Penicillina

La penicillina è una sostanza prodotta da muffe del genere Penicillium che uccide molti tipi di batteri impedendo loro di costruire la parete cellulare. Alexander Fleming la notò nel 1928, e un gruppo di Oxford ne fece, durante la Seconda guerra mondiale, il primo antibiotico derivato da una muffa a essere impiegato su larga scala in medicina.

Che cos’è

La penicillina è un antibiotico, cioè un farmaco che uccide i batteri o ne blocca la crescita. A differenza dei sulfamidici di sintesi degli anni Trenta, nati dalla ricerca sui coloranti, è prodotta da un essere vivente. La producono alcuni ceppi di Penicillium, un genere che comprende le muffe verde-azzurre del pane raffermo e della frutta. Una volta purificata, la penicillina divenne il primo antibiotico derivato da una muffa che i medici poterono usare su larga scala, e cambiò la prognosi di infezioni spesso mortali come la setticemia, la polmonite o le ferite infette. La muffa sugli alimenti, invece, non è un medicinale e può essere essa stessa dannosa.

A sinistra la tavola mostra la celebre osservazione di Fleming: una piastra di vetro con colonie batteriche, sulla quale una spora di muffa si è posata per caso ed è cresciuta fino a formare una colonia, circondata da un anello chiaro dove i batteri sono morti. A destra, la muffa stessa al microscopio. Le sue spore crescono in catene su piccole teste a forma di pennello, da cui il nome del genere, dal latino penicillus, piccolo pennello.

Come funziona

La maggior parte dei batteri sono cellule singole avvolte da una parete robusta che ne mantiene la forma contro la pressione dell’acqua al loro interno. Questa parete è una rete di catene di zuccheri unite da brevi ponti peptidici. Mentre la cellula cresce e si divide, taglia e ricostruisce di continuo questa rete.

La penicillina blocca gli enzimi batterici che formano questi ponti. La cellula continua a crescere, ma la sua nuova parete è debole; l’acqua entra e la cellula scoppia. Le cellule umane e animali non hanno una parete di questo tipo, ed è per questo che la penicillina può uccidere i batteri risparmiando in gran parte le cellule del paziente. Al centro della molecola si trova un anello teso di quattro atomi, l’anello beta-lattamico, che reagisce con quegli enzimi e li mette fuori uso.

La penicillina agisce soprattutto sui batteri con parete spessa ed esposta, come gli streptococchi e gli pneumococchi. Il batterio della sifilide ha una parete sottile racchiusa tra due membrane, eppure anch’esso è molto sensibile alla penicillina. La penicillina non ha alcun effetto sui virus, che non hanno affatto una parete cellulare.

I batteri possono diventare resistenti. Alcuni producono un enzima, la penicillinasi, che taglia l’anello beta-lattamico prima che possa agire. Ogni uso di un antibiotico favorisce i batteri che gli sopravvivono, e la resistenza si diffonde dove gli antibiotici sono usati con leggerezza. Fleming aveva già messo in guardia contro questo rischio nella sua conferenza Nobel del 1945. Alcune persone sono inoltre allergiche alla penicillina, a volte in modo grave. Gli antibiotici sono farmaci da usare solo su prescrizione medica.

Come si produce

Tra il 1940 e il 1945 cambiarono più volte i metodi per coltivare la muffa, per estrarre il farmaco dal brodo e per misurarlo.

Norman Heatley progettò recipienti in ceramica come questi per coltivare la muffa in quantità a Oxford.

Coltura in superficie a Oxford. Il gruppo di Florey coltivava il ceppo di Fleming, Penicillium notatum, come un feltro che galleggiava su un sottile strato di brodo nutritivo. All’inizio Norman Heatley usò qualunque recipiente avesse un fondo largo e piatto, comprese padelle ospedaliere, scatole di biscotti e teglie da forno, poi progettò un recipiente rettangolare di ceramica che si poteva impilare su un fianco durante l’incubazione. Una fabbrica di ceramiche dello Staffordshire, la James Macintyre & Co., ne produsse diverse centinaia, e i primi furono inoculati a Natale del 1940. Un piccolo gruppo di ragazze, soprannominate “penicillin girls”, seminava le spore, prelevava il brodo quando la muffa in crescita vi aveva rilasciato la penicillina e teneva in funzione i recipienti giorno e notte.

Estrazione. Il brodo conteneva appena una traccia di penicillina, e il farmaco si degradava nel giro di qualche ora al caldo o in ambiente acido. Heatley sfruttò il fatto che la penicillina è un acido. Acidificata e tenuta al freddo, passa dal brodo in un solvente che non si mescola con l’acqua, prima l’etere e poi l’acetato di amile, meno infiammabile. Agitata con acqua resa leggermente alcalina, torna nell’acqua sotto forma di sale, in un volume molto più piccolo e libera da buona parte delle impurità. Heatley costruì con tubi di vetro, bottiglie e pompe un apparecchio che eseguiva queste operazioni in continuo. La soluzione concentrata veniva poi liofilizzata e diventava una polvere bruna che si conservava per mesi, anche se i primi lotti erano fatti soprattutto di impurità.

Il saggio a cilindri di Heatley: più il campione in un cilindro è potente, più è largo l’alone chiaro che lo circonda.

Misura. Finché non se ne conobbe la struttura, la penicillina si poteva misurare solo dal suo effetto sui batteri. Nel saggio a cilindri di Heatley si posano piccoli cilindri aperti su una piastra di agar seminata con stafilococchi e si riempie ciascuno con un campione. La penicillina si diffonde nell’agar, e dopo l’incubazione la larghezza dell’alone chiaro attorno a ogni cilindro, confrontata con quella di uno standard, ne indica la potenza. Il gruppo di Oxford definì così una propria unità e mandò campioni ad altri laboratori. Nel 1944 e nel 1945 scienziati britannici e americani concordarono un’unità internazionale, pari a 0,6 microgrammi di benzilpenicillina sodica pura e vicina all’unità di Oxford, e prepararono campioni di riferimento.

La fermentazione in grandi vasche trasformò la penicillina in un prodotto industriale negli Stati Uniti.

Grandi vasche negli Stati Uniti. Al Northern Regional Research Laboratory di Peoria, Andrew Moyer, che lavorava con Heatley, entro la fine del 1941 aumentò le rese di circa dieci volte aggiungendo al brodo il liquido di macerazione del mais, un sottoprodotto della fabbricazione dell’amido. Il laboratorio esaminò muffe arrivate da tutto il mondo, e la migliore si rivelò un ceppo di Penicillium chrysogenum (oggi classificato come P. rubens) preso da un melone cantalupo ammuffito comprato a Peoria. I ceppi selezionati a partire da quello, tra cui mutanti ottenuti con i raggi X e la luce ultravioletta, resero ancora di più. Il passo più importante fu coltivare la muffa in tutto il liquido anziché in superficie, dentro vasche chiuse d’acciaio rimescolate e alimentate con aria sterile. Pfizer usava già questo metodo per produrre acido gluconico, e il 1º marzo 1944 (secondo una fonte nel 1943) aprì a Brooklyn, in un’ex fabbrica di ghiaccio, il primo grande impianto per la penicillina, con quattordici vasche da 7.500 galloni americani (circa 28.000 litri) ciascuna. Un solo microbo estraneo poteva rovinare un’intera vasca, quindi il brodo e le vasche venivano sterilizzati prima di introdurre la muffa, e l’aria e le tubazioni tenevano lontani altri organismi durante la crescita.

Penicilline semisintetiche. La fermentazione fornisce soprattutto benzilpenicillina, o penicillina G, in particolare se al brodo si aggiunge acido fenilacetico, che la muffa incorpora nella molecola. Nel 1957 i chimici dei Beecham Research Laboratories, nel Surrey, isolarono il nucleo nudo della molecola, l’acido 6-amminopenicillanico, e pubblicarono il lavoro nel 1959. Legando a questo nucleo nuove catene laterali, i chimici ottennero penicilline che sopportano l’acido dello stomaco, resistono alla penicillinasi batterica o agiscono su più tipi di batteri, come la cloxacillina e l’amoxicillina. Oggi il nucleo si ricava di solito dalla penicillina di fermentazione con un enzima, e prima di mettere in commercio un lotto le fabbriche ne controllano identità, purezza e potenza, e per le forme iniettabili anche la sterilità.

Sicurezza. Questa sezione descrive come laboratori e fabbriche producevano il farmaco. La penicillina non si può preparare in casa senza pericolo: la muffa del pane o della frutta ne contiene poca o niente e può appartenere a specie che producono tossine, e un preparato impuro può causare infezioni gravi o shock. La penicillina può anche provocare gravi reazioni allergiche e si usa solo su prescrizione medica.

Storia ed evoluzione

Da secoli si era notato che alcune muffe sembravano aiutare la guarigione delle ferite, e negli anni Novanta dell’Ottocento diversi ricercatori riferirono che le muffe potevano frenare i batteri. Nessuna di queste scoperte portò a una cura.

Alexander Fleming, batteriologo al St Mary’s Hospital di Londra, andò in vacanza nell’estate del 1928. Al ritorno, all’inizio di settembre, trovò una piastra di stafilococchi contaminata da una muffa e notò che le colonie vicine erano sbiadite. Coltivò la muffa, dimostrò che il suo brodo uccideva molti tipi di batteri, chiamò penicillina la sostanza attiva e pubblicò i risultati nel 1929. Ma la penicillina era instabile e difficile da estrarre, e Fleming non riuscì a ottenerne abbastanza in forma pura per curare i malati.

Dieci anni dopo, a Oxford, Howard Florey ed Ernst Chain ripresero il problema. Norman Heatley mise a punto l’estrazione e la concentrazione della penicillina, e il gruppo coltivò la muffa in centinaia di recipienti. Il 25 maggio 1940 infettarono otto topi con streptococchi e ne trattarono quattro. La mattina dopo i quattro topi non trattati erano morti e quelli trattati erano ancora vivi. Nel febbraio 1941 un agente di polizia, Albert Alexander, fu uno dei primi pazienti. All’inizio migliorò, ma la scorta finì e morì.

La Gran Bretagna in guerra non poteva produrre penicillina su larga scala, così nel 1941 Florey e Heatley andarono negli Stati Uniti, dove un laboratorio pubblico di Peoria, nell’Illinois, e diverse aziende farmaceutiche ripresero il lavoro. Nel marzo 1942 la scorta americana bastava a curare un solo paziente. Nel 1944 le fabbriche ne producevano abbastanza per gli eserciti alleati, e dal 15 marzo 1945 la penicillina arrivò nelle farmacie americane attraverso i normali canali commerciali.

Fleming, Florey e Chain condivisero il premio Nobel per la fisiologia o la medicina nel 1945. Nello stesso anno Dorothy Hodgkin determinò la struttura della penicillina con la cristallografia a raggi X. Nel frattempo la ricerca di altri antibiotici aveva portato alla streptomicina, scoperta nel 1943; seguirono le tetracicline e molti altri, e in seguito i chimici crearono nuove penicilline modificando la molecola.