Riassunto di Microbiologia

Microbiologia

La microbiologia come scienza è nata nel diciannovesimo secolo (XIX) in seguito alla formulazione della teoria microbica di Robert Koch. La microbiologia è una branca della biologia che studia la struttura e le funzioni dei microrganismi, cioè tutti quegli organismi viventi unicellulari o pluricellulari, non visibili ad occhio nudo per via delle loro piccole dimensioni. Alcuni esempi sono i batteri, gli Archea, tipi di funghi, lieviti, alghe e protozoi. La microbiologia studia anche i virus, anche se questi sappiamo bene che non sono veri e propri esseri viventi, ma entità biologiche strutturalmente fatte in maniera tale da moltiplicarsi all'interno di esseri viventi. Ovviamente però, i virus, hanno dimensioni molto piccole che si aggirano da qualche decina di nanometri fino ad arrivare a 0,5 micron al massimo. (10-500 nm)

Storia della microbiologia

Origini e sviluppo iniziale

Spieghiamo i passi storici ed evolutivi di questa scienza: l'esistenza dei microrganismi era nota fin dal diciassettesimo secolo (XVII) in seguito a Robert Hooke e all'invenzione del primo microscopio composto ad opera di nel 1664, il quale osservò alcuni piccoli funghi e altri piccoli animali e li catalogò nella sua opera “Micrographia” fatta nel 1665. Successivamente nel 1684, Antoni van Leeuwenhoek costruì un microscopio ancora più efficace, grazie al quale riuscì ad intravedere l'esistenza dei batteri, che lui stesso definì col termine “Animalucoli”. Leeuwenhoek in seguito fece delle tavole in cui descrisse la morfologia e la struttura della maggior parte di questi batteri e le spedì alla Royal Society, l'accademia reale delle scienze, in Inghilterra. Infatti molte delle sue scoperte e ricerche possono tutt'oggi essere reperibili proprio in questa struttura inglese.

Teoria della biogenesi

Successivamente, sempre nel diciassettesimo secolo altri due scienziati, Francesco Redi e Lazzaro Spallanzani, contemporaneamente avvalorarono la teoria della Biogenesi secondo cui la vita poteva nascere solo da esseri viventi e smentirono la teoria della generazione spontanea, secondo la quale la vita poteva nascere spontaneamente anche da elementi naturali inanimati, in quanto comunque dotati di influssi vitali. Infatti prima degli esperimenti dei due scienziati, si riteneva che gli esseri viventi più semplici, come i vermi o gli insetti, potessero nascere spontaneamente dal fango o da carcasse in putrefazione.

L'esperimento fatto da Francesco Redi (nel 1668) consisteva inizialmente nel prendere due contenitori. Successivamente prese della carne in via di putrefazione e la inserì all'interno di ciascun contenitore. Un contenitore fu poi chiuso, mentre il rimanente contenitore fu lasciato aperto. Dopo un arco di tempo discreto, nel contenitore aperto di erano formati dei vermi sopra la carne, mentre nel contenitore chiuso non c'era la presenza di nulla. Con ciò Redi verificò sperimentalmente che le uova che davano vita ai vermi provenivano dall'esterno e non nascevano spontaneamente sulla carne. Alcuni arguti sostenitori rimasero tuttavia, ancora fedeli alla teoria della generazione spontanea, pensando che fosse il contatto diretto con l'aria a permettere la generazione spontanea.

L'esperimento fatto successivamente da Lazzaro Spallanzani (nel 1765) consisteva inizialmente nel preparare degli infusi sterilizzati col calore. Questi infusi furono poi inseriti all'interno di due recipienti, a loro volta sigillati tramite una fiamma ad alta temperatura. Dopo un arco di tempo discreto, nei recipienti non vi era nessun intorbidimento, non era sostanzialmente cambiato nulla. Per esserne sicuro prelevò un po' dell'infuso e lo osservò al microscopio, notando che non vi era traccia di microrganismi. La scoperta di Spallanzani avvalorò l'esperimento di Redi fatto qualche decennio prima e confermò nuovamente l'ancor prima esistente teoria della Biogenesi. La scoperta di Spallanzani fu letta anche da Nicolas Appert, un inventore francese dell'epoca, che grazie a Spallanzani riuscì a mettere a punto per la prima volta un contenitore ermetico per i cibi e le bevande.

Contributi di Louis Pasteur

Nel diciannovesimo secolo (XIX) un altro scienziato, Louis Pasteur, dimostrò definitivamente l'infondatezza della teoria della generazione spontanea, attraverso un altro esperimento (1860). Inizialmente Pasteur scaldò del brodo e lo inserì all'interno di alcuni fiaschi a collo di cigno semiaperti. Quello che Pasteur vide è che il brodo, reso sterile dalla temperatura, nonostante il contatto con l'aria non si intorbidiva. Questo perché la forma dei fiaschi a collo di cigno, permetteva all'aria di entrare, ma i microrganismi contenuti in essa venivano depositati sulle curvature del fiasco e non entravano in contatto con il brodo! Con questo quindi Pasteur confutò inesorabilmente la teoria della generazione spontanea.

Successivamente sempre Pasteur individua nei microrganismi la causa della maggior parte delle malattie infettive ed inventò pertanto un metodo di sterilizzazione definito tutt'oggi “Pastorizzazione” (1862). Tale metodo di sterilizzazione utilizza l'alta temperatura per eliminare qualsiasi traccia di microrganismo presente nell'oggetto pastorizzato.

Scoperte successive

Sulla scia della scoperta di Pasteur altri scienziati come Joseph Lister e Ferdinand Cohn fecero altre scoperte. Ad esempio Lister introdusse l'asepsi chirurgica, ossia una procedura atta a prevenire l'eccesso di microrganismi patogeni e non patogeni, presenti su di un substrato sterile (come ad esempio un tessuto del nostro corpo). Cohn invece era un botanico che pensava che i batteri appartenessero totalmente al regno vegetale. Ovviamente sappiamo ad oggi che questa cosa non è affatto vera, ma Cohn, nello sforzo di rafforzare la sua teoria, fece scoperte importantissime come l'endospora batterica. Questa scoperta fu fatta osservando il ciclo vitale di alcuni particolari batteri del genere Bacillus, i quali erano resistenti al calore. Questo era dovuto al fatto che il ciclo vitale dei Bacillus era costituito da una fase vegetativa ed una fase in cui il batterio presentava una struttura glico-proteica di resistenza chiamata appunto Endospora. Solo i Bacillus che si trovavano nella fase vegetativa a contatto col il calore morivano, mentre i Bacillus che presentavano l'endospora non morivano.

Contributo di Robert Koch

Contemporaneamente alle scoperte di Cohn e Pasteur, un altro scienziato dette un enorme contributo nella ricerca e nello sviluppo nei settori della medicina, della biologia, e soprattutto in campo microbiologico, stiamo parlando di Robert Koch. Senza alcun ombra di dubbio Koch è stato il fondatore della microbiologia moderna, definita da lui col termine di “Batteriologia moderna”. Esso ipotizzò durante la sua vita la “Teoria microbica delle malattie” secondo la quale i batteri erano i responsabili di molte delle malattie che si manifestavano negli organismi viventi.

Per dimostrare questa teoria sperimentalmente Koch all'inizio ebbe a che fare con l'Antrace e la tubercolosi. L'Antrace è una malattia che colpisce soprattutto i bovini e che si può occasionalmente anche trasmettere all'uomo. La sorgente di questa malattia è un batterio del genere “Bacillus”, per la precisione era il batterio “Bacillus anthracis”. La Tubercolosi è una malattia che colpisce soprattutto i polmoni e quindi le vie aeree dell'uomo o di alcuni animali. La sorgente di questa malattia è un micobatterio del genere “Mycobacterium”, per la precisione di tratta del batterio “Mycobacterium tuberculosis”.

Nel primo caso notò che all'interno degli animali morti di Antrace vi era una cospicua presenza dei soliti batteri Bacillus anthracis. Prese quindi i batteri dal sangue infetto degli animali morti, li coltivò e li inoculò all'interno di animali sani. Successe che gli animali sani si ammalarono e morirono. Quindi erano proprio i batteri la causa della malattia. Ripetette la stessa procedura anche per gli animali morti di Tubercolosi e vide che anche in tal caso i batteri Mycobacterium tuberculosis, continuavano una volta trasmessi, ad uccidere gli animali sani e quindi erano anche loro causa della malattia.

In seguito a queste scoperte pratiche, formulò infine dei postulati ancor'oggi validi e alla base della metodologia microbiologica per capire se un microrganismo è responsabile di una malattia.

• Il microrganismo sospettato deve essere costantemente presente negli animali malati ma non deve essere presente in quelli sani.
• Il microrganismo deve essere coltivato in una coltura pura in ambiente sterile, come in laboratorio.
• Questa coltura se inoculata in un animale sano deve dare i sintomi caratteristici della malattia.
• Una volta che l'animale infettato è morto, si deve procedere ad isolare i microrganismi dal suo sangue e capire se sono uguali a quelli inoculati inizialmente, allora in tal caso la malattia sarà causata proprio dal quel microrganismo.

Caratteristiche ed impieghi dei microrganismi

• I microrganismi sono stati i primi esseri viventi ad essersi sviluppati sul nostro pianeta e presentano una diversità filogenetica superiore addirittura a quella di piante e animali.
• Sono fra gli esseri viventi maggiormente numerosi e crescono in qualsiasi ambiente terrestre, purché sia presente almeno dell'acqua allo stato liquido.
• Sono in grado di trasformare la geosfera e di influenzare il clima, formando alcune sostanze che modulano la formazione delle nuvole.
• Sono i primi responsabili della fissazione del carbonio, dell'azoto e dello zolfo, in maniera tale che queste molecole possano essere metabolizzate da tutti gli altri organismi viventi.
• Sono utilizzati largamente in campo industriale per i processi di fermentazione, produzione di prodotti caseari, conservazione di cibi, produzione di medicinali (antibiotici e vaccini), produzione di energia (alcuni batteri sono detti infatti metanogeni, ossia in grado di formare metano, un combustibile energetico naturale). Sono inoltre utilizzati per risanare le aree inquinate (in quanto alcuni batteri sono in grado di degradare tramite il proprio metabolismo agenti inquinanti quali il petrolio, solventi e pesticidi) come nel caso delle “black-box” una coltura batterica in grado proprio di degradare le sostanze tossiche dall'ambiente, soprattutto coloro presenti nell'acqua. Sono infine utilizzati anche nelle industrie belliche, per la produzione delle cosiddette “armi batteriologiche”.
• Sono organismi con dimensioni comprese fra 0,3 micron e 0,2 millimetri. Possono vivere da soli o assieme ad altri organismi, tramite commensalismo, parassitismo o simbiosi e non hanno problemi di adattamento.
• Influenzano il comportamento animale e sono causa e portatori di malattie, talvolta anche mortali.
• Se i microrganismi non ci fossero gli altri esseri viventi sparirebbero, mentre se gli altri organismi non ci fossero la maggior parte dei microrganismi potrebbero tranquillamente sopravvivere!

Classificazione degli organismi e dei microrganismi

Gli organismi viventi possono essere divisi in tre grandi domini:

• Eukaria
• Bacteria
• Archea

Per poter classificare i microrganismi inizialmente si era pensato di poter utilizzare una classificazione tassonomica di tipo linneano, ossia nominandoli con un genere ed una specie (ad esempio “Bacillus Anthracis”). Tuttavia ben presto ci siamo accorti che questa classificazione non era applicabile ad un dominio così vasto e spesso pertanto si verificano degli errori o delle incomprensioni. Il metodo tutt'oggi utilizzato per classificare i microrganismi quindi, è una classificazione di tipo filogenetica, cioè basata sulla ricostruzione delle tappe evolutive di ogni microrganismo. Questa analisi è resa possibile dallo studio del DNA e dell'r-RNA di ciascuno dei microrganismi!

I microrganismi possono essere classificati anche in base alla loro forma in:

• Cocchi: sono batteri di forma rotondeggiante che possono a loro volta presentarsi in coppia (diplococchi), formare una catena (streptococchi), formare una sorta di grappolo (Stafilococchi) o formare una forma regolare come ad esempio un cubo (Sarcine).
• Bacilli: sono batteri di forma allungata e sottile che possono a loro volta presentarsi in coppia (diplobacilli) o formare una catena (streptobacilli).
• Spirilli: sono batteri di forma allungata e sottile che per la presenza di alcune curvature tendano a formare una struttura quasi elicoidale o spiraliforme.
• Vibrioni: sono batteri caratterizzati dalla tipica forma a virgola.
• Spirochete: sono batteri caratterizzati dalla tipica forma a spirale.

Differenze fra procarioti ed eucarioti

Le principali differenze fra eucarioti e procarioti consistono in:

• Dimensioni: le cellule eucariotiche presentano dimensioni che variano attorno ai 10-100 micron, mentre le cellule procariotiche presentano dimensioni dieci volte più piccole, attorno ai 1-10 micron.
• Struttura cellulare: le cellule eucariotiche presentano una compartimentazione cellulare, ossia dei compartimenti dentro i quali vi è la presenza degli organuli cellulari, che a loro volta sono coinvolti nelle varie funzioni vitali. Le cellule procariotiche non hanno una compartimentazione e quindi le strutture cellulari sono immerse casualmente nel materiale citoplasmatico.
• Nucleo e DNA: All'interno di ogni organismo vivente, abbiamo la presenza della molecola portatrice dell'informazione genetica, il DNA. Alcuni tratti di DNA, compiono una specifica funzione e sono chiamati geni. I geni a loro volta assieme, formano il cosiddetto genoma. Detto ciò, nelle cellule eucariotiche il DNA è posto all'interno di un nucleo, posto generalmente nel centro della cellula stessa. Il DNA degli eucarioti è molto lungo, infatti arriva anche ad un metro e mezzo di lunghezza per ciascuna cellula. Ovviamente non ci accorgiamo della sua lunghezza perché il DNA va incontro al processo di super avvolgimento, indispensabile per poter entrare all'interno della cellula stessa. Il genoma eucariote varia da qualche miliardo di paia di basi (nell'essere umano), fino a qualche centinaia di miliardi di paia di basi (nelle spugne). Considerando che un gene è caratterizzato in media da mille paia di basi, significa che il genoma eucariote è costituito da milioni di geni. La maggior parte di questi geni sono introni, ossia geni non codificanti, la rimanente parte sono esoni, ossia geni codificanti ed attivi a livello della sintesi proteica. Nei procarioti non abbiamo la presenza del nucleo e pertanto il DNA tende a compattarsi in una regione spaziale non ben definita che prende il nome di Nucleoide. Il DNA dei procarioti si presenta con una forma circolare ed a volte anche lineare. Esso è più corto rispetto a quello degli eucarioti, infatti arriva a dimensioni di circa un millimetro. Il genoma procariote varia da qualche milione di paia di basi, fino a qualche centinaio di milioni di paia di basi. Considerando sempre che un gene è in media caratterizzato da mille paia di basi, significa che il genoma procarioti è costituito da migliaia di geni. Questi geni sono tutti codificanti ed attivi nella sintesi proteica. Soprattutto importantissimi sono i geni “House Keeping”, essenziali per le funzioni vitali della cellula. Oltre al classico DNA, i procarioti come i batteri presentano anche frammenti di DNA circolare sparso per il citosol, tali frammenti prendono il nome di Plasmidi, che conferiscono proprietà uniche al microrganismo. Ricordo inoltre che il ripiegamento del DNA del batterio è dovuto a delle proteine particolari che prendono il nome di “Histon-like”.
• Sintesi proteica: Negli eucarioti abbiamo il nucleo, quindi la trascrizione avviene nel nucleo. Il filamento di m-RNA trascritto va incontro a maturazione e passa dai pori del nucleo, sopraggiungendo nel materiale citoplasmatico a contatto con i ribosomi. A contatto con i ribosomi avverrà quindi la traduzione del filamento di m-RNA in amminoacidi che a loro volta formeranno proteine funzionali. Nei procarioti non abbiamo il nucleo e quindi la trascrizione e la traduzione avvengono entrambe nel materiale citoplasmatico. Inoltre avvenendo entrambe nel solito posto, il processo di sintesi proteica è anche molto più rapido e prende il nome di “trascrizione-traduzione”. La rapidità nel sintetizzare proteine è fondamentale al batterio per relazionarsi ed adattarsi con l'ambiente esterno molto rapidamente!
• Presenza della Parete: Negli eucarioti non tutti gli organismi presentano la parete cellulare, ad esempio le cellule animali no, mentre le cellule vegetali si. Nei procarioti, come i batteri, invece la maggior parte presenta la parete cellulare. La differenza sostanziale è nella composizione della quale è fatta la parete. Negli eucarioti la parete è fatta di polisaccaridi come la cellulosa ed acqua. Nei procarioti la parete è fatta da un eteropolimero che prende il nome di Mureina, detto anche “Peptidoglicano”.

Locomozione dei microrganismi

Per quanto riguarda i microrganismi, la principale struttura addetta al movimento e quindi alla locomozione è senza alcun dubbio il “Flagello”. Tale struttura ricordo che è presente nella maggior parte dei microrganismi, ma non in tutti. A seconda che il microrganismo abbia il flagello o meno infatti viene classificato in “Flagellato” colui che presenta i flagelli e “Aflagellato” colui che non ha i flagelli.

I microrganismi flagellati a seconda del numero di flagelli della quale sono dotati, vengono divisi in:

• Monotrichi: dotati di un solo flagello
• Anfitrichi: dotati di due flagelli posti rispettivamente alle due estremità opposte del microrganismo
• Lofotrichi: dotati di tanti flagelli che, generalmente, formano anche uno o più ciuffi su una delle due estremità del microrganismo