Autore Bruno Pacifici
Storia della Microbiologia
La prima persona a riportare di
aver visto microbi sotto il microscopio fu un inglese, Robert
Hooke. Lavorando con un microscopio rudimentale attorno al 1665
vide la struttura cellulare delle piante.
Riuscì anche a vedere I funghi .
In ogni caso per la bassa qualità delle sue lenti fu apparentemente
impossibilitato dal vedere i batteri.
Il primo microbiologo fu Anton
van Leeuwenhoek.
Sebbene
non fu il primo a scoprire il microscopio o a usare le lenti di ingrandimento,
fu il primo a vedere e descrivere i batteri. Era un mercante di stoffe che
viveva in Olanda a Delft e usava le lenti per vedere la qualità delle stoffe.
In un viaggio in Inghilterra del 1668 per vedere stoffe inglesi trovò lenti più
potenti di quelle che aveva. Al ritorno in Olanda sviluppò lui stesso delle
lenti e le testò guardando ogni cosa avesse davanti, fino a vedere i microbi. Fece numerosi microscopi in argento e oro
e arrivò a vedere cosa c’era sui suoi denti e perfino il suo seme.
Le sue lenti migliori potevano ingrandire 300-500 volte
consentendogli di vedere microscopiche alghe, protozoi e larghi batteri. Usava
lenti singole per i suoi microscopi (a sinistra un modello). Scrisse delle sue
osservazioni alla Royal Society di Londra nel 1676 e incluse numerosi disegni.
Numerose persone accorsero a Delft
incuriositi e vennero convinti dell’esistenza di queste bestie che li
circondavano.
Fu uno scienziato eccellente ed un grande osservatore
eccetto per il difetto di non lasciare copiare le sue tecniche e verificare i
suoi risultati. A causa di questo e del fatto che non associarono a quel tempo
i microbi con le malattie bisogna aspettare ancora 200 anni prima che la
microbiologia prenda il volo.
Nel 1800 le persone (principalmente poveri) cominciarono a usare gli ospedali. Nel 1841 (30 anni prima della teoria germinativa delle malattie) un giovane dottore Ignaz Semmelweis fu impiegato per gestire un padiglione per la maternità in un ospedale di Vienna. Notò che in una corsia gestita da dottori la morte delle gestanti accadeva per il 18% a causa di sepsi puerperale (causata da uno streptococco) , mentre in un'altra gestita da ostetriche il numero di morti erano molto più basse. Quando suggerì che la causa delle morti poteva essere fatta risalire ai dottori stessi fu licenziato. Successivamente ripreso, vide un amico morire di sepsi puerperale dopo aver fatto un autopsia a un paziente morto di sepsi puerperale. Concluse che doveva essere stato un agente invisibile a causare entrambe le morti e che l’agente poteva trasferirsi dalla stanza delle autopsie alla stanza delle nascite e infettare così le madri partorienti. Sulla base di questa assunzione istituì misure sanitarie compresa quella di far lavare le mani con disinfettanti ai dottori e di fargli cambiare il camice sporco di pus e sangue quando si spostavano dalla stanza delle autopsie a quella del parto. Sotto la sua vigilanza le morti delle gestanti scesero dei 2/3. Comunque le proteste dei dottori furono così forti che venne nuovamente licenziato e lasciò Vienna. Lavorò in altri ospedali dove istituì gli stessi standard di pulizia che risultarono in uno stesso declino delle morti e in una rivolta dei suoi colleghi. Semmelweis finì i suoi giorni morendo in un insano ospedale a causa di sepsi puerperale (vendetta dei batteri?)
La generazione spontanea
La totalità delle persone aderiva all’idea comoda della generazione spontanea. Per di più i religiosi la vedevano come una via conveniente per dimostrare che la mano di Dio operava continuamente nel mondo. Alcuni, come J.B. van Helment descrissero persino come si poteva far crescere i topi partendo da grano, una vaschetta e stracci sporchi mettendoli insieme in un posto buio per un paio di settimane. Una persona più percettiva, Francesco Redi, testò l’idea comune che le larve delle mosche nascono spontaneamente sulla carne in decomposizione. Lui mise tre pezzi di carne in tre vasetti, uno lasciato aperto, uno chiuso fortemente e uno coperto con una garza fine. Le larve apparvero solo nel contenitore aperto, non importava quanto tempo restassero chiusi i vasetti.
Altri studiarono esperimenti tesi a testare la teoria della generazione spontanea e la maggior parte di essi indicavano che la generazione spontanea non poteva avvenire. La controversia su questo argomento portò gradualmente all’affermarsi del metodo scientifico teso a regolare come dovessero svolgersi gli esperimenti e su che base dovessero essere presentati i risultati. Il fiorire di esperimenti con questo metodo portò moltissime persone a scartare la teoria della generazione spontanea.
Solo l’avvento del microscopio e l’impossibilità di spiegare come quegli “animalcula “potessero formarsi diede una grossa ripresa alla teoria della gen.spont.
La scoperta che i brodi riscaldati e poi sigillati (facendo sciogliere il vetro) non portavano alla formazione di nessuna forma di vita da parte di Spallanzani, suggerì nuovamente che la teoria della gen.spont. non potesse funzionare. I suoi esperimenti furono immediatamente criticati perché lui faceva mancare l’aria, indispensabile alla vita. Bisognerà aspettare il 1859 quando L.Pasteur decise di farla finita definitivamente con la teoria della gen.spont.
Pasteur,
Louis (Dôle 1822 - Villeneuve-l’Etang, Seine-et-Oise 1895), chimico
e biologo francese, fondatore della moderna microbiologia.
Figlio di un conciatore di pelli,
studiò all’Ecole Normale Supérieure di Parigi, conseguendo il dottorato in
fisica e chimica nel 1847. Le sue prime ricerche furono nel campo della
cristallografia.
Studi sulla fermentazione
Nel 1854, nominato professore
di chimica alla facoltà di scienze di Lilla, Pasteur iniziò a occuparsi di fermentazione,
stimolato dalle richieste dei produttori di bevande alcoliche della regione.
Gli scienziati dell’epoca ritenevano che la fermentazione alcolica fosse un fenomeno esclusivamente chimico;
Pasteur riuscì invece a dimostrare il ruolo essenziale svolto dai
microrganismi, e in particolare dal lievito, in questo processo. Scoprì, inoltre, che la
riproduzione indesiderata di sostanze quali l’acido
lattico o l’acido acetico nelle
bevande alcoliche è dovuta alla persistenza di microrganismi di varia natura,
tra cui batteri, all’interno di questi
prodotti. Grazie a queste scoperte fu possibile elaborare sistemi efficaci di
eliminazione dei microrganismi dannosi, che rappresentavano un grave problema
economico per l’industria vinicola e birraria.
L’estensione di queste ricerche ai problemi di conservazione del latte lo portarono a ideare il processo, oggi conosciuto con il nome di pastorizzazione, che consente di uccidere i microrganismi dannosi eventualmente presenti nel latte, portando il liquido a 60-70 °C per breve tempo prima dell’imbottigliamento. N.B.: la pastorizzazione uccide solo gli organismi che possono deteriorare il prodotto, ma consente a molti microbi di sopravvivere, mentre la sterilizzazione uccide tutti gli esseri viventi del materiale trattato.
Dimostrazione della falsità della teoria della generazione spontanea
Come prosecuzione naturale delle linee di ricerca
precedenti, Pasteur affrontò il problema dell’origine dei microrganismi.
Secondo la teoria della generazione spontanea,
all’epoca dominante, i microrganismi si originavano spontaneamente dalle
sostanze organiche. Sosteneva che
alcune forme di vita inferiore, specialmente gli insetti,
nascessero spontaneamente a partire da sostanze inorganiche, per mezzo di forze
fisico-chimiche. Questa teoria rimase incontrastata fino a dopo la metà del
XVII secolo, quando il medico e poeta italiano Francesco Redi
confutò, attorno al 1668, il pensiero comune che le
larve delle mosche fossero generate dalla carne in putrefazione esposta
all'aria. Nel 1768 il naturalista italiano Lazzaro Spallanzani mostrò, inoltre, che le soluzioni contenenti microrganismi, se bollite
e poi sigillate, non davano più origine allo sviluppo di microrganismi. Nel
1836 il naturalista tedesco Theodor Schwann
confermò queste ipotesi con esperimenti più accurati.
Il passo
successivo verso la definitiva confutazione della teoria della generazione
spontanea fu intrapreso dal chimico e microbiologo francese Louis Pasteur, che sintetizzò le sue scoperte nella Teoria
generale dei germi patogeni. Nell'esperimento cardine della sua teoria,
Pasteur fece bollire del brodo di carne in un pallone di vetro, con il collo
piegato a forma di S: nella maggior parte dei casi non si aveva alcuno sviluppo
di microrganismi. Se, tuttavia, dopo la bollitura il collo veniva spezzato alla base, oppure mosso come in figura, dopo qualche giorno il
brodo si riempiva di microscopiche forme di vita. Da questo esperimento Pasteur
dedusse che i microrganismi osservati non si originassero spontaneamente dal
brodo, ma penetrassero al suo interno dall'ambiente circostante.
In conclusione, incoraggiato dai risultati di Francesco Redi, risalenti al XVII secolo, Pasteur
con alcuni esperimenti cruciali riuscì a dimostrare che l’antica teoria non
aveva alcun fondamento. Questi risultati diedero inizio a un’aspra polemica con
il biologo francese Félix Pouchet, che si concluse con l’accettazione dei
risultati di Pasteur da parte dell’Académie des Sciences (1864).
Studio delle malattie del baco da seta
Nel 1865 Pasteur fu chiamato da
Parigi, dove nel frattempo era divenuto direttore degli studi scientifici
dell’Ecole Normale, per venire in aiuto all’industria della seta del Sud della Francia, che si era trovata
improvvisamente in gravi difficoltà a causa di un’epidemia che aveva colpito i bachi da seta. Pasteur riuscì a dimostrare la natura
contagiosa ed ereditaria della malattia, indicandone anche i metodi di
prevenzione.
Teoria generale dei germi patogeni
Gli studi sulla fermentazione e
sulla generazione spontanea ebbero importanti ripercussioni in medicina, in quanto Pasteur intuì l’importanza del
ruolo dei microrganismi nell’origine e nello sviluppo delle malattie: l’introduzione delle tecniche asettiche
nella pratica chirurgica da parte del medico britannico Joseph Lister fu influenzata dalla lettura dei risultati dello
scienziato francese.
Fondatore della moderna immunologia
Realizzò che i polli diventavano immuni a una malattia di origine batterica se iniettati con la forma attenuata (non virulenta) del batterio. Mentre investigava il colera dei polli, iniettò ad alcuni polli una vecchia coltura del patogeno. Visto che i polli non morivano realizzò che la coltura non era più patogenica, forse perché i batteri erano morti., così ripetè l’esperimento con una coltura fresca. Soltanto alcuni polli morirono. Chiedendo spiegazioni all’assistente su quali polli non erano morti si accorse che erano quelli preventivamente trattati con la coltura “vecchia”. In uno di quei lampi di genio che possono cambiare il corso della storia realizzò che le vecchie colture avevano immunizzato i polli.
Ricerche sul carbonchio
Negli anni Ottanta Pasteur si
dedicò allo studio delle caratteristiche del carbonchio, una malattia del bestiame spesso fatale, isolandone il
bacillo patogeno responsabile. Inoltre mise a punto un sistema di prevenzione
di questa malattia, che contagiando gli animali con una forma attenuata del
bacillo assicurava l’immunità contro le forme più aggressive e virulente.
Vaccino antirabbico
Pasteur, che nel corso della
sua vita investigò le cause e i sistemi di prevenzione di svariate patologie,
quali setticemia, colera,
difterite, colera
dei polli, tubercolosi e vaiolo, viene ricordato soprattutto per i suoi
studi sulla rabbia. Per la prevenzione di
questa malattia riuscì a sviluppare una forma attenuata del virus responsabile,
utilizzabile come vaccino.
Dalla prima sperimentazione
umana (1885), il vaccino antirabbico ha contribuito a salvare migliaia di
persone.
Nel 1888 fu fondato a Parigi l’Istituto Pasteur, diretto da Pasteur stesso fino alla morte; oggi è uno dei centri più importanti del mondo per la ricerca in biologia e genetica molecolare e per gli studi sulle malattie infettive.
Koch, Robert (Klausthal,
Hannover 1843 - Baden-Baden 1910), scienziato tedesco, fondò la moderna batteriologia medica. Isolò gli agenti responsabili di una serie di malattie infettive, tra
cui quelli della tubercolosi, identificandone anche i vettori animali.
Durante tutta la durata della sua carriera si dedicò, inoltre, alla messa a
punto di tecniche e protocolli sperimentali per l'isolamento, la coltura e
l'uccisione dei microrganismi patogeni, e descrisse il rapporto esistente tra
il bacillo del carbonchio e il decorso della patologia da esso
causata.
Nel 1880 fu nominato direttore dell'Ufficio imperiale
di igiene di Berlino, dove svolse gran parte delle sue ricerche successive. Del
1882 è la scoperta del bacillo della tubercolosi, chiamato in suo onore bacillo
di Koch. Nel 1884 isolò il vibrione del colera,
identificando nell'acqua contaminata il principale mezzo d'infezione. Nel 1891
fu chiamato a dirigere l'Istituto delle malattie infettive di Berlino, che oggi
porta ancora il suo nome. In riconoscimento di tutte le sue importantissime
scoperte, nel 1905 gli fu conferito il premio Nobel
per la medicina.
I postulati di Koch. Sulla base dei suoi esperimenti formulò dei criteri generali, oggi noti come postulati di Koch, per provare che un determinato microrganismo è responsabile di una specifica malattia:
- L’organismo è sempre presente in animali ammalati e assente in individui sani.
- L’organismo è in grado di crescere in colture pure al di fuori del corpo dell’animale.
- Se inoculata in animali sani, una tale coltura porta alla comparsa dei sintomi caratteristici della malattia.
- L’organismo isolato da questi ultimi animali è ancora in grado di crescere in coltura in laboratorio e non mostra alterazioni rispetto all’organismo originale.
I postulati di Koch hanno fornito non solo un metodo per dimostrare che microrganismi specifici provocano malattie specifiche, ma anche un notevole impulso allo sviluppo della microbiologia, mettendo in risalto l’importanza delle colture di laboratorio.
La microbiologia deve lo sviluppo di una tecnica
cruciale ad una donna. Fanny Angelina Eilshemius nacque nel 1850 a New York da una famiglia di
immigranti olandesi. Da giovane girò l’Europa dove incontrò un giovane dottore
tedesco, Walther Hesse, che sposò nel 1874. W.Hesse si interessò alla microbiologia e conobbe i laboratori di
Koch nel 1881. Un’estate molto calda Walther era impegnato in conte batteriche
e aveva problemi con le sue piastre di gelatina che si scioglievano al caldo. Frustrato, chiese alla moglie
“Perché le tue gelatine e i tuoi dolci restano solidi quando fa caldo?”. Lei
gli spiegò che usava AGAR-AGAR, un complesso polisaccaride estratto dalle
alghe. L’AGAR-AGAR è stato usato per secoli come solidificante in Asia. Lei lo
aveva imparato da piccola da un vicino di casa che era immigrato da Java. Da
qui alla produzione dell’ottima base per la crescita dei microbi. Le
caratteristiche che rendono l’agar ottimo per la crescita dei microbi sono:
- non è tossico per la maggior parte dei microbi.
- si scioglie solo a 100ºC, ma solidifica a circa 45ºC (una temperatura alla quale molti batteri possono sopravvivere).
- non è tossico ad altre forme di vita.
- è solido a temperature di sterilizzazione.
- è fisiologicamente inerte dal momento che sono molto pochi i batteri che hanno enzimi per digerirlo.
Paul Ehrlich, all’inizio del ‘900, sviluppò il concetto di tossicità selettiva.
colorazione
differenziale di cellule del sangue
Ehrlich iniziò il suo lavoro studiando le tecniche di colorazione dei microrganismi e osservando che alcuni coloranti coloravano i microrganismi, ma non i tessuti animali .Ipotizzò che l’incapacità di un colorante di colorare un tessuto potesse essere dovuta all'impossibilita` di combinarsi con i componenti cellulari. La considerazione successiva fu che, se un tale colorante fosse stato dotato di tossicità, non avrebbe dovuto esercitarla su cellule di tessuti animali, in quanto non avrebbe trovato strutture con cui combinarsi, mentre avrebbe potuto attaccare cellule batteriche. In un animale infetto un composto dotato di queste proprietà si sarebbe comportato come un "proiettile magico", capace di colpire un agente patogeno senza danneggiare l`ospite. Chiaramente, non era necessario che il composto chimico fosse proprio un colorante, ma era sufficiente che mostrasse capacita` di legame selettive. Ehrlich passò quindi a saggiare la tossicità selettiva di molti composti chimici e scopri così i primi agenti chemioterapici, tra i quali il Salvarsan, utilizzato nella cura della sifilide, divenne il piu` famoso.
Comunque, fino al 1930, quando Gerhard Domagk scoprì i sulfamidici, non si scoprirono composti chimici capaci di agire sulla maggior parte degli agenti patogeni. La scoperta dei sulfamidici fu una conseguenza diretta dell'approccio usato da Ehrlich, cioe` l'indagine su vasta scala dell'attivita` di composti chimici su. malattie infettive in animali sperimentali. Domagk, che lavorava alla Bayer Chemical Company in Germania, saggio` la capacita`di moltissimi composti organici di sintesi, soprattutto coloranti, di curare infezioni da streptococchi nel topo. II primo composto attivo scoperto fu il Prontosil, che aveva la sconcertante proprietà, di essere attivo nei topi ma di non mostrare alcun’attività contro gli streptococchi cresciuti in vitro. In seguito si scopri che, all'interno del corpo dell'animale, il Prontosil veniva scisso per dare la sulfanilamide, che era il vero agente attivo. Con questa scoperta fu possibile dare il via a un programma di sintesi di composti basati sulla struttura della sulfanilamide, che produsse moltissimi composti attivi, molti dei quali sono ancora oggi usati per scopi medici. D.D. Woods in Inghilterra dimostro`, poi, che l'acido p-aminobenzoico era in grado di contrastare in modo specifico l'effetto inibente della sulfanilamide, e dimostrò, inoltre, che gli streptococchi necessitavano di acido p-aminobenzoico per la crescita. Questa scoperta condusse alla formulazione del concetto di analogo di fattore di crescita, concetto che permise ai chimici di iniziare a sintetizzare molti agenti chemioterapici.
Nonostante il successo dei sulfamidici, la maggior parte delle malattie infettive non poteva ancora essere curata con un composto chimico.
Fu necessario che Alexander Fleming, un medico scozzese che faceva ricerche presso il St.Mary's Hospital di Londra, scoprisse la penicillina perche` i ricercatori venissero finalmente indirizzati nella giusta direzione. La prima pubblicazione di Fleming sulla penicillina (1929) inizia con le seguenti parole:
Durante una ricerca con varianti di stafilococco, un certo numero di piastre erano state riposte su un angolo del bancone e venivano esaminate di tanto in tanto. Le piastre dovevano necessariamente venire aperte per poter esaminare le colture e fu così che, essendo state esposte all'aria, vennero contaminate da diversi microrganismi. Si osservò che intorno a una grossa colonia di muffa che aveva contaminato una delle piastre le colonie di stafilococco diventavano trasparenti e stavano chiaramente subendo lisi cellulare. Vennero allestite subcolture della muffa e condotti esperimenti allo scopo di accertare le eventuali proprieta` della sostanza batteriolitica che si era evidentemente formata nella coltura della muffa ed era diffusa nel terreno circostante.
Fleming caratterizzo` il prodotto e, poiche` l`organismo produttore era un fungo del genere Penicillium, gli diede il nome di penicillina. Il suo lavoro, tuttavia, non incluse lo studio del processo per la produzione di penicillina su larga scala, ne` la dimostrazione della sua efficacia. nel trattamento delle malattie infettive. Queste ricerche vennero invece condotte da un gruppo di scienziati inglesi, guidati da Howard Florey, presso la Oxford University, che iniziarono il loro lavoro nel 1939, motivati in parte dalla imminente guerra e dalla consapevolezza che le malattie infettive erano, all'epoca, la principale causa di morte dei soldati al fronte. Florey e suoi colleghi svilupparono i metodi per l'analisi e il controllo della penicillina e per la sua produzione su larga scala. In seguito saggiarono l'efficacia della penicillina nel trattamento delle infezioni batteriche negli esseri umani. La penicillina si dimostrò straordinariamente efficace contro le infezioni da stafilococco e da pneumococco, ed inoltre risultò essere piu` efficace dei sulfamidici contro le infezioni da streptococco. Avendo dimostrato l'efficacia della penicillina e poichè la guerra in Europa diventava sempre piu` intensa, Florey decise nel 1941 di portare le colture del Penicillium negli Stati Uniti. Riuscì a convincere il governo degli Stati Uniti a creare un vasto programma di ricerca che coinvolse l`industria farmaceutica, i laboratori del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti a Peoria, Illinois, e diverse università. Entro la fine della Seconda Guerra Mondiale furono disponibili grandi quantità di penicillina per usi militari e civili. Non appena la guerra fu terminata, le compagnie farmaceutiche diedero il via alla produzione commerciale di penicillina su basi competitive e iniziarono a ricercare altri antibiotici. II successo non tardo` ad arrivare e fu impressionante, e 1'impatto sulla medicina rasento` l`incredibile, permettendo di ridurre drasticamente la mortalita` neonatale e infantile, tanto da rendere quasi delle mere curiosita` mediche malattie che, fino a quell' epoca, avevano in moltissimi casi esito letale.