Microbiologia industriale - Kataweb

Il più antico disegno noto della struttura di un ammasso di cellule di lievito si trovava inserito in
una lettera inviata da Anton van Leeuwenhoek nel 1680 a Thomas Gale, a quel tempo segretario
della Royal Society di Londra. Esaminando un campione di birra fredda con il suo primitivo
microscopio, van Leeuwenhoek notò una grande quantità di piccole particelle. «Alcune di questescrisse
poi (in latino) - mi sembravano del tutto rotonde, altre erano irregolari e alcune erano più
grandi delle altre e sembravano consistere di due, tre o quattro delle particelle suddette legate
insieme. Altre ancora consistevano di sei globuli e questi ultimi formavano un globulo unico di
lievito... Allo scopo di rappresentare visivamente questa combinazione presi sei palline di cera e le
unii insieme come nella figura 1, le sistemai e le disegnai in modo che si potessero vedere tutte e sei
contemporaneamente. Successivamente schiacciai queste palline tra le mani così che assunsero la
forma mostrata nella figura 2, poiché immagino che il risultato ottenuto facendo rotolare le palline
di cera tra le mani per comprimerle sia quasi lo stesso che si ha nella fermentazione della birra.»
Nonostante van Leeuwenhoek non sia mai stato in grado di distinguere effetfivamente le sei
cellule che costituivano il globulo più grande, riferì che le sue osservazioni, interpretate alla luce
dei modelli di cera «erano per me tanto chiare come se avessi davanti agli occhi una piccola bolla
trasparente piena di sei bolle più piccole.» Quello che vide (con un ingrandimento valutato in circa
125 diametri) era probabilmente un aggregato di cellule di lievito riprodottesi rapidamente.
Louis Pasteur nel suo studio classico del XIX secolo sulla fermentazione della birra fece ricerche
su vari microrganismi responsabili del deterioramento della birra. Questo disegno composito, che
mostra i principali contaminanti microbici della birra e del mosto di malto, è riprodotto dall'edizione
originale francese del 1876 del suo libro Etudes sur la bière, ses maladies, causes qui les
provoquent. Procédés pour la rendre inaltérable, aree une théorie nouvelle de la fermentation. Fu
nel corso di questo lavoro che Pasteur dimostrò l'esistenza di vita microbica anaerobia, ossia in
assenza d'aria. Le particelle più grandi e di forma più simile a quella globulare sono lieviti.
1819
Tour e i tedeschi Theodor Schwann e
Friedrich Traugott Mitzing, avevano
proposto indipendentemente che i prodotti
della fermentazione, soprattutto
etanolo (alcool etilico) e anidride carbonica,
fossero creati da una forma microscopica
di vita. Questa idea venne aspramente
osteggiata dai chimici più autorevoli
del tempo (uomini come Rins Jakob
Berzelius, Justus von Liebig e Friedrich
Wòhler) i quali sostenevano che la fermentazione
fosse puramente una reazione
chimica e che il lievito presente nel
brodo di fermentazione fosse materia in
decomposizione priva di vita.
A Pasteur occorsero quasi vent'anni -
dal 1857 al 1876 - per dimostrare che
l'ipotesi sostenuta dai chimici non era valida.
Era stato chiamato in causa dai distillatori
di Lille perché scoprisse come mai il
contenuto dei loro tini di fermentazione
diventasse acido ed egli notò al microscopio
che il brodo di fermentazione conteneva
non solo cellule di lievito, ma anche
batteri che potevano produrre acido lattico.
In questo ventennio, il suo maggior
contributo fu quello di stabilire che ogni
tipo di fermentazione era mediato da un
microrganismo specifico. Inoltre, in uno
studio intrapreso per determinare come
mai la birra francese fosse inferiore a
quella tedesca, dimostrò l'esistenza di vita
puramente anaerobia, cioè in assenza
d'aria.
na delle idee centrali di Pasteur, ossia
U che ogni fermentazione fornisce
energia alla specie che la compie, portò,
nel 1897 alla scoperta accidentale, da parte
del tedesco Eduard Buchner, che il
metabolismo poteva aversi senza cellule.
Buchner trovò che un estratto di lievito
fatto macerare e poi filtrato, in modo che
le cellule integre venissero eliminate,
conservava la capacità di convertire lo
zucchero in alcool.
All'importante lavoro di Buchner fecero
seguito notevoli progressi nella ricerca
biochimica di base, ma solo poche delle
nuove conoscenze vennero applicate nella
pratica della fermentazione industriale
fino alla prima guerra mondiale. Da parte
germanica diventò presto urgente disporre
di glicerolo per la fabbricazione di
esplosivi. Il blocco navale britannico impediva
l'importazione di oli vegetali, la
materia prima comunemente usata per la
produzione di glicerolo. Diversi anni prima
Carl Neuberg, un biochimico tedesco,
aveva approfondito un'osservazione di
Pasteur secondo la quale nella fermentazione
alcoolica si producevano generalmente
piccole quantità di glicerolo. Studiando
il fenomeno Neuberg scoprì che,
aggiungendo bisolfito di sodio al tino di
fermentazione, si favoriva la produzione
di glicerolo a spese dell'etanolo. Anche se
a questa scoperta prebellica venne al
momento riservato un interesse puramente
accademico, i tedeschi l'applicarono
ben presto nella fermentazione a livello
industriale ottenendo un rendimento di
1000 tonnellate di glicerolo al mese.
Da parte britannica era necessario l'acetone
per la produzione di munizioni. In
risposta a questa necessità Chaim Weizmann,
un chimico di origine russa, mise a
punto la fermentazione acetone-butanolo
(acetonbutilica) che viene attuata dal batterio
anaerobico Clostridium acetobutylicum.
(Weizmann divenne in seguito il
primo presidente di Israele.) Alla fine della
prima guerra mondiale il processo tedesco
per la produzione del glicerolo uscì
di scena, ma quello della fermentazione
acetonbutilica rimase per molti anni una
fonte importante di acetone fino al momento
in cui fu sostituito dai processi basati
sul petrolio. È stato il primo processo
di fermentazione su grande scala per il
quale si sono dovuti risolvere problemi di
contaminazione da parte di altri batteri e
di batteriofagi (virus che infettano i batteri).
Per la prima volta si dovette ricorrere
nei fermentatori industriali a metodi di
coltura pura, un'esperienza che doveva
dimostrarsi preziosa negli anni quaranta
quando ebbe inizio l'era degli antibiotici.
Per migliaia di anni formaggio, carne e
pane ammuffiti erano stati impiegati nella
medicina popolare per curare le ferite. Fu
solo, però, nel decennio 1870-1880 che
Tyndall, Pasteur e William Roberts, un
medico inglese, osservarono direttamente
gli effetti antagonisti di un microrganismo
su un altro. Pasteur, con la sua caratteristica
lungimiranza, suggerì che il fenomeno
poteva avere potenzialità terapeutiche.
Nei successivi 50 anni si sperimentarono
come farmaci varie preparazioni
microbiche, ma erano o troppo tossiche
o inattive negli animali viventi. Finalmente
nel 1928 Alexander Fleming
notò che la muffa Penicillium notatum
uccideva le colture del batterio Staphylococcus
aureus quando, accidentalmente,
contaminava le piastre di coltura. Dopo
aver fatto crescere la muffa in un mezzo
liquido e separato il fluido dalle cellule,
egli trovò che il liquido privo di cellule
poteva inibire molte specie di batteri. All'ingrediente
attivo del liquido Fleming
diede il nome di penicillina, ma subito
dopo sospese le ricerche sulla sostanza.
Tentativi per isolare la penicillina furono
fatti negli anni trenta da molti chimici
inglesi, ma l'instabilità della sostanza frustrava
i loro sforzi. Nel 1939, infine, uno
studio avviato all'Università di Oxford da
Howard W. Florey, Ernst B. Chain e dai
loro colleghi portò alla preparazione di
una forma stabile di penicillina e alla
dimostrazione della sua notevole attività
antibatterica prima negli animali da esperimento
e poi nell'uomo. Florey e il suo
collega Norman Heatley compresero che
la situazione nell'Inghilterra del tempo di
guerra non era la più adatta per lo sviluppo
di un processo industriale per la produzione
di antibiotici e, così, nel 1941 si
trasferirono negli Stati Uniti a cercarvi
appoggio. Con l'aiuto del Dipartimento
dell'agricoltura e di molte case farmaceutiche
americane la produzione di penicillina
dal Penicillium chrysogenum divenne
presto una realtà.
La penicillina, che segnò l'inizio dell'era
degli antibiotici, fu seguita molto presto
dalle scoperte di Selman A. Waksman,
un microbiologo del suolo che la-
Questo ritratto di Pasteur fu eseguito nel 1884 in occasione di una sua visita a Copenaghen.
Pasteur, che morì nel 1895, aveva a quel tempo 61 anni. La fotografia, eseguita da J. Petersen &
Son, è ora conservata negli archivi del Museo Pasteur che fa parte dell'Istituto Pasteur di Parigi.
vorava alla Rutgers University. Grazie
alle sue ricerche si ottennero dagli attinomiceti
molti antibiotici nuovi, di cui il
più noto è la streptomicina. Da allora si è
avuta una vera e propria proliferazione di
processi di fermentazione industriale e di
prodotti economicamente attuabili.
onostante le diversità dei processi e
Ndei prodotti microbici descritti negli
articoli che seguono vi sono alcune caratteristiche
che sono condivise da tutti i
microrganismi. Le più importanti sono le
dimensioni molto piccole della cellula
microbica e il rapporto relativamente elevato
tra superficie e volume, il quale facilita
il trasporto rapido di sostanze nutritive
entro la cellula e quindi è in grado di
sostenere il suo elevato tasso metabolico.
Per esempio, nei lieviti, il tasso di produzione
di proteine è di diversi ordini di
grandezza più elevato che non nella soia,
nella quale è a sua volta dieci volte più
elevato che non nel bestiame. Il tasso
estremamente alto di biosintesi microbica
consente ad alcuni microrganismi di riprodursi
in soli 15 minuti.
Gli ambienti che sostengono la vita
microbica riflettono l'ampia gamma di
soluzioni attraverso le quali si è attuata
l'evoluzione dei microrganismi. Ve ne
sono alcuni che vivono a temperature
prossime al punto di congelamento dell'acqua,
altri che vivono a temperature di
100 gradi centigradi, alcuni vivono nell'acqua
di mare, altri nell'acqua dolce,
alcuni in presenza d'aria, altri senz'aria.
Vi sono certi microrganismi che hanno
sviluppato cicli vitali con stadi di animazione
sospesa per far fronte alla mancanza
di sostanze nutritive: in forma di spore
essi rimangono inattivi per anni finché
l'ambiente diventa più favorevole alla
crescita delle cellule.
Poiché i microrganismi sono capaci di
un'ampia varietà di reazioni metaboliche,
essi possono adattarsi a fonti diverse di
nutrizione e questa loro adattabilità con-