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Microbiologia

 

Descrizione

La microbiologia è la branca della biologia che studia la struttura e le funzioni dei microrganismi, cioè di tutti quegli organismi viventi non visibili ad occhio nudo: batteri, Archaea, alcuni tipi di funghi, lieviti, alghe e protozoi. La microbiologia studia anche i virus, sebbene questi non siano classificati come esseri viventi in senso stretto.

Nonostante le conoscenze finora acquisite sullo studio dei microrganismi siano notevoli, soprattutto per quanto riguarda quei microrganismi capaci di avere significativi effetti sull'uomo, come i batteri responsabili di malattie, la microbiologia rimane un campo di studi ancora aperto e in attiva espansione. Stime attendibili indicano che solo l'1% di tutti i microrganismi presenti nei più svariati habitat sono stati individuati o studiati, a più di tre secoli dalla nascita della microbiologia.

 

Branche della microbiologia

I microrganismi, oggetto di studio della microbiologia, sono esseri che appartengono praticamente a tutti i regni: dai procarioti (come Batteri ed Archea) agli eucarioti (come lieviti, funghi, alghe, protisti), e comprendono anche elementi come i virus che non vengono considerati, in senso stretto, esseri viventi. Con il procedere delle conoscenze in questo campo, sono perciò nate delle branche della microbiologia che si occupano di studiare specificamente alcuni tipi di microrganismi. Tra queste, quelle più degne di nota sono:

- la virologia, che studia i virus;

- la batteriologia, che, oltre a studiare i Batteri, estende il suo campo di studi anche agli Archea, esseri procarioti per lungo tempo considerati simili ai batteri stessi;

- la micologia, che studia i miceti, ossia i funghi, in forma unicellulare (lieviti) o pluricellulare (muffe);

- la protozologia, che studia i Protozoi.

 

Esistono inoltre delle branche della microbiologia che studiano diversi aspetti della vita microbica, quali ad esempio:

- la fisiologia microbica, che studia la fisiologia e la biochimica delle cellule dei microrganismi. Include lo studio della crescita microbica, del metabolismo e della struttura cellulare dei microrganismi;

- la genetica microbica, che studia la genetica dei microrganismi ed esplora come i geni sono organizzati e regolati nei microganismi, in relazione alle funzioni cellulari;

- la microbiologia evoluzionistica, che studia l'evoluzione dei microrganismi. Include lo studio della tassonomia e della sistematica batterica.

 

Microbiologia applicata

Pur essendo anche una scienza di base, la microbiologia ha trovato innumerevoli applicazioni pratiche in molte attività umane, in conseguenza del fatto che i microrganismi, esseri capaci di adattarsi agli habitat più disparati, hanno notevole importanza in molti campi umani. Oltre ad essere infatti collegati alla salute umana in quanto causa di malattie, i microrganismi sono anche responsabili di processi in grado di migliorare notevolmente la qualità della vita degli esseri umani: essi sono attivamente utilizzati per produrre antibiotici, per effettuare la fermentazione industriale, per migliorare i raccolti. Gli scienziati sono oggi in grado di utilizzare i microrganismi come vettori di clonazione per realizzare ibridi e OGM, specialmente nelle piante, o di manipolarli per creare enzimi importanti come la Taq polimerasi.

 

Alcuni importanti esempi di microbiologia applicata sono:

- Microbiologia medica: importante settore della medicina che studia il ruolo che i microrganismi hanno nelle malattie e, in generale, nella salute umana. Include lo studio della patogenicità microbica, ed è correlata allo studio dell'immunologia.

- Microbiologia famaceutica: lo studio sia dei microrganismi capaci di contaminare e rendere tossici i farmaci, sia di quei microrganismi in grado invece di produrre sostanze come proteine o antibiotici utilizzabili in farmacologia.

- Microbiologia veterinaria: lo studio del ruolo dei microrganismi in veterinaria.

- Microbiologia ambientale: lo studio della diversità microbiotica nei diversi ecosistemi, e l'effetto che questi hanno sull'ambiente. Include lo studio dell'ecologia microbica, dei cicli biogeochimici mediati da microrganismi, della biodiversità dei microrganismi e dell'utilizzo degli stessi nei processi di biorisanamento.

- Microbiologia agraria: lo studio dell'utilizzo dei microrganismi nei meccanismi di produzione agricola, ad esempio per migliorare la fertilità del suolo.

- Microbiologia industriale: lo studio dell'utilizzo e dello sfruttamento dei microrganismi nei processi industriali. Alcuni esempi possono essere la fermentazione industiale per i beni alimentari, o i trattamenti di ripulitura delle acque di scarico. È strettamente collegata alle biotecnologie.

- Microbiologia alimentare: lo studio dei microrganismi che causano le alterazioni dei cibi e l'avaria delle derrate alimentari.

- Microbiologia della conservazione dei beni culturali: lo studio della fenomenologia delle bioalterazioni dei beni culturali e l'individuazione degli interventi di recupero e di conservazione.

 

Storia della microbiologia

La nascita della microbiologia viene fatta risalire alla prima metà del XIX secolo, conseguentemente alla teoria microbica delle malattie formulata da Robert Koch. L'esistenza dei microrganismi, tuttavia, era nota fin dal XVII secolo, in seguito all'invenzione del primo microscopio ad opera di Robert Hooke. A partire da questa data, è possibile tracciare una breve cronologia degli eventi che hanno portato allo sviluppo della microbiologia come scienza:

- 1664 - Robert Hooke con il suo microscopio ottico, osserva corpi fruttiferi di alcune muffe.

- 1684 - Antoni van Leeuwenhoek utilizzando un microscopio di sua invenzione, scopre l'esistenza dei batteri, (che lui definisce animalucoli) e descrive la morfologia di alcuni di essi.

- 1864 - Louis Pasteur mette fine alla controversia sulla generazione spontanea, dimostrando scientificamente che i microrganismi sono incapaci di generarsi spontaneamente in un ambiente precedentemente sterilizzato e riparato da contaminazioni esterne.

- 1876 - Ferdinand Cohn studia in dettaglio il ciclo vitale del batterio Bacillus, descrivendo, fra l'altro, il meccanismo di produzione delle endospore batteriche.

- 1881 - Robert Koch mette a punto un sistema scientifico per studiare i batteri, basato sui terreni di coltura batterici, e sviluppa il concetto di coltura pura.

- 1882 - Robert Koch scopre il batterio responsabile della tubercolosi, Mycobacterium tuberculosis, la più grave malattia dell'epoca.

- 1884 - Robert Koch stila i postulati di Koch, ancora oggi utilizzati per stabilire se un microrganismo è o meno responsabile di una determinata malattia. Con questa data viene tradizionalmente fatta coincidere la nascita della microbiologia come scienza.

- 1884 - Hans Christian Gram mette a punto il metodo della colorazione di Gram, che permette di colorare i batteri per renderli più facilmente visibili e distinguibili al microscopio ottico.

- 1889 - Martinus Beijerinck scopre l'esistenza dei virus, particelle subcellulari capaci di riprodursi infettando una cellula ospite.

- 1911 - Francis Rous scopre il primo virus oncogeno.

- 1929 - Alexander Fleming scopre la penicillina, il capostipite dei moderni antibiotici.

- 1943 - Max Delbruck e Salvador Luria studiano l'ereditarietà dei caratteri genetici dei batteri.

- 1946 - Edward Tatum e Joshua Lederberg descrivono il meccanismo della coniugazione batterica.

- 1957 - Presso l'Istituto centrale del restauro di Roma è istituito un laboratorio sperimentale ove, sotto la direzione di Clelia Giacobini, la microbiologia comincerà ad essere utilizzata e applicata alla conservazione dei beni culturali.

- 1960 - Jacques Monod e François Jacob descrivono l'esistenza e il funzionamento dell'operone, un complesso di trascrizione fondamentale per il controllo del metabolismo batterico.

- 1967 - Thomas Brock scopre dei batteri che prosperano nelle sorgenti calde dei geyser, a temperature (superiori ai 90°C) fino a quel momento considerate proibitive per la vita.

- 1969 - Howard Temin, David Baltimore e Renato Dulbecco scoprono i retrovirus e la trascrittasi inversa.

- 1977 - Carl Woese e George Fox scoprono l'esistenza degli Archea, microrganismi procarioti diversi dai batteri.

- 1981 - Stanley Prusiner isola per la prima volta un prione, un elemento proteico capace di causare infezioni.

- 1981 - Luc Montagnier descrive il virus HIV, considerato responsabile dell'AIDS.

- 1995 - Craig Venter e Hamilton Smith completano il sequenziamento di un genoma batterico.

 

Voci correlate

- Classificazione dei batteri;

- Biologia;

- Colorazione di Gram;

- Malattia;

- Fermentazione;

- Microbiologia alimentare;

- Microscopio;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.

 


 

 

 


 Microrganismo

 

Descrizione

Un microrganismo è un organismo vivente avente dimensioni tali da non poter essere visto ad occhio nudo (minori di 0,1 mm).

L'esistenza dei microrganismi venne dunque scientificamente accertata solo con l'avvento del microscopio anche se il sospetto dell'esistenza di una qualche forma di vita invisibile era supportata dalla infinita varietà di malattie ed infezioni che questi comportano in tutti gli esseri viventi (dal batterio all'uomo).

I microrganismi sono sostanzialmente esseri unicellulari appartenenti ai regni: Protisti, Monere, Archea e Funghi.

Anche i virus, i viroidi ed i prioni sono considerati, a torto, microrganismi, pur non essendo in senso stretto esseri viventi, in quanto sono solo proteine lipidiche (capside di grassi) e DNA, cioè materiale di scarto cellulare.

Dalla nascita della Microbiologia (la scienza che si occupa dei microrganismi) ad oggi si sono sviluppate numerose raffinate tecniche di caratterizzazione per investigare la natura dei microrganismi presenti in un determinato substrato.

 

Classi di microrganismi e descrizione biologica

I microrganismi possono essere ritrovati quasi dovunque nella tassonomia. In essi, le funzioni vitali sono svolte da una sola cellula, oppure in più cellule (ma comunque non in tessuti). Le Monere (Batteri ed Alghe azzurre) e le Archea sono microscopiche (da 0,2 µm a 300 µm), mentre solo alcuni eucarioti sono microscopici (protozoi e funghi). Ci sono anche organismi che sono microscopici in un periodo della vita e macroscopici in altri; ad esempio, il fungo Boletus edulis, il porcino, che passa da una forma di vita unicellulare microscopica (la spora, pochi micrometri) ad una forma di vita pluricellulare macroscopica (il corpo commestibile, carpoforo, di 30 cm). Gli organismi unicellulari sono solitamente aploidi, tranne durante la duplicazione (nei batteri, la Schizogonia o scissione binaria; nei funghi ci può essere riproduzione sessuata o asessuata).

In altre forme di vita, una cellula può essere poliploide (più di due copie del genoma) o avere più di un nucleo (cellula cenocita), come nel caso delle ife dei funghi inferiori (Mastigomiceti, Zigomiceti inferiori ecc…), gli aggregati di cellule che formano i filamenti tipici dei funghi. Ci sono, poi esseri viventi che sono microscopici e pluricellulari per tutta la durata della loro vita (alcuni funghi) ed altri che sono microscopici, ma sono “acellulari”, vale a dire che non posseggono i requisiti minimi di una cellula cioè i virus. Questi sono estremamente piccoli (da 20 nm a 400 nm) e sono composti da solo acido nucleico rivestito da un involucro protettivo. Sono annoverati anche i viroidi (RNA di 22 kilobasi “nudo”) e i prioni (proteina “pirata”, in grado di provocare patologie, es. il prione della Encefalopatia spongiforme bovina).

 

Habitat ed ecologia

I microrganismi si trovano in quasi tutti gli ambienti naturali. Addirittura nei più ostili ambienti, si possono trovare microrganismi; questi sono detti estremofili e si dividono in:

  1. Acidofili: vivono in ambienti con pH minore o uguale a 3 (Acetobacter aceti sopravvive addirittura a pH = 0);

  2. Alcalofili: vivono in ambienti con pH superiori o pari a 9 (es. Bacillus alcalophilus);

  3. Barofili: vivono a pressioni altissime, da 70 atm a più di 1.000 atm (es. Obligate barophiles);

  4. Endoliti: vivono nelle rocce, nei piccolissimi interstizi tra una roccia e l’altra;

  5. Alofili: vivono in ambienti con pressione osmotica superiore a quella di una soluzione di NaCl al 20% in acqua (es. Salinibacter ruber);

  6. Termofili e ipertermofili: vivono in temperature maggiori di 60°C, preferendo gli 80°C e sopportando anche temperature maggiori di 120°C (alcuni anche 150°C), un esempio è Pyrococcus furiosus;

  7. Litoautotrofi: vivono sulle rocce e si nutrono ossidando i minerali e usando come fonte di C l’anidride carbonica (es. Nitrosomonas europea);

  8. Metallo-tolleranti: in grado di tollerare alte concentrazioni di metalli come Cu e Zn, ma anche As e Cd;

  9. Oligotrofi: sono capaci di vivere in ambienti con pochissimo cibo;

  10. Poliestremofili: possiedono più di una caratteristica (es. termofili ed alofili);

  11. Criofili o Psicrofili: in grado di vivere da 15°C a 0°C;

  12. Radioresistenti: possono tollerare le radiazioni ionizzanti (RX ed raggi gamma), i raggi UV e le radiazioni nucleari;

  13. Xerofili: vivono in ambienti con una ridottissima quantità d’acqua, addirittura nel deserto d'Atacama (precipitazioni: 3 mm annui).

 

Importanza nelle attività umane

I microrganismi sono usati con gran successo nell’industria fermentiera, casearia, panificatrice, in quella dei carburanti, in salumifici, nelle biotecnologie, nello studio della biochimica, della genetica e anche nella guerra (armi biologiche).

Nell’industria fermentiera, i microrganismi (soprattutto funghi delle famiglie Saccharomicetaceae e Cryptococcaceae) sono usati per preparare le bevande alcoliche, inoculandoli in substrati come malto d’orzo (per la produzione della birra), succo d’uva (produzione di vino), malto di riso (produzione del sakè), patate, cereali (produzione di superalcolici come la vodka ed il whisky), canna da zucchero (produzione del rum), miele (produzione dell’idromele), succo e polpa di mele (produzione del sidro); sono inoltre usati per produrre l’aceto, insediandoli in vino, sidro o idromele. Inoltre, insediando diversi tipi di microrganismi (lieviti ed acetobatteri) nel mosto d’uva, opportunamente trattato, si può ottenere l’aceto balsamico.

Nell’industria casearia si usano microrganismi (soprattutto lactobacilli, bifidobatteri, Streptococchi, e muffe) per condurre la fermentazione lattica (lattosio in acido lattico), per produrre lo yogurt; ma anche per fare maturare i formaggi stagionati come il Parmigiano Reggiano e il Gorgonzola.

Nei panifici si sfrutta la capacità del fungo Saccharomyces cerevisiae di produrre una gran quantità d’anidride carbonica gassosa che, rimanendo intrappolata nella massa dell’impasto, ed espandendosi, gonfia l’impasto come se fosse un palloncino.

Questo processo è chiamato lievitazione naturale e richiede molto tempo (da 4 a 5 ore per 1 kg di farina). Questo processo non ha alcunché a che fare con la lievitazione istantanea in forno, ottenuta miscelando all’impasto, come ultimi ingredienti bicarbonato di sodio e tartrato di sodio.

L’industria dei carburanti usa lieviti più o meno “selvaggi” (non selezionati) per fermentare supporti come melasso di barbabietola da zucchero o di canna da zucchero, per ottenere un liquido con alto titolo alcolico, da destinarsi alla distillazione per produrre alcol etilico puro (al 95%) per alimentare il motore a combustione interna, i bruciatori da laboratorio e le caldaie.

I salumifici sfruttano numerosi microrganismi per stagionare il prosciutto crudo e condurre le fermentazioni che danno il sapore caratteristico a salame, mortadella, wurstel, salsiccia e tutti gli altri salumi insaccati.

Le biotecnologie, la biochimica e la genetica usano microrganismi come supporto di studio e/o esperimento per formulare e verificare conoscenze e ottenere metodi per produrre sostanze altrimenti difficilmente ritraibili oppure per indurre nuove caratteristiche in alcuni esseri viventi che non avrebbero mai potuto acquisire. Alcuni esempi sono:

  1. L’insulina (ormone che abbassa la glicemia, usato nella terapia del diabete): una volta estratta da maiali e bovini, che però provocava problemi in alcune persone. Inserendo il gene che codifica l’insulina umana (con un intervento d’ingegneria genetica) nel lievito Saccharomyces cerevisiae, quest’ultimo sintetizza un ormone esattamente identico a quello prodotto dal pancreas umano delle persone non diabetiche.

  2. La somatotropina umana (ormone della crescita): ormone indispensabile per curare il nanismo; una volta estratto da cadaveri, con difficoltà e gran dispendio di risorse, ora sintetizzato da microrganismi.

  3. Le piante resistenti agli erbicidi: è il caso della soia resistente al glifosate (erbicida totale). Così si può distribuire un solo erbicida per combattere qualunque infestante ed essere sicuri di non giocarsi la soia. Questo è stato possibile infettando la pianta con un batterio modificato (Agrobacterium tumefaciens).

  4. Le piante resistenti ai parassiti: con lo stesso metodo di cui sopra è possibile inserire geni che codificano per la produzione di sostanze che avvelenino i parassiti della pianta, ma non l’uomo (ad esempio il mais resistente alla piralide).

L’industria bellica sfrutta i microrganismi patogeni come armi da combattimento. È il caso del botulino, dell’antrace e d’altri microrganismi che vengono diffusi in campo nemico per scatenare pestilenze, quindi morti, come se ci fosse stata una guerra “vera”. Queste armi si chiamano armi biologiche.

 

Importanza in natura

I microrganismi hanno anche un ruolo importante negli ecosistemi, come decompositori, trasformando la sostanza organica morta (saprofiti) in sostanza inorganica, utile alle piante per vivere; sono anche importanti in quanto sono simbionti con organismi superiori o inferiori. Ad esempio:

  1. Simbiosi alga-fungo (licheni), l’alga dà gli zuccheri al fungo e riceve l’azoto organico.

  2. Simbiosi insetti/ruminanti-batteri cellulosolitici, i batteri scindono la cellulosa traendo nutrimento e protezione per sé (all’interno dell’intestino) e permettono all’insetto/ruminante di mangiare alimenti che contengono cellulosa (ad esempio fieno) e poterli digerire ed assimilare.

 

 Voci correlate

- Classificazione dei batteri;

- Classificazione di Baltimore;

- Biologia;

- Colorazione di Gram;

- Malattia;

- Fermentazione;

- Microbiologia alimentare;

- Microscopio;

 

Tratto da Wikipedia, elaborato e modificato.