per non parlare dei virus. Per l’epoca fu una teorizzazione molto importante.

Scoperta degli antibiotici

Altre tappe fondamentali sono la scoperta degli antibiotici da parte di Fleming. Aveva dimenticato nel laboratorio delle piastre dove aveva coltivato degli stafilococchi, quando tornò a guardarle vide che una si era inquinata con una muffa ambientale, e che intorno alla muffa non c’era nessuno sviluppo di stafilococchi. Concluse che la muffa aveva prodotto una sostanza che era capace di impedire la moltiplicazione degli stafilococchi. Fece esperimenti successivi ma sempre limitati, che confermarono queste osservazioni, e siccome la muffa era un penicillum, chiamò la sostanza “penicillina”. Però le sue osservazioni si fermarono qui. Lui lavorava in un piccolo laboratorio con pochi mezzi, il suo direttore ritenne la sua scoperta di scarso interesse, così furono abbandonate le ricerche su questa sostanza (1928). La sostanza venne poi isolata e purificata intorno agli anni ’40 in America, e fu utilizzata in larga scala per la prima volta durante la seconda guerra mondiale, ed era talmente preziosa che veniva ri-estratta dall’urina di quelli che ne venivano trattati.

Altre tappe fondamentali riguardano lo studio dei microrganismi nell’ambiente. Due scienziati Sergei Vinogradsky e Martinus Beijerinck studiarono i microrganismi dell’ambiente. Il primo è un russo, e studiò soprattutto i microrganismi del suolo, e vide cose che non si pensava potessero esistere. Vide che questi microrganismi erano capaci di fare dei processi metabolici che non si pensava nemmeno che esistessero, come i microrganismi capaci di fissare l’azoto atmosferico, e renderlo utilizzabile da parte di altri organismi. Il secondo studiò i cicli metabolici di questi microrganismi.