Storia e Scopi della Microbiologia

Storia e Scopi della
Microbiologia
la vita è un germe e un germe è la
vita……….
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Effetti dei microrganismi sulla
civiltà
• Peste, vaiolo, tifo, colera, malattie polmonari
• Declino dell’Impero Romano (565 d.C.) accelerato da epidemie di
peste bubbonica e di vaiolo
• 1346: l’epidemia di peste bubbonica (“morte nera”) ha causato 100
milioni di morti in Europa, Nord Africa e medio Oriente, dimezzato la
popolazione della Provenza nel 1720-22, provocato 6 milioni di morti
in India 1896. • Conquista dell’America accelerata da epidemia di influenza tra i nativi
americani
• Sconfitta di Napoleone a Waterloo nel 1815: 1/3 dei morti dovuti a
malattie • Guerra civile americana (1861-65): 183000 morti per ferite, 390000
vittime di malattie infettive.
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Scoperta dei Microrganismi
• • • • • A. Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)
1) Era un mercante olandese
2) Aveva pochissima esperienza scientifica formale
3) Ha inventato il microscopio
4) Ha usato il suo microscopio per studiare molte cose
• a) E' stato il primo a descrivere la natura cellulare degli • esseri viventi
• b) E' stato il primo a vedere batteri e protozoi (animalcules)
• Le sue osservazioni vennero utilizzate 200 anni dopo da Pasteur, Kock ed
altri scienziati
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La controversia sulla generazione
spontanea
• Era noto che se un estratto di carne (brodo), veniva lasciato a
temperatura ambiente, esso rapidamente diveniva torbido a
causa della presenza di microbi.
• Da dove provenivano questi microbi? Esistevano due scuole di
pensiero:
• 1) generazione spontanea
• 2) formazione da semi o germi
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La controversia sulla generazione
spontanea
• • • • • • Aristotele (384-322 a.C.)
formazione delle rane dal terreno umido, topi dal grano in putrefazione etc.
Queste idee persistettero fino al diciassettesimo secolo inoltrato.
Francesco Redi (1626-1698)
Nel 1688, fu il primo che contestò la teoria della generazione spontanea.
Dimostrò che se un pezzo di carne viene tenuto al riparo dalle mosche, non si
sviluppano vermi (larve). MICROBIOLOGIA GENERALE C. Mazzoni 7
La controversia sulla generazione
spontanea
• Lazzaro Spallanzani (1729-1799)
• Lazzaro Spallanzani osservò (1750 circa) che se il brodo veniva posto in
beute riscaldate ed ermeticamente sigillate, non si aveva l’intorbidimento
del liquido (successiva applicazione all’inizio del 19th secolo di questo
metodo chiamato appertizzazione per la conservazione degli alimenti)
• I critici argomentarono che la mancata crescita era dovuta all’assenza di
aria nelle beute in seguito alla chiusura ermetica
• John Needam (1713-1781)
• Osservò la comparsa di microrganismi sulla carne e ne dedusse che erano
originati spontaneamente
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Ancora prove contro la
generazione spontanea
• Franz Schulze e Theodor Swann fecero passare l’aria attraverso
soluzioni acide forti o tubi incandescenti.
• Gli oppositori affermarono che così veniva alterata l’aria
• Intorno al 1850 Schroder e von Dusch fecero passare l’aria attraverso
il cotone
• I microbi venivano così eliminati tramite filtrazione (ancora oggi a
volte i tubi da batteriologia vengono chiusi con tappi di cotone).
• Pouchet nel 1859 ancora sostiene la generazione spontanea.
• Nel 1864 Pasteur presenta il suo esperimento con i palloni a collo di
cigno
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Esperimento di Pasteur con beute
a “collo di cigno”
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Esperimento di Pasteur con beute
a “collo di cigno”
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Esperimento di Pasteur con beute
a “collo di cigno”
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1688
1864
• “ e pertanto, signori, io potrei indicare quel liquido e dire: ho preso
questa goccia di acqua dall’immensità del creato, l’ho presa
completa degli elementi favorevoli allo sviluppo degli esseri
inferiori. E ho aspettato, ho osservato, l’ho interrogata implorandola
di ricominciare per me lo spettacolo della prima creazione. Ma essa
è rimasta muta, muta sin dall’avvio di questi esperimenti molti anni
orsono; è rimasta muta perché io l’ho tenuta lontana dalla sola cosa
che l’uomo non può produrre, dai germi che fluttuano nell’aria,
dalla vita, perché la vita è un germe e un germe è la vita ....”
• Mai più la teoria della generazione spontanea si risolleverà dal
colpo mortale inflittogli da questo semplice esperimento
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Gli esperimenti di Tyndall
Ferdinand Cohn
• Costruì una cassetta progettata per dimostrare che i germi sono trasportati
dalla polvere.
• Osservò che la bollitura non eliminava alcune forme di vita
• Riconoscimento della presenza di batteri termolabili e termoresistenti
• Conferma da parte di Ferdinad Cohn della presenza di forme quiescenti nei
batteri del fieno (endospore) resistenti al calore. Descrisse il ciclo vitale di
Bacillus. MICROBIOLOGIA GENERALE C. Mazzoni 14
Microrganismi e trasformazione
della sostanza organica
• Nel 1837 Cagniard-Latour, Schwann e Kutzing
indipendentemente avanzarono l’ipotesi che il lievito fosse
responsabile della conversione degli zuccheri in alcool
(fermentazione).
• I chimici erano contrari a questa teoria, ma fu proprio un
chimico (Pasteur) a dimostrare che tutti i processi fermentativi
sono il risultato di attività microbiche
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Luis Pasteur (1822-1895)
• Chimico di formazione, si interessò inizialmente alla fermentazione, su
commissione dell’industria vinaria francese
• 1) Osservò che i buoni vini contenevano un tipo di microbo, che noi
ora sappiamo essere il lievito
• 2) I vini andati a male, d’altro canto, presentavano microbi più piccoli,
che noi ora sappiamo essere batteri
• 3) Osservò che un trattamento del mosto ad alta temperatura per un
breve periodo, prima dell’aggiunta del lievito, riduceva il batterio che
causava la formazione di acido acetico
• 4) Pastorizzazione
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Microbi e malattie
Riconoscimento del ruolo microbico nelle malattie
• Già ai tempi dei romani, il filosofo Lucrezio propose che le malattie
fossero causate da creature viventi invisibili
• Il fisico Fracastoro suggerì di nuovo questa possibilità agli inizi del
XVI secolo
• La prima vera evidenza scientifica di malattie causate da microbi
venne dal chirurgo inglese Joseph Lister nel 1867
• 1) Usò come base il lavoro di Pasteur sulla fermentazione • 2) Postulò che i microbi erano la maggiore causa di infezioni • 3) Mostrò che la sterilizzazione al calore degli strumenti ed il
trattamento dell’area operata con 3% di acido carbonilico (fenolo)
riduceva drasticamente il tasso d’infezione
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R. Koch ed il carbonchio
• Koch, nel 1877, stabilì il legame tra la presenza del Bacillus anthracis
e la malattia.
• Infatti iniettò dei topi sani con estratti di topi malati. Fece questa
operazione in serie 20 volte e alla fine ritrovò lo stesso microbo nella
milza dei topi infettati
Questo metodo per provare la causa della malattia
è ora chiamato “postulato di Koch”
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Postulati di Koch
• 1) il microbo deve essere presente in tutti gli individui malati e
mai in quelli sani
• 2) deve poter essere isolato e cresciuto in una coltura pura
• 3) la stessa malattia deve svilupparsi quando questo microbo
viene reiniettato in un individuo sano
• 4) lo stesso microbo deve essere reisolato di nuovo nell’ospite
malato
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Pleomorfosmo o monomorfismo?
Un osservazione fu che la
morfologia dei microbi osservati
durante la coltura, cambiava nel
tempo.
1) si tratta dello sviluppo
successivo di molti
tipi di
microrganismi
diversi
(monomorfismo)
2) è la trasformazione di una
singola
specie
microbica
(pleomorfismo)
Per dare una risposta a questo interrogativo e proseguire con le scoperte
il passo successivo fu lo sviluppo e la messa a punto del metodo di
coltura pura
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La tecnica della coltura pura
• Definizione: una coltura pura è una popolazione di organismi rappresentanti la
progenie di un singolo organismo
• 1) In natura, i microbi non si trovano quasi mai in colture pure
• 2) In laboratorio, è molto difficile lavorare con colture miste. Quasi tutti i studi
di laboratorio dipendono da colture pure
• 3) Ciò spesso porta ad una mancanza nella comprensione di ciò che avviene in
natura
• Colture pure di batteri furono ottenute per la prima volta da Joseph Lister nel
1878 mediante diluizioni successive in terreni liquidi
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Robert Koch (1843-1910)
• Fisico tedesco, realizzò che lo sviluppo di una tecnica per
ottenere una coltura pura era vitale. Lui e la sua scuola, misero
a punto molte tecniche di coltura microbica ancora oggi in uso.
• Il primo passo fu la messa a punto di terreni di coltura solidi.
L’amido era metabolizzato dai microrganismi e la gelatina era
liquida a 37°C. Fannie Hesse, moglie di un suo collaboratore,
propose di utilizzare l’agar. Richard Petri, un assistente di
Koch, mise a punto dei piatti di vetro poco profondi da usare
come contenitori. Ancora oggi questi oggetti vengono chiamati
“capsule di Petri”. • Un importante contributo fu infine la nozione di poter
utilizzare materiali naturali per coltivare i batteri
• Per l’isolamento di molti patogeni furono usato estratti di carne
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La vaccinazione e gli inizi
dell’immunologia
• Il lavoro di Pasteur, e dei suoi collaboratori, fu limitato dalla riluttanza di
Pasteur nell’adottare il metodo delle colture pure messo a punto da Koch
• Anche Pasteur, indirizzò i suoi interessi verso le malattie. Quasi per caso,
scoprì che il batterio che causa il colera nel pollo poteva essere attenuato.
Applicò questo principio per la produzione di un vaccino attenuato contro la
rabbia.
• Il termine “vaccino” fu usato in onore del medico E. Jenner, che per primo osservò che i
mungitori che venivano a contatto con le ferite delle mucche (vaiolo vaccino) non contraevano il
vaiolo umano. MICROBIOLOGIA GENERALE C. Mazzoni 25
Il principio dell’immunizzazione
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Scoperta dei virus
• Nel 1892 D. Iawanowsky scopre l’esistenza di un agente filtrabile
submicroscopico in grado di provocare infezioni (virus del mosaico del
tabacco).
• Fu quindi scoperta un’intera classe di particelle infettive di dimensioni molto
più piccole degli organismi conosciuti fino ad allora.
• La vera natura dei virus comunque, rimarrà sconosciuta per decenni. Il virus
del mosaico del tabacco per esempio, verrà isolato in forma cristallina nel
1937.
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I microrganismi come agenti
geochimici
• S. Winogradsky e N.W. Beijerinck svolsero un ruolo fondamentale per la
definizione del ruolo dei microrganismi nei cicli del carbonio, azoto e zolfo.
• I microrganismi infatti possiedono una vasta gamma di differenze fisiologiche
e possono effettuare trasformazioni che ne’ animali o piante possono
effettuare.
• Il ruolo più importante è quello svolto dai microrganismi che fissano l’azoto
atmosferico contribuendo all’apporto di azoto combinato dal quale dipendono
tutte le altre forme viventi
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Penicillina:
In Alexander 1928 Fleming stava esaminando una piastra su
cui stava provando a sviluppare gli stafilococchi. Fleming era
un batteriologo piuttosto disordinato che lasciava le sue colture
sul bancone del laboratorio per le settimane. Notò che
un agente inquinante, una muffa verde, crescendo sulla piastra
aveva inibito la crescita dagli stafilicocchi
Come si spiega questo fenomeno?
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Spiegazione:
La muffa ha prodotto un prodotto chimico
tossico.
La muffa ha prodotto un enzima digestivo.
La muffa è stata chiamata Penicillium notatum .
La sostanza che stava producendo è stata chiamata penicillina
Solamente nel 1941, tredici anni dopo, la penicillina fu usata
per curare l’uomo.
Perché ci è voluto così tanto tempo?
- Fleming non era un biochimico e la penicillina si è rivelata essere difficile da purificare
- il suo era un piccolo laboratorio e non c’erano fondi sufficienti per continuare questa ricerca
quindi il suo direttore decise di eliminarla.
- Nel 1939 i biochimici Howard Florey e Ernst Chain furono in grado di produrre quantità
utilizzabili di penicillina, ma per molto tempo questa era talmente preziosa che veniva riestratta
dalle urine dei pazienti trattati.
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Streptomicina.
Nel 1932 Selman Waksman mostrò che
il Mycobacterium tuberculosis, causa di tuberculosi, moriva
in presenza di alcuni batteri isolati dal suolo.
Nel 1953, coniò il termine antibiotico per spiegare questo
fenomeno:
“ una sostanza chimica, prodotta da microrganismi,
che abbia la capacità di inibire la crescita, ed eventualmente distruggere
batteri ed altri microrganismi, in soluzioni diluite”.
Nel 1943, un studente di Waksman, Albert Shatz, isolò un microrganismo,
Streptomyces griseus con proprietà antibiotiche. L’antibiotico fu chiamato
Streptomicina e fu il primo antibiotico risultato attivo sui bacilli gram-negativi e
Mycobacterium tuberculosis.
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Lo sviluppo della microbiologia
nel ventesimo secolo
• Scoperta degli antibiotici
• Durante gli anni 1940, molti scienziati americani scoprirono sistemi genetici
nei batteri e nei loro virus
• I batteri divennero il sistema d’elezione per lo studio della replicazione del
DNA, la sintesi proteica
• Negli anni 1960’ furono scoperti i sistemi di restrizione batterici. Questa
osservazione portò alla scoperta degli enzimi di restrizione e fondò le basi
della moderna ingegneria genetica.
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Lo sviluppo delle maggiori
sottodiscipline in campo
microbiologico
• • • • • • • Microbiologia medica
Immunologia
Microbiologia agraria
Microbiologia delle acque
Ecologia microbica
Fisiologia microbica
Microbiologia industriale
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Applicazioni della
Microbiologia
• • • • • • Microbi patogeni causano malattie nell’uomo, negli animali, nelle piante e, a volte, in altri
microbi.
La flora batterica sulla pelle e nell’intestino ci protegge dall’attacco di microrganismi patogeni.
Industria. I microbi contaminano i cibi, ma nello stesso tempo sono utilizzati nella produzione
di formaggi, vino, yogurt ed antibiotici. Attraverso l’ingegneria genetica è stata possibile la
produzione dell’insulina, l’ormone della crescita, antibiotici ed altri prodotti.
Alimentazione. Le proteine derivate da questi organismi unicellulari sono appetibili perché a
basso costo e potrebbero rappresentare nel futuro una fonte alimentare. Yogurt e kefir sono
prodotti alimentari costituiti essenzialmente da colture batteriche. Infine, birra, vino ed altre
bevande alcoliche, derivano dalla fermentazione dello zucchero ad opera del lievito.
Ecologia. I microbi sono importanti per il riciclo dei nutrienti negli ecosistemi, la degradazione
dei pesticidi, e la degradazione microbica del petrolio riversato in natura (Es. il petrolio riversato
in natura durante la guerra del golfo). Per questo scopo sono stati utilizzati batteri geneticamente
modificati.
Militare. Batteri, spore batteriche, virus e tossine microbiche sono state (purtroppo) sviluppati e
a volte usati come “fucili militari” (guerra batteriologica).
MICROBIOLOGIA GENERALE C. Mazzoni Processi industriali di
origine microbica
Produzione di farmaci
Produzione di
polisaccaridi
Produzione proteine
Produzione di acidi
organici e solventi
produzione di insetticidi
Produzione di vitamine
Produzione di
amminoacidi
Produzione di alimenti e
bevande
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Prodotto
penicilline, cefalosporine,
streptomicina, tetracicline ed altri
antibiotici, Trasformazione di steroidi,
Insulina, interferone, ormone della
crescita
Destrano, xantano
Proteine microbiche da: alcani di
petrolio, scarti di pasta di carta,
metano e metanolo
Etanolo (da glucosio), acetone,
butanolo, acido citrico e gluconico,
acido itaconico, acido lattico
Tossine attive contro lombrichi, tarme
e altri insetti, endospore attive contro
gli scarafaggi giapponesi
Riboflavine e vitamina B12
L-lisina e L-acido glutammico
Birra, vino, salsa di soia, formaggi,
yogurt, aceto,pane
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