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Olimpia Pepe » 1.Introduzione, storia e sviluppi della microbiologia


Importanza dei microrganismi

Anche se generalmente si pensa ai microrganismi come causa di malattie infettive, in realtà solo pochi di essi causano infezioni. In effetti i microrganismi sono in grado di influenzare molti aspetti della nostra vita.

Quindi i microbi possono essere:

  • Causa di malattie che colpiscono il regno vegetale ed animale.
  • Causa di alterazioni di alimenti ma anche in grado di migliorare la loro conservazione.
  • Necessari per i cicli geochimici e la fertilizzazione del suolo.
  • Utilizzati come biomassa nel recupero e conversione della sostanza organica in agricoltura.
  • Produttori di farmaci e molecole per uso industriale.

Lez. 1, Fig. 1 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-6 Vol. inglese


Storia della microbiologia

Fino al XVII secolo si pensava che gli organismi viventi potevano generarsi spontaneamente dalla materia in decomposizione.

Solo alla fine del XIX secolo si è assistito al grande sviluppo della microbiologia con il crollo della teoria della generazione spontanea, la messa a punto della tecnica delle colture pure e l’introduzione del concetto di ecologia microbica.

Antony van Leeuwenhoek nel 1684 mise a punto un microscopio in grado di raggiungere ingrandimenti di 300 volte le dimensioni reali degli oggetti e riuscì a descrivere accuratamente le principali forme batteriche (sfere, bastoncelli e spirali) denominate da lui “animalcules”.

Figura 2. Antony van Leeuwenhoek (1632-1723)

Figura 2. Antony van Leeuwenhoek (1632-1723)

Figura 3. Microscopio di van Leeuwenhoek (1684)

Figura 3. Microscopio di van Leeuwenhoek (1684)


La fine della teoria della generazione spontanea

Molti sostenevano che i batteri si generavano spontaneamente dalla materia non vivente.

Louis Pasteur (Fig. 4) fu un tenace oppositore di questa teoria. Egli sosteneva che nell’aria erano presenti organismi simili a quelli ritrovati sul materiale in putrefazione. Filtrando dell’aria e osservando il filtrato al microscopio egli ritrovava gli stessi organismi presenti nel materiale deteriorato. Inoltre, trattando gli alimenti al calore essi non si deperivano.

Esperimento di Pasteur (1861): trattando al calore un liquido nutritivo esso non si intorbida per la crescita dei microrganismi ma secondo i sostenitori della generazione spontanea il riscaldamento dell’aria alterava l’aria stessa impedendo alle nuove vite di generarsi dal nulla!

L’esperimento di Pasteur (Fig. 5) con i palloni a collo di cigno dimostrò che il contatto con l’aria di un liquido reso sterile da un trattamento termico, determina la crescita microbica e l’intorbidamento di tale liquido.

Figura 4. L. Pasteur (1822-1895) oppositore della teoria della generazione spontanea

Figura 4. L. Pasteur (1822-1895) oppositore della teoria della generazione spontanea


Generazione spontanea o biogenesi

Lez. 1, Fig. 5 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-11 Vol. inglese


Introduzione del concetto di eziologia

Microbi come agenti di malattie: in passato si riteneva che le malattie infettive contagiose venissero diffuse attraverso il contagio da persona malata a persona sana.

Robert Koch (Fig. 6) nel 1876 introduce il concetto di eziologia dimostrando la relazione fra malattia e batteri. Egli studiò una malattia del bestiame, il carbonchio (antrace), e scoprì che il sangue degli animali infetti conteneva cellule microbiche del batterio Bacillus anthracis (Fig. 7). Se tale sangue era iniettato in un secondo animale questo si ammalava e moriva. Tale la malattia poteva essere passata anche ad un terzo e un quarto animale fino a sterminare una mandria intera.

Figura 6. Robert Koch (1843-1910) grande microbiologo clinico

Figura 6. Robert Koch (1843-1910) grande microbiologo clinico

Figura 7. Appunti di Robert Koch riproducenti la morfologia di Bacillus anthracis

Figura 7. Appunti di Robert Koch riproducenti la morfologia di Bacillus anthracis


I postulati di Koch (Fig. 8)

  1. L’agente causale deve essere presente in tutti i casi della malattia di cui è ritenuto responsabile e deve essere invece assente negli individui sani.
  2. L’agente causale deve essere isolato dall’individuo infetto e, posto in coltura, deve dare origine ad una popolazione cellulare omogenea (una sola specie).
  3. L’inoculo di una coltura pura dell’agente causale in individui sani deve dare luogo alla comparsa della malattia di cui si ritiene responsabile.
  4. L’agente causale deve essere re-isolato dall’individuo infettato sperimentalmente.

Lez. 1, Fig. 8 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-12 Vol. inglese


I pionieri della microbiologia del suolo

Il tedesco Martinus Beijerinck (Fig. 9) contribuisce allo sviluppo dell’ecologia microbica e spiega le funzioni dei microrganismi nei cicli biogeochimici della materia. Mise a punto i terreni di arricchimento e propose l’uso dei terreni selettivi che gli permisero di scoprire, descrivere e isolare microrganismi da ambienti naturali come suolo e acqua, con specifiche attività fisiologiche (funzionali) come gli azotofissatori, batteri degradanti la cellulosa, solforiduttori e denitrificanti.

Martinus Beijerinck isolò e identificò per la prima volta il batterio azotofissatore Azotobacter chroococcum la cui morfologia e descrizione sono stati ritrovati nei suoi appunti datati 31 dicembre 1900 (Fig. 10).

Figura 9. Martinus Beijerinck (1851-1931)

Figura 9. Martinus Beijerinck (1851-1931)

Lez. 1, Fig. 10 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-14 pag 16 vol.1


I pionieri della microbiologia del suolo

Il russo Sergej Winogradsky (Fig. 11) studia i batteri del suolo e avvia gli studi sui batteri solfossidanti e nitrificanti. Scopre la capacità dei batteri di ricavare energia dall’ossidazione del ferro, dello zolfo e dell’ammoniaca.

Studiando il batterio Beggiatoa capace di utilizzare le sostanze chimiche inorganiche come fonte di energia, introduce il concetto di chemiolitotrofia, chemioautotrofia e azotofissazione (Fig. 12).

Figura 11. Sergej Winogradsky (1856-1953)

Figura 11. Sergej Winogradsky (1856-1953)

Lez. 1, Fig. 12 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-16 pag 17 vol.1


Sviluppo della microbiologia nel XX secolo

E’ solo negli anni ‘40 che la microbiologia stabilisce più strette relazioni con le altre discipline biologiche, grazie alle interazioni che si sono venute a creare con la biochimica e la genetica.

I microrganismi costituiscono un utile materiale da esperimento, in quanto sono forme biologiche relativamente semplici, presentano una crescita rapida, possono essere coltivati su larga scala.

La confluenza tra discipline come la microbiologia, la genetica e la biochimica portò ben presto allo sviluppo della genetica moderna e della biologia molecolare (Fig. 13).

  • Beadle &Tatum (1941). Formulano l’ipotesi un gene-un enzima.
  • Avery (1944). Dimostra che il DNA veicola informazioni durante la trasformazione.
  • Watson & Crick (1953). Propongono la struttura a doppia elica del DNA.
  • Nirenberg et al. (1961-66). Spiegano il codice genetico.
  • Arber & Smith (1970). Scoprono gli enzimi di restrizione.
  • AA.VV. (1979). Sintesi dell’insulina mediante le tecniche del DNA ricombinante.
  • Mullis (1984). Sviluppa la PCR (reazione a catena della polimerasi).

Tappe fondamentali della microbiologia

Lez. 1, Fig. 13 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 1-17 pag 19 vol.1


Classificazione dei microrganismi

SISTEMA FILOGENETICO (comparazione del materiale genetico microbico) che utilizza l’ANALISI GENETICA e l’ANALISI DELLE SEQUENZE come tecnica di classificazione.

Analisi genetica: valutazione della percentuale in G+C; grado d’ibridazione del DNA.

Analisi delle sequenze: sequenza aminoacidica delle proteine; sequenza nucleotidica delle molecole di RNA.

L’albero filogenetico della vita (Fig. 14) che mostra due domini procariotici (Bacteria e Archea) e uno eucariotico (Eucarya), è ottenuto dalla comparazione delle sequenze dell’RNA ribosomiale (16S e 18S).

L’albero filogenetico dei batteri (Fig. 15) mostra la numerosità dei generi e delle specie rappresentata dalla grandezza dei riquadri colorati. Il riquadro giallo (Env-Op2) si riferisce alle sequenze geniche di batteri isolati direttamente dall’ambiente.

SISTEMA FENETICO: si basa sulla comparazione dei caratteri fenotipici.

TASSONOMIA NUMERICA come tecnica di classificazione.

Figura 14. Albero filogenetico della vita

Figura 14. Albero filogenetico della vita

Lez. 1, Fig. 15 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 2-9 pag.30 + 16-1 pag 3 vol.2A


Classificazione in cinque regni

Figura 16. Adattamento del sistema classificativo ai cinque regni

Figura 16. Adattamento del sistema classificativo ai cinque regni


I settori della microbiologia

Figura 17. Il grande interesse economico crea spunti per lo studio di numerose discipline

Figura 17. Il grande interesse economico crea spunti per lo studio di numerose discipline


I materiali di supporto della lezione

Storia della Microbiologia

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