Microbiologia

La microbiologia e la biotecnologia

La microbiologia è oggetto di studio della biologia e si occupa degli esseri viventi così piccoli che l'uomo non può vedere ad occhio nudo. La parola “biologia” significa “studio della vita” (bios + logos). L'agricoltura è la biotecnologia più antica. Essa produce sia dei beni che dei servizi.

Beni e servizi dell'agricoltura

I beni prodotti dall'agricoltura sono i beni alimentari come le patate e la verza. I servizi prodotti dall'agricoltura sono:

• Il traino degli oggetti da parte degli animali da tiro (come i buoi e i cavalli castrati che trainano l'aratro).
• La fitodepurazione (utilizzo delle piante per l'eliminazione delle sostanze inquinanti presenti nell'acqua e nel terreno; gli inquinanti possono essere sia di origine naturale come le feci e l'urina umane, sia di origine inorganica come i metalli pesanti). Ci sono delle sostanze organiche che si depurano più lentamente delle altre (queste sostanze vengono chiamate sostanze recalcitranti).
• Assorbimento dell'anidride carbonica da parte dei vegetali (la maggior parte dell'anidride carbonica viene prodotta dalla zootecnia, quindi una soluzione per abbattere l'emissione di questo gas serra è quella di chiudere gli allevamenti industriali).
• Ingegneria genetica (produzione di piante modificate geneticamente per la produzione di farmaci o altre sostanze, si può produrre dei farmaci anche modificando il genoma degli animali).
• Tecnologie delle fermentazioni:
• Nella fermentazione alcolica del vino i lieviti utilizzano gli zuccheri presenti nel mosto per produrre l'etanolo.
• Nella fermentazione alcolica nella panificazione i lieviti utilizzano l'amido presente nella farina per produrre l'etanolo e l'anidride carbonica.
• Nella fermentazione lattica dello yogurt in cui i batteri lattici utilizzano il lattosio presente nel latte per produrre l'acido lattico (l'acido lattico è un conservante naturale e nella legislazione italiana sui conservanti non c'è un quantitativo massimo di acido lattico ammesso nei cibi per conservarli).

Il lievito è un microrganismo fungino di dimensioni pari a 10^-5 µm (micrometro o micron; 1000 = 1mm). Alcuni birrai viennesi scoprirono che la feccia della birra (cioè tutte quelle cose che rimangono dall'illimpidimento della birra) fa lievitare meglio il pane. Anche la produzione dei salami e dei formaggi sono due processi microbici (si ha la fermentazione lattica in cui i microbi tolgono tutti gli zuccheri immediatamente utilizzabili e producono l'acido lattico).

Microrganismi e simbiosi

In natura non esiste la monocoltura, neanche nel mondo dei batteri (la monocoltura è stata un'invenzione dell'uomo). C'è 1 miliardo di persone malnutrite nel mondo (la popolazione mondiale è pari a circa 7 miliardi di persone). La maggior parte delle piante coltivate dall'uomo serve per l'alimentazione animale (si deve consumare meno alimenti ma di migliore qualità).

Nelle simbiosi si ha un rapporto intimo tra due tipi di organismi (entrambi gli organismi producono delle sostanze utili per l'altro organismo). Un esempio di simbiosi microbica è rappresentato dall'uomo (solo nel ventre, l'uomo ha 1 - 1,5 kg di microrganismi; considerando che ogni microrganismo pesa 1 fg, nel ventre umano ci sono da 10¹⁵ a 1,5×10¹⁵ microrganismi). Un altro esempio di simbiosi è quello presente nelle radici delle leguminose (i batteri azotofissatori organicano l'azoto atmosferico di formula N₂).

I noduli delle radici delle leguminose sono di colore rosso perché è presente un particolare tipo di emoglobina chiamata leghemoglobina (la leghemoglobina ha la funzione di chelare l'ossigeno per poi allontanarlo dai noduli radicali perché l'azotofissazione è un processo anaerobio).

Per ogni grammo di terreno ci sono da 10¹² a 10¹⁴ microrganismi (le piante, attraverso le radici, producono degli essudati radicali che nutrono i microrganismi, mentre quest'ultimi producono delle sostanze utili per le piante come i chelati di ferro). La concimazione minerale è un defertilizzazione (per produrre i concimi è necessario che si bruci il metano e il petrolio), la vera fertilità del terreno risiede nella sostanza organica.

Biotecnologie e metabolismo microbico

Le biotecnologie sono tutte quelle tecnologie che hanno come protagonisti gli organismi viventi o parti di questi organismi per la produzione di beni o servizi (come il latte senza lattosio). I microrganismi rappresentano il 50% del peso totale della sostanza vivente presente sul pianeta Terra. La variabilità dei microrganismi è molto grande. Il metabolismo è il complesso di reazioni biochimiche di sintesi (anabolismo) o di degradazione (catabolismo) che si svolgono in ogni organismo e che ne determinano l'accrescimento, il rinnovamento e il mantenimento. Ci vogliono 6 - 7 anni per riformare interamente la flora batterica presente nell'uomo dopo una cura antibiotica.

Tutti i microrganismi sono dei nostri parenti (tutti gli esseri viventi discendono da un microrganismo comune chiamato Luca vissuto circa 4 miliardi di anni fa). Alcuni microrganismi hanno iniziato a fare la fotosintesi ossidrilica (cioè produttrice di ossigeno: questo elemento venne assorbito dal ferro presente nel suolo e, attualmente, tutto il quantitativo del ferro presente sulla Terra è ossidato).

L'ossigeno cominciò ad essere immagazzinato nell'atmosfera dopo che tutte le sostanze presenti nel suolo sono state ossidate. L'ossigeno è un elemento dannoso per gli organismi viventi se è presente in eccesso perché ossida le sostanze organiche (per proteggersi dall'attacco dell'ossigeno bisogna assumere gli antiossidanti). La respirazione ossigenica, all'inizio non utilizzava l'ossigeno nella sua forma elementare (O₂) ma utilizzava altre sostanze contenenti ossigeno come i nitrati e i solfati. I cloroplasti sono dei microbi che vivono all'interno della cellula vegetale per mezzo di un'endosimbiosi obbligata (il cloroplasto non è un organello della pianta ma un microbo visto che contiene il DNA microbico).

Le foreste producono il 50% dell'ossigeno atmosferico, l'altro 50% dell'ossigeno è prodotto dai microrganismi. Un altro organello molto importante per la cellula è il mitocondrio che è un microrganismo endosimbionte.

Microbiologia e storia

I bambini nati con parto cesareo hanno una flora batterica diversa rispetto ai bambini nati con parto naturale (i bambini nati con parto cesareo sono più deboli rispetto ai bambini nati con parto naturale). La microbiologia nasce quando l'uomo impara ad allevare i microrganismi. Antoni van Leeuwenhoek è stato l'inventore del microscopio. I microrganismi possono essere mobili o immobili (Escherichia coli è un batterio mobile). I batteri hanno modificato irreversibilmente il destino della Terra, alcuni microrganismi hanno creato l'habitat idoneo alla crescita di altri esseri viventi.

Tutto il 1700 scorre senza la scoperta dei microrganismi ma ci sono delle circostanze che fanno avvicinare gli scienziati ai microrganismi. Louis Pasteur (1822 - 1895) scopre gli isomeri ottici, le fermentazioni, la malattia del baco da seta (che è di origine microbica), il colera dei polli e i vaccini; inoltre confuta la teoria della generazione spontanea e compie uno studio sulla rabbia e sul carbonchio.

Pasteur smentisce la tesi della generazione spontanea facendo un esperimento sul brodo:

• Pasteur ha messo il brodo in una bottiglia di vetro modificando successivamente la forma del collo dandogli la conformazione del collo di un cigno.
• Successivamente lo scienziato francese ha sterilizzato il brodo per poi lasciarlo nel suo laboratorio per un lungo periodo (così facendo, Pasteur scoprì che il brodo non modifica la sua composizione chimica).
• Facendo entrare in contatto il brodo e i microbi presenti nella prima ansa del collo della bottiglia, inizia una modificazione chimica del brodo.

Il termine vaccino in origine fu utilizzato per indicare sia il vaiolo dei bovini sia il pus ricavato dalle pustole del vaiolo bovino, impiegato per praticare l'immunizzazione attiva contro il vaiolo. Oggi il vocabolo designa varie preparazioni per uso parenterale o anche orale, volte a indurre la produzione degli anticorpi attivi per proteggere l'organismo dalla patologia. Pasteur ha scoperto i vaccini testando un vaccino su un ragazzo che era stato morso da un cane rabbioso.

In 1 grammo di suolo ci sono da 10¹² a 10¹⁴ microrganismi appartenenti a 10 specie diverse. I lieviti sono dei microrganismi fungini immobili perché non hanno degli organi motori. Per allestire un preparato vivo non si ha alcuna sottrazione di vitalità delle cellule, mentre per allestire un preparato fissato si ha la sottrazione della vitalità delle cellule tramite un becco Bunsen (il preparato viene fissato con della colla e si colora le cellule tramite un colorante).

Le cellule Gram - positive (Gram+) trattengono il colorante chiamato cristalvioletto, mentre le cellule Gram - negative (Gram-) non trattengono il colorante. Le cellule di lievito possono avere forma sferoidale, ellittica o ovoidale. La stessa specie può avere forme diverse (specie polimorfa) come Saccharomyces cerevisiae le cui cellule hanno forma sferoidale, ovoidale o ellittica.

Il ceppo microbico è rappresentato da tutti quei microrganismi derivanti da un'unica cellula, tutti selezionati e distinguibili dagli altri ceppi dagli aspetti morfologici, inoltre il ceppo è una matrice che ha clonato un carattere genotipico e/o fenotipico. Le interazioni di un ceppo di microrganismi con un organismo fa diventare quel ceppo patogeno. Un sinonimo di ceppo è stipite.

Nel 1800, Gram ha osservato che la maggior parte dei microrganismi si possono classificare in due gruppi:

• Gram - positivi che non perdono la colorazione denominata cristalvioletto (i Clostridium sono dei Gram - positivi).
• Gram - negativi che non assorbono il cristalvioletto.

Le cellule colorate di rosso sono Gram-, mentre le cellule di color violetto/azzurre sono Gram+. Il più grande gruppo di organismi viventi sono i microrganismi.

Caratteristiche dei microrganismi

Le caratteristiche dei microrganismi sono: capacità di mineralizzare i composti organici (anche gli esseri umani).