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