Microbiologia generale - Appunti

Storia della microbiologia

1664: Le scoperte di Hooke

Hooke descrisse i corpi fruttiferi delle muffe, sostenendo che tutte le creature viventi sono formate da singole cellule.

1684: Le osservazioni di Leeuwenhoek

Leeuwenhoek, attraverso un rudimentale microscopio, riuscì a vedere i batteri grazie a un’attenta manipolazione del fuoco. Riportò i suoi dati alla Royal Society di Londra, definendo i microrganismi osservati come animalcula.

1850: Jenner e la vaccinazione

Jenner introdusse le vaccinazioni vaiolose utilizzando il vaiolo vaccino (da qui il nome "vaccinazione" del procedimento preventivo) invece del vaiolo umano, assai rischioso. Era infatti pratica comune in Inghilterra ricorrere alla variolizzazione, una procedura attraverso la quale si aspergeva una piccola ferita appositamente creata nel soggetto da immunizzare con il materiale proveniente da pustole di individui malati. In questo modo il soggetto sviluppava una forma lieve di vaiolo, con bassa percentuale di mortalità, che lo lasciava immune alla malattia vera e propria.

Questa pratica aveva però due grossi svantaggi: era pericolosa per la salute del paziente e, fino alla guarigione del soggetto, questi era portatore del vaiolo, mettendo a rischio la salute di familiari e conoscenti che non fossero già immuni. Esisteva invece una tradizione popolare tra i mungitori, che suggeriva che l'infezione da parte della forma bovina di vaiolo potesse proteggere dalla forma umana. Il vaiolo bovino è effettivamente correlato con la forma umana della malattia, e Jenner comprese che la tradizione popolare, se fosse stata vera, avrebbe portato notevoli vantaggi nella pratica dell'inoculazione.

Il 14 maggio del 1796 egli verificò sperimentalmente la sua teoria: praticò un'inoculazione in un bambino di 8 anni, James Pipps, usando pus prelevato da una pustola di una mungitrice con lesioni da vaiolo bovino anziché umano. Il ragazzo contrasse effettivamente il vaiolo bovino e si rimise completamente dopo sei settimane di convalescenza. Jenner procedette dunque a una seconda inoculazione, usando questa volta il siero di pustole umane; il ragazzo non mostrò nessun sintomo della malattia, dimostrando che l'immunizzazione con vaiolo bovino conferisce immunità anche verso il vaiolo umano.

1862: Pasteur e la sterilizzazione

Louis Pasteur fu uno dei maggiori oppositori alla teoria della generazione spontanea. Scoprì che nell’aria erano presenti strutture simili ai microrganismi che si trovavano nella carne in putrefazione. Dedusse che eliminando l’organismo responsabile della contaminazione, si sarebbe potuto ovviare alla putrefazione. Pasteur scelse il calore per eliminare i contaminanti. Utilizzò una fiasca a collo di cigno, (= fiasca Pasteur), all’interno della quale i nutrienti potevano essere portati ad ebollizione; dopo il raffreddamento l’aria poteva rientrare, ma la curvatura del collo avrebbe impedito l’entrata del particolato organico contenente i batteri. Il brodo sterilizzato non andava incontro a putrefazione fintanto che non entrava in contatto con la parte superiore del collo. Pasteur gettò così le basi della sterilizzazione. Tra il 1880 e il 1890, inoltre, sviluppò vaccini per carbonchio, colera e rabbia.

1881: Gli studi di Koch

Koch studiò la tubercolosi, volendo scoprire l’agente eziologico della malattia. Mise a punto una colorazione speciale per identificare il microrganismo nei campioni di tessuto, usando una soluzione alcalina di blu di metilene in associazione con un secondo colorante (bismarck brown) che colorava solo i tessuti. Fu così in grado di evidenziare delle cellule di M. tuberculosis di forma bastoncellare e di colore azzurro in preparati di tessuti tubercolotici colorati in marrone chiaro.

Tuttavia, la sola identificazione di un microrganismo associato alla tubercolosi non era sufficiente, perciò lo coltivò dalle lesioni della malattia stessa per provare che si trattava della causa specifica della malattia. Ottenne un certo numero di colonie sul siero di sangue coagulato; più tardi utilizzò l’agar come agente solidificante. Una volta isolato il batterio, l’inoculo in cavie e la successiva infezione con conseguente morte dimostrarono che l’agente eziologico era davvero M. tuberculosis.

Poco tempo dopo Koch fu in grado di concettualizzare la teoria microbica delle malattie sviluppando l’idea che molte malattie fossero contagiose, poiché in grado di svilupparsi per semplice contatto tra una persona malata e una sana. L’agente responsabile della loro diffusione veniva semplicemente chiamato contagium. I suoi primi lavori furono effettuati sul carbonchio, una malattia dei bovini causata da Bacillus anthracis, un bacillo sporigeno presente all’interno del sangue degli animali infetti.

Postulati di Koch

• L’agente di una malattia infettiva deve essere presente in tutti i casi di quella malattia.
• Non deve essere presente in caso di altre malattie, né in organismi sani.
• Deve essere isolato dai tessuti in coltura pura.
• Deve essere capace di riprodurre la malattia attraverso infezione sperimentale.

Limiti dei postulati:

• Non tutti i microrganismi sono coltivabili.
• Non tutti i microrganismi sono patogeni.
• Le difese immunitarie variano da individuo a individuo.

1881: L'agar di Fannie Hesse

Fannie Hesse suggerì al marito Walter di utilizzare l’agar (polisaccaride derivato dalle alghe rosse) come agente solidificante per i terreni di coltura batteriologici. Fino a quel momento era utilizzata la gelatina, ma questa aveva lo svantaggio di liquefarsi alla temperatura di 37°C.

1887: La piastra di Petri

Petri pubblicò una breve nota a modifica della tecnica di isolamento in piastra utilizzata da Koch. Egli dimostrò che la piastra doppia da lui inventata mostrava alcuni vantaggi: le due parti potevano essere sterilizzate separatamente dal terreno e, in seguito all’aggiunta di terreno sfuso nella piastra più piccola, quella più grande poteva fungere da coperchio, prevenendo le contaminazioni. Le colonie che si formavano potevano essere sottoposte a manipolazioni successive.

1900: Coltura di arricchimento di Beijerinck

Beijerinck formulò il concetto di coltura di arricchimento; propose un metodo selettivo di isolamento, in cui venivano favoriti gruppi microbici rispetto ad altri, agendo sulle condizioni colturali e di incubazione. In questo modo poté riconoscere batteri particolari, come gli azoto-fissatori, i solfato-riduttori, i solfato-ossidanti, i batteri della specie Lactobacillus e alcune alghe verdi.

1910: Tossicità selettiva di Ehrlich

Ehrlich sviluppò il concetto di tossicità selettiva. Attraverso l’applicazione di coloranti ai microrganismi, osservò che alcuni coloravano i microrganismi, ma non i tessuti animali. Ipotizzò che l’incapacità di un colorante di colorare un tessuto potesse essere dovuta all’impossibilità di combinarsi con i componenti cellulari; quindi se un colorante del genere fosse stato dotato di tossicità, non l’avrebbe esercitata sulle cellule tissutali, in quanto non avrebbe trovato strutture con le quali interagire, mentre avrebbe potuto attaccare le cellule batteriche. Ehrlich saggiò la tossicità di molti composti e scoprì i primi agenti chemioterapici, di cui il primo fu il Salvarsan, un farmaco all’arsenico contro la sifilide. Questi composti erano in grado di colpire l’agente patogeno senza danneggiare l’ospite, per cui vengono paragonati a proiettili magici.

1910: Ivanovski e l'agente filtrabile

Ivanovski scoprì l’agente filtrabile.

1922: Fleming e la penicillina

Fleming fu lo scopritore della penicillina, un antibiotico ad ampio spettro prodotto dal fungo Penicillium; alcuni microrganismi producono e secernono sostanze tossiche per altri organismi allo scopo di eliminare dall’ambiente possibili competitori.

1995: La sfida di Craig Venter

Craig Venter sfida il Progetto Genoma Umano e pubblica la sequenza genomica di Haemophilus influenzae. Nel 2010 ha lanciato una nuova sfida, annunciando a tutti di avere costruito in laboratorio la prima cellula artificiale, controllata da un DNA sintetico e in grado di dividersi e moltiplicarsi proprio come qualsiasi altra cellula vivente.

1998: Marshall e Helicobacter pylori

Marshall dimostrò che il batterio Helicobacter pylori è la causa dell'ulcera gastrica, confutando decenni di dottrina medica che sosteneva che le ulcere fossero causate da stress, cibo piccante ed eccesso di acido. La teoria sull'Helicobacter fu messa in ridicolo dall'establishment scientifico, che non credeva che i batteri potessero vivere in un ambiente acido come quello dello stomaco. Per costringere la gente a dare retta alla sua teoria, Marshall bevve una piastra di Petri di batteri, ammalandosi quasi subito di gastrite. I sintomi sparirono dopo due settimane, ma Marshall continuò a prendere antibiotici per uccidere i batteri rimasti su richiesta di sua moglie, visto che l'alitosi è uno dei sintomi dell'infezione. La malattia e la guarigione di Marshall, basata sulla coltura di organismi estratti da un paziente, rispettava in parte i postulati di Koch per quanto riguarda l'Helicobacter pylori e la gastrite.

Metodo scientifico

• Raccolta delle varie informazioni del processo oggetto di studio.
• Sviluppo di un’ipotesi provvisoria (ma fondata) per dare una spiegazione alle osservazioni raccolte.
• Verifica dell’ipotesi attraverso l’ulteriore raccolta di dati attraverso l’osservazione e la sperimentazione.
• L’ipotesi viene saggiata come confermata o infondata.
• Se l’ipotesi viene scartata, si formula una nuova ipotesi; se invece è fondata, allora si passa a verifiche più accurate.

La procedura è più efficiente se si formulano ipotesi alternative, per concentrare successivamente l’attenzione sull’ipotesi che supera le prime verifiche. Questo metodo viene definito ipoteticodeduttivo. In un esperimento è necessario avere sia un gruppo di controllo sia un gruppo sperimentale. Il gruppo di controllo viene trattato nello stesso modo, ad eccezione del fatto che non viene sottoposto a manipolazione sperimentale. Se un’ipotesi supera le varie verifiche, può essere accettata come teoria valida, un concetto che spiega in modo attendibile, sistematico e rigoroso un aspetto della natura.

Esempio di metodo scientifico: Spallanzani

Spallanzani si domandò quale fosse il fenomeno responsabile della comparsa dei microrganismi nel brodo.

• Ipotesi: i microrganismi vengono dall’aria.
• Previsioni: bollendo il brodo, i microrganismi muoiono.
• Esperimento: vengono preparate 4 beute col brodo:
  • Beuta 1: lasciata aperta
  • Beuta 2: sigillata
  • Beuta 3: sottoposta ad ebollizione e poi lasciata aperta
  • Beuta 4: sottoposta ad ebollizione e poi sigillata

Domande

I microrganismi all’interno di un ecosistema vivono in coltura pura? Qual è il loro ruolo?

Come potreste convincere un amico che i microrganismi sono molto di più che agenti di malattie infettive?

Quando si applica la pastorizzazione?

Descrivete la funzione e l’importanza dei postulati di Koch. Alla luce delle conoscenze attuali sono ancora validi?

Da chi fu effettuata la prima vaccinazione?

Elencate alcuni risultati della ricerca di L. Pasteur.

Che cosa sono i "magic bullets"? Chi formulò questa definizione?

Che cosa intendeva Pasteur quando scrisse: “il caso favorisce solo le menti preparate?”

Quali sono i problemi che rimangono aperti nel mondo della microbiologia?

Perché i progetti genoma sono così importanti?

Quando si applica il metodo scientifico?

Generazione spontanea: commentate gli esperimenti di Pasteur e Miller.

Microbiologia

Studio dei microorganismi, cioè quegli organismi che non sono visibili a occhio nudo, ma solo con l’ausilio di strumenti specifici.

Quindi studia:

• Batteri, che si dividono in eubatteri e archebatteri.
• Alghe
• Funghi
• Protozoi
• Virus: non sono organismi viventi, ma entità che stanno a metà tra il mondo vivente e quello non vivente. Essi non hanno una struttura cellulare, quindi non vi è quella complessità di reazioni chimiche. Utilizzano gli apparati cellulari della cellula che vanno ad infettare.

Divisioni della microbiologia

Si può dividere in:

• Scienza di base: sonda la natura dei processi vitali, applicando le proprietà biochimiche delle cellule microbiche agli organismi pluricellulari.
• Scienza applicata: si occupa di problemi pratici nel campo di medicina, agricoltura e industria. Inoltre, i microrganismi sono importanti per la fertilità del suolo e per l’allevamento del bestiame.

Campi di indagine

• Ambiente:
  • Biorisanamento: i batteri presentano geni costitutivi che permettono loro di metabolizzare il glucosio. Se questo non è presente, alcuni batteri hanno la capacità di ricavarlo da sostanze recalcitranti, ossidando l’agente inquinante a CO₂ e H₂O. Ovviamente da soli non sono in grado di eliminare l’inquinamento, perciò si lavora per migliorare il loro impiego nutrendo i batteri già presenti nell’agente inquinante, per aumentarne la massa.
  • Biorestaurazione: i batteri, attraverso l’ossidazione dell’agente inquinante, sono in grado di ripulire i monumenti. Questo processo è a carico di anaerobi solfato riduttori che vengono sospesi in un gel per ricreare l’ambiente anaerobico.
• Biotecnologie classiche: produzione di alimenti “classici” come birra, pane, yogurt, antibiotici.
• Biotecnologie moderne: produzione di molecole ricombinanti, cioè ottenute per manipolazione genetica. Es: insulina, glucagone, ormone della crescita.
• Salute: vi sono molti microrganismi dannosi che provocano diverse malattie:
  • Patogeni: provocano malattie in tutti i soggetti.
  • Patogeni opportunisti: pericolosi per i pazienti immunodepressi.
  • Killer riemergenti: es. Mycobacterium tuberculosis, responsabile della tubercolosi.

Caratteristiche dei sistemi viventi

Tutti gli organismi cellulari sono altamente organizzati in strutture che mostrano una sorta di metabolismo; le cellule cioè prendono sostanze chimiche dall’ambiente e le trasformano in modo da ricavarne energia e poi eliminano prodotti di scarto. Tutte le cellule crescono e si dividono, per formare due cellule. Molte cellule si differenziano, formando strutture speciali coinvolte nella riproduzione, nella sopravvivenza o nella morte. In risposta a segnali chimici, le cellule comunicano tra loro attraverso piccole molecole diffusibili. Gli organismi viventi sono capaci di movimento attivo. Inoltre, le cellule possono evolvere, cioè possono cambiare permanentemente le caratteristiche e trasmettere alla progenie le nuove proprietà. Le cellule vivono in associazione con altre cellule in una sorta di agglomerato detto popolazione; in natura le popolazioni convivono ed interagiscono con altre popolazioni costituendo delle comunità microbiche.

Domande

Elencate alcune caratteristiche associate agli organismi viventi.

Che cosa sono le biotecnologie e come possono migliorare la vita dell’uomo?

In quale modo i MO sono fondamentali per la vita dell’uomo?

Quali sono i campi della microbiologia?

Cosa significa biorestauro?

Fornite alcuni esempi di come l’uomo ha usato i MO.

Cellula procariotica

Generalmente risulta essere più piccola di quella eucariotica.

Morfologia cellulare

Importante per indirizzare la diagnosi clinica.

• Sferica, ovale: il battere è detto cocco. I diplococchi si formano quando, al momento della divisione, i cocchi restano uniti in una coppia (es. Neisseria).
• Cilindrica: il battere è detto bastoncello, o bacillo. Alcuni bastoncelli sono curvi (vibrioni).

I cocchi e i bastoncelli possono formare lunghe catene, oppure possono formare strati tridimensionali di cellule cubiche o a grappolo. Alcuni gruppi assumono forme caratteristiche:

• Spirilli: lunghi bastoncelli rigidi avvolti a elica.
• Spirochete: lunghi bastoncelli flessibili avvolti a elica.
• Batteri peduncolati: hanno estrusioni a forma di lunghi peduncoli.
• Batteri filamentosi: formano lunghe e sottili catene di cellule.

Alcuni batteri mancano di una morfologia caratteristica, quindi vengono chiamati cellule pleomorfiche e hanno la capacità di cambiare forma.

Dimensioni cellulari

Il diametro varia da 0,1-0,2 μm a 50 μm. Queste piccole dimensioni determinano alcune proprietà biologiche: ad esempio, la velocità con cui le sostanze nutritizie e i prodotti di scarto entrano ed escono rispettivamente è inversamente proporzionale alle dimensioni della cellula. Questo perché la velocità di trasporto è in parte funzione della superficie di membrana disponibile.

Membrana citoplasmatica, struttura

Separa il territorio citoplasmatico dall’ambiente extracellulare. È molto sottile e delicata, con uno spessore che varia da 6-10 nm. Rappresenta un film di molecole lipidiche e proteiche tenute insieme da interazioni non covalenti.

È costituita da:

• Fosfolipidi: composti da una testa polare (idrofila) e una coda apolare (idrofobica). Nella testa la colina è la parte variabile, la coda è un idrocarburo: più doppi legami contiene, più diventa rigida. Quindi i fosfolipidi sono molecole anfipatiche.
• Glicolipidi: la differenza è a livello della testa, dove la parte variabile è assente.