Microbiologia

Microbiologia

Introduzione e principali temi della microbiologia

Di cosa si occupa la microbiologia? La microbiologia studia i sistemi cellulari presenti sul Pianeta: batteri, alghe unicellulari, protozoi, funghi (per cui lieviti, basidiomiceti…), archea (“terzo ramo della vita”) e virus. Trattare la microbiologia significa anche studiare l’origine della vita e l’evoluzione. La microbiologia, infatti, studia anche la diversità e l’evoluzione delle cellule microbiche, come e perché sono comparsi differenti tipi di microrganismi. La microbiologia abbraccia anche l’ecologia, quindi si occupa anche di dove i microrganismi vivono sulla Terra, di come si associano e collaborano.

La microbiologia è una scienza che ruota attorno a due temi fondamentali:

• Comprendere la natura e i fenomeni del mondo microbico.
• Applicare la nostra conoscenza del mondo microbico a beneficio delle necessità dell’uomo e del nostro pianeta.

Nelle biotecnologie la microbiologia ha un aspetto anche pratico: è possibile sfruttare il metabolismo dei moo in senso pratico (nei detersivi ci sono sostanze antibatteriche, antifungine…). Le biotecnologie poi si pongono come obiettivo sfruttare moo naturali o modificati in campo medico o ambientale (biocarburanti).

La microbiologia si può dividere in:

• Microbiologia generale, studio di base:
  • Rispetto al gruppo microbico (batteriologia, micologia, virologia, algologia, protozoologia).
  • Rispetto al carattere biologico indagato (citologia microbica, genetica microbica, fisiologia microbica…).
• Microbiologia applicata, possibile ovviamente se si conosce quella generale, mi dà le basi per poter dare applicazioni (microbiologia medico-veterinaria, microbiologia agro-ambientale…).

Che ruolo hanno i moo nel Pianeta?

I moo esistono sulla Terra da miliardi di anni, prima che comparissero piante e animali. Sebbene siano le più piccole forme di vita, collettivamente costituiscono la maggior parte della biomassa sulla Terra ed effettuano molte reazioni chimiche necessarie agli organismi superiori:

• Fotosintesi (capacità di ricavare energia da una fonte inesauribile).
• Fissazione del carbonio.
• Fissazione dell’azoto molecolare in ammonio.

Ogni moo ha le sue caratteristiche, ma una cosa importante è che vivono in comunità, come se fossero un superorganismo. Mentre prima si studiavano i moo come unità singole e indipendenti, oggi si sa che essi in realtà interagiscono con l’ambiente, con gli organismi superiori e con altri moo. Le popolazioni microbiche possono interagire tra loro in modo vantaggioso, neutrale o dannoso. Per esempio, i prodotti di scarto del metabolismo di un gruppo di organismo possono rappresentare sia un nutriente sia un veleno per un altro gruppo. Gli habitat possono essere radicalmente diversi nelle loro caratteristiche: un habitat favorevole per la crescita di un organismo può essere dannoso per un altro. Il risultato di queste interazioni non è la somma delle varie parti. Si parla di relazioni sistemiche. Le caratteristiche emergenti di sistema sono caratteristiche che vengono fuori quando si prende in considerazione l’intero sistema ma che non emergono se si considera un solo elemento del sistema. Pertanto i vari microambienti sono importanti. In ogni modo per conoscere e studiare un’interazione microbica è necessario studiare prima singolarmente ciascun organismo.

Quanti sono i moo del Pianeta?

Sul pianeta terra: 5 x 10¹⁰. Oceano: 10 milioni in un mL d’acqua. Suolo: 40 milioni in un g di suolo (più che in acqua, perché una base solida favorisce le interazioni tra moo). Corpo umano: 40 milioni in un mL di saliva, 100 trilioni nella flora intestinale, 10% del peso secco. C’è chi afferma che il numero di moo supera il numero delle nostre cellule. Si dice che conosciamo solo circa l’1% di tutti i microrganismi terrestri. Le tecniche di isolamento e identificazione sono varie.

La metagenomica è lo studio dei microrganismi e delle loro colonie nel loro particolare habitat. Tutti i geni che si trovano all’interno di una comunità microbica compongono il metagenoma. La metagenomica utilizza le tecniche genomiche moderne per lo studio di comunità microbiche direttamente nel loro ambiente naturale, evitando così il problema del prelevamento e della coltivazione in laboratorio. Esistono microrganismi non coltivabili in laboratorio.

Identificazione di nuovi microrganismi/comunità

Con l’acronimo VBNC (Viable But Not Culturable) si indica uno stato che possono assumere molte specie di batteri in risposta a situazioni di stress determinate da condizioni ambientali, come la mancanza di nutrienti o l'aumento della temperatura, oppure dalla presenza di alcune sostanze chimiche (come gli antibiotici). Lo stato VBNC prevede una serie di cambiamenti nella morfologia e nella fisiologia della cellula, finalizzati alla sua sopravvivenza in condizioni avverse.

iChip e la possibilità dello studio di specie non coltivabili. Per definizione, un batterio in stato VBNC è metabolicamente attivo ma incapace di riprodursi. Per questo motivo, il microrganismo non può essere coltivato. Quando le condizioni ritornano alla normalità, la cellula può ritornare al suo stato vegetativo (coltivabile), attraverso un processo di riattivazione che viene chiamato talvolta "resurrezione". iChip è un dispositivo molto semplice costituito da una serie di membrane che vengono usate in modo simultaneo per isolare e crescere batteri non coltivabili.

Moltissimi batteri sono presenti nel terreno e molti risultano vulnerabili agli antibiotici. In ogni modo, finora, non è stato possibile crescere questi batteri in laboratorio. Nel 2015, utilizzando l’iChip, è stato possibile scoprire una nuova classe di antibiotici chiamata Teixobactin. Usare metodi classici (piastra di agar con una serie di altri nutrienti) non permette la crescita di almeno il 99% dei batteri. L’abbondanza microbica della biosfera e la paradossale inaccessibilità è al centro del prototipo scientifico sempre valido “The Great Plate Count Anomaly”. L’inabilità di crescere questi moo in laboratorio comporta l’impossibilità di poterli studiare; questo perché non siamo a conoscenza di tutte le sostanze chimiche che questi organismi necessitano nel loro ambiente. Alcune di queste sostanze chimiche potrebbero avere proprietà antimicrobiche, che i batteri probabilmente usano per uccidere competitori; tali sostanze possono potenzialmente essere sintetizzate per produrre antibiotici per persone e animali. Utilizzando questo nuovo metodo di coltura, iChip, circa il 50-60% dei batteri è in grado di sopravvivere.

Impatto sull’uomo

Qual è l’impatto che la microbiologia ha avuto sull’uomo? Uno degli obiettivi della microbiologia è quello di comprendere come operano i moo e sulla base di queste conoscenze trovare modalità per aumentare o loro effetti benefici e contemporaneamente ridurre quelli dannosi. Il successo dei microbiologi sul controllo dei moo lo si può vedere nel confronto tra le cause di mortalità negli USA oggi e cent’anni fa. All’inizio del XX secolo la principale causa di morte era rappresentata dalle malattie infettive, che attualmente, invece, rappresentano il problema minore. Nel 2050 —> condizione stravolta.

Excursus storico

Pasteur: “il ruolo dell’infinitamente piccolo, in natura, è infinitamente grande”. La microbiologia ha cominciato a svilupparsi dal XIX secolo, poiché prima non esisteva la tecnologia adatta.

• La storia della microbiologia inizia dalle prime osservazioni fatte con primi rudimentali microscopi: il primo fu inventato da Janssen (1590-1610), anche se alcuni dicono che il primo sia stato inventato da Galileo.
• Hooke (1635-1703) iniziò a fare le prime osservazioni. Inizialmente osservò la struttura intima dei viventi, in particolare vegetali. Pubblicò Micrographia, un caposaldo della microbiologia che tuttora viene pubblicato.
• Van Leeuwenhoek (1632-1723), olandese mercante di tessuti e costruttore amatoriale di microscopi, fu lo scopritore del mondo microbico ed il primo ad osservare e descrivere i batteri e protozoi, contenuti in varie sostanze naturali (es. tessuti, sangue). È considerato il padre dell’istologia. È stato il primo a osservare cellule umane (sangue e spermatozoo). Egli inventò il cosiddetto microscopio semplice, chiamato così perché possedeva un solo sistema ottico, dotato di tre viti che permettevano, una volta messo il campione su di un ago, di avvicinarlo e allontanarlo dalla lente di ingrandimento. Quelli di oggi sono considerati microscopi composti, in quanto presentano due sistemi ottici, quello dell’oculare e quello dell’obiettivo. Scoprì i batteri nel 1676, mentre studiava infusioni di acqua e pepe: notò, infatti, degli esserini ancora più piccoli delle muffe, che chiamò “animacules”. L’intuizione che ebbe Leuwenhoek fu la correlazione dei microrganismi con le malattie. Le sue osservazioni furono in seguito confermate da altri scienziati, ma i progressi procedettero lentamente. Solo nel XIX, quando si diffusero microscopi più potenti, fu possibile iniziare a studiare la loro natura e diffusione.
• Redi (italiano, 1626-1697) pubblicò un importante testo confutando la generazione spontanea della vita. Egli pose una garza con una trama molto sottile su di un pezzo di carne e dimostrò che così non si sviluppavano le larve. Le mosche che si formavano, infatti, costituivano una delle prove della generazione spontanea.
• Spallanzani (1729-1799), condusse esperimenti di sterilizzazione. Dimostrò che tappando e facendo bollire del brodo in un contenitore, quindi sterilizzandolo, non si forma la vita —> la vita che si osserva nei brodi che marciscono era già presente nel brodo o nell’aria, se sterilizzo il brodo e lo isolo dall’aria, non si genera vita. Gli studi della chimica erano già avanzati e si conoscevano le reazioni dell’ossigeno. Si pensava al tempo che la vita potesse esserci solo in presenza di ossigeno, quindi i chimici criticarono l’esperimento di Spallanzani, dicendo che sterilizzando aveva corrotto l’aria nella beuta.
• Appert (1749-1841) sfrutta l’esperimento di Spallanzani per poter produrre cibi in scatola. Egli inventò infatti il metodo per la conservazione ermetica dei cibi, chiamata appertizzazione.
• Con Pasteur (1822-1895) si segna l’inizio della microbiologia moderna. Egli nasce come chimico dei cristalli per poi diventare biochimico, un po’ per passione ma anche perché è stato chiamato dal Re di Francia per risolvere diverse questioni. Nel 1864, dopo un grande lavoro, dimostra che la generazione spontanea non è possibile. Pasteur ascolta le critiche e dà una dimostrazione pubblica dell’esperimento a cui era giunto dopo tantissimi esperimenti precedenti. Prima della dimostrazione Pasteur pensa all’esperimento di Spallanzani e lo fa nello stesso modo, solo che al posto di chiudere ermeticamente la beuta la chiude con del cotone idrofilo e fa vedere che su questo cotone si erano depositate quelle particelle che erano state osservate al microscopio. Di nuovo però l’esperimento non viene accettato, perché i sostenitori della generazione spontanea dicevano che attraverso il cotone il passaggio dell’aria non era diretto e quindi lo spirito vitale poteva essere rimasto incastrato. Allora Pasteur rifà l’esperimento senza chiudere la beuta in nessun modo. Scaldando il collo della beuta, lo piega a “collo di cigno”, in modo tale che l’aria sia costretta a fare questo percorso prima di venire a contatto col brodo. Solo dopo che il collo è ripiegato viene fatto bollire il brodo. Con questo espediente l’aria poteva entrare nella beuta ma il brodo restava sterile: polvere e moo rimangono infatti intrappolati nel tratto curvo senza venire a contatto con il brodo. Inclinando la beuta e facendo sì che il brodo venga a contatto con quel tratto del collo, il brodo si contamina. In queste modo Pasteur confuta definitivamente la teoria della generazione spontanea. Questo tecnica del riscaldamento che lui usava è stata detta pastorizzazione. Oggi si sa che la situazione è più complicata, si sa che ci sono moo resistenti anche ad altre temperature, quindi è necessario usare tecniche diverse. Inoltre Pasteur dimostrò (con dei vetrini) che la vita è possibile anche in assenza di ossigeno e che, anzi, per certe forme di vita è persino letale. Questa scoperta aprì nuovi orizzonti sulle teorie dell’origine della vita sulla terra. Si era stabilito che inizialmente sul pianeta non c’era ossigeno e quindi con questa scoperta venne anticipata la data della comparsa della vita sulla terra. Successivamente, egli si occupò di eziologia delle malattie, ossia la causa delle malattie. A quel tempo c’erano delle malattie che subito si diffondevano in pandemie. In seguito si scoprì che erano dovute a infezioni microbiche, Pasteur fu uno dei primi a pensare che i moo fossero coinvolti nelle malattie. Si occupò in particolare di carbonchio, del colera e della rabbia.

Il primo risvolto pratico

Il primo risvolto pratico fu trovato da Lister, un chirurgo che legge gli studi di Pasteur e decide di applicarli in chirurgia. Al tempo le operazioni chirurgiche erano ben fatte, ma i pazienti morivano poi per infezioni. Lister pensò di sterilizzare strumenti, camici, usare mascherine, per impedire le infezioni: antisepsi chirurgica. Tyndal e Cohn, invece, scoprirono l’esistenza delle spore batteriche, che si possono eliminare con temperature molto elevate, trattamenti prolungati, oppure introducendo pressione: principio dell’autoclavatura.

Koch (1843-1910) è considerato il padre della microbiologia medica. Lui e il suo gruppo di ricerca si focalizzarono sullo studio della relazione tra malattie infettive e moo. Riuscirono a collegare 15 malattie ai moo che le causano. Importante è stato il metodo di studio di Koch, basato su quattro postulati, considerati le linee guida per capire che moo infettava il paziente in base ai sintomi:

Nel laboratorio di Koch c’era Hesse, microbiologo che scoprì l’agar. Prima dell’agar veniva usata la gelatina ma questa veniva mangiata dai moo. La moglie di Hesse studiò come facevano la gelatina i giapponesi e da lì in poi venne usato l’agar-agar che può essere usato ad alte temperature ma non a pH sotto 3. Nel laboratorio di Koch c’era anche Petri, che inventò le piastre Petri: la forma di piastra e coperchio permettono il passaggio dell’aria ma non del pulviscolo e moo. Anche Ehrlich, un istologo molto bravo, lavorò nel laboratorio di Koch e inventò colorazioni che permisero di colorare in modo diverso diverse parti della cellula. Mise le basi della futura immunologia e chemioterapia (intesa come terapia mediante uso di sostanze chimiche).

Oltre alla grande attenzione per i batteri patogeni, alcuni scienziati iniziarono a pensare che ci fossero moo negli ambienti più diversi con capacità straordinarie. Beijerinck e Winograndsky furono i primi a iniziare uno studio di tipo ambientale. Beijerinck scoprì i cicli biogeochimici, cicli in cui i materiali litici vengono trasformati in biologici. Beijerinck aveva un metodo diverso da chi cercava di isolare i patogeni, lui faceva terreni di arricchimento: terreni differenti che si usano per vedere quanti moo diversi possono crescere in un certo ambiente. Usando un terreno senza azoto scoprì gli azoto-fissatori. Inoltre, utilizzando filtri di ceramica, detti filtri di Chamberland, scoprì che esistono cose più piccole dei moo, più piccole di unità cellulari, i virus. Egli fu il primo a porre le basi della virologia. Winogradsky scoprì, invece, che ci sono moltissimi moo, che crescono piano ma se la sanno cavare in un mondo ostile e che sanno fissare la CO₂, la maggior parte con il ciclo di Calvin ma al buio, senza sistemi fotosintetici. È il primo che scopre la capacità di autotrofia scollegandola dai sistemi fotosintetici. Però, vivendo al buio da dove ricavano l’energia? Lo fanno strappando elettroni a molecole inorganiche. Kluyver, allievo di Beijerinck, ritiene che i moo siano come un laboratorio vivente, in cui si può giocare con le ossidoriduzioni e vedere come esse permettono la vita, ma soprattutto osservandoli scoprì che nelle reazioni biochimiche esiste unitarietà: certi processi sono simili in moo e in eucarioti superiori, mentre certi processi sono compiuti solo dai moo. È considerato il fondatore della biochimica comparata: è possibile studiare metabolismi in moo in quanto organismi più semplici, al posto che studiarli in organismi più complessi.

L'origine della vita

Si pensa che il Pianeta Terra abbia 4,5 miliardi di anni (periodo quantificato grazie all’analisi degli isotopi radioattivi a lento decadimento). L’origine della vita, invece, risale circa a 4 miliardi di anni fa. Nella storia della vita sono state selezionate solo alcune specie, mentre quelle che non si sono adattate alla sopravvivenza sono scomparse. Dato che sulla terra non esiste la generazione spontanea, il passaggio dalla non-vita alla vita rappresenta l’unica comparsa spontanea nota e accettata. La geologia è stata di grande aiuto per poter comprendere al meglio la biologia. Lo studio delle conformazioni rocciose e dei fossili sono utili per una migliore precisione riguardo la datazione degli eventi storici.