Cíle výuky
- Vyjmenujte různé typy mikroorganismů a popište jejich charakteristické vlastnosti
- Uveďte příklady různých typů buněčných a virových mikroorganismů a… infekčních agens
- Popsat podobnosti a rozdíly mezi archei a bakteriemi
- Uvést přehled oboru mikrobiologie
Většina mikrobů je jednobuněčná a natolik malá, že k jejich pozorování je nutné umělé zvětšení. Existují však i jednobuněčné mikroby, které jsou viditelné pouhým okem, a některé mnohobuněčné organismy, které jsou mikroskopické. Aby byl objekt viditelný bez mikroskopu, musí měřit přibližně 100 mikrometrů (µm), ale většina mikroorganismů je mnohonásobně menší. Pro představu si vezměte, že typická živočišná buňka měří v průměru zhruba 10 µm, ale přesto je mikroskopická. Bakteriální buňky jsou obvykle velké asi 1 µm a viry mohou být desetkrát menší než bakterie (obrázek 1). Jednotky délky používané v mikrobiologii naleznete v tabulce 1.
Tabulka 1. Jednotky délky běžně používané v mikrobiologii | ||
---|---|---|
Metrická jednotka | Význam předpony | Metrický ekvivalent |
metr (m) | – | 1 m = 100 m |
decimetr (dm) | 1/10 | 1 dm = 0.1 m = 10-1 m |
centimetr (cm) | 1/100 | 1 cm = 0.01 m = 10-2 m |
milimetr (mm) | 1/1000 | 1 mm = 0,001 m = 10-3 m |
mikrometr (μm) | 1/1 000 000 | 1 μm = 0.000001 m = 10-6 m |
nanometr (nm) | 1/1 000 000 000 | 1 nm = 0,000000001 m = 10-9 m |
Mikroorganismy se od sebe liší nejen velikostí, ale také strukturou, prostředím, metabolismem a mnoha dalšími vlastnostmi. Ačkoli si obvykle myslíme, že mikroorganismy jsou jednobuněčné, existuje také mnoho mnohobuněčných organismů, které jsou příliš malé na to, abychom je viděli bez mikroskopu. Některé mikroorganismy, například viry, jsou dokonce acelulární (nejsou složeny z buněk).
Mikroorganismy se vyskytují v každé ze tří oblastí života: Archaea, Bacteria a Eukarya. Všechny mikroby v doménách Bacteria a Archaea jsou prokaryota (jejich buňky nemají jádro), zatímco mikroby v doméně Eukarya jsou eukaryota (jejich buňky mají jádro). Některé mikroorganismy, například viry, nespadají do žádné ze tří domén života. V této části stručně představíme jednotlivé široké skupiny mikrobů. V pozdějších kapitolách se budeme hlouběji zabývat rozmanitými druhy v rámci každé skupiny.
Prokaryotické mikroorganismy
Bakterie se vyskytují téměř ve všech prostředích na Zemi, včetně člověka a na jeho těle. Většina bakterií je neškodná nebo užitečná, ale některé jsou patogeny a způsobují nemoci u lidí a jiných živočichů. Bakterie jsou prokaryotické, protože jejich genetický materiál (DNA) není umístěn ve skutečném jádře. Většina bakterií má buněčné stěny, které obsahují peptidoglykan.
Bakterie se často popisují podle jejich celkového tvaru. Mezi běžné tvary patří kulovitý (kok), tyčinkovitý (bacil) nebo zakřivený (spirillum, spirocheta nebo vibrio). Příklady těchto tvarů jsou uvedeny na obrázku 2.
Mají širokou škálu metabolických schopností a mohou růst v různých prostředích a využívat různé kombinace živin. Některé bakterie jsou fotosyntetické, například kyslíkaté sinice a anoxygenní zelené sirné a zelené nesirné bakterie; tyto bakterie využívají energii získanou ze slunečního světla a pro svůj růst fixují oxid uhličitý. Jiné typy bakterií jsou nefotosyntetické a získávají energii z organických nebo anorganických sloučenin ve svém prostředí.
Archea jsou také jednobuněčné prokaryotické organismy. Archaea a bakterie mají odlišnou evoluční historii a také významné rozdíly v genetice, metabolických cestách a složení buněčných stěn a membrán. Na rozdíl od většiny bakterií buněčné stěny archeí neobsahují peptidoglykan, ale jejich buněčné stěny jsou často složeny z podobné látky zvané pseudopeptidoglykan. Stejně jako bakterie se archea vyskytují téměř ve všech prostředích na Zemi, dokonce i v extrémních prostředích, která jsou velmi chladná, velmi horká, velmi zásaditá nebo velmi kyselá (obrázek 3). Některé archea žijí v lidském těle, ale u žádného z nich nebylo prokázáno, že by byl lidským patogenem.
Přemýšlejte o tom
- Jaké jsou dva hlavní typy prokaryotických organismů?
- Vyjmenujte některé charakteristické znaky jednotlivých typů.
Eukaryotické mikroorganismy
Oblast Eukarya obsahuje všechna eukaryota, včetně jedno- nebo mnohobuněčných eukaryot, jako jsou protista, houby, rostliny a živočichové. Hlavním definičním znakem eukaryot je, že jejich buňky obsahují jádro.
Protisté
Protisté jsou jednobuněčná eukaryota, která nejsou rostlinami, živočichy ani houbami. Příkladem protist jsou řasy a prvoci.
Řasy (singulár: alga) jsou rostlinám podobní protisté, kteří mohou být jednobuněční nebo mnohobuněční (obr. 4). Jejich buňky jsou obklopeny buněčnými stěnami z celulózy, což je druh sacharidu. Řasy jsou fotosyntetické organismy, které získávají energii ze slunce a uvolňují do svého prostředí kyslík a sacharidy. Protože ostatní organismy mohou využívat jejich odpadní produkty k získávání energie, jsou řasy důležitou součástí mnoha ekosystémů. Mnoho spotřebních výrobků obsahuje složky pocházející z řas, například karagenan nebo kyselinu alginovou, které se nacházejí v některých značkách zmrzlin, salátových dresinků, nápojů, rtěnek a zubních past. Derivát z řas hraje významnou roli také v mikrobiologické laboratoři. Agar, gel získaný z řas, lze smíchat s různými živinami a použít k pěstování mikroorganismů v Petriho misce. Řasy jsou také vyvíjeny jako možný zdroj biopaliv.
Protozoa (singulár: protozoa) jsou protista, která tvoří páteř mnoha potravních sítí tím, že poskytují živiny ostatním organismům. Prvoci jsou velmi rozmanití. Někteří prvoci se pohybují pomocí vláskovitých struktur zvaných řasinky nebo bičíků zvaných bičíky. Jiní k pohonu dopředu vysouvají část své buněčné membrány a cytoplazmy. Tato cytoplazmatická rozšíření se nazývají pseudopody („falešné nohy“). Někteří prvoci jsou fotosyntetičtí, jiní se živí organickým materiálem. Někteří jsou volně žijící, zatímco jiní jsou parazitičtí a jsou schopni přežít pouze díky získávání živin z hostitelského organismu. Většina prvoků je neškodná, ale někteří jsou patogeny, které mohou způsobit onemocnění zvířat nebo lidí (obrázek 5).
Houby
Houby (singulár: fungus) jsou také eukaryota. Některé mnohobuněčné houby, například houby, se podobají rostlinám, ale ve skutečnosti jsou zcela odlišné. Houby nejsou fotosyntetické a jejich buněčné stěny jsou obvykle tvořeny spíše chitinem než celulózou.
Jednobuněčné houby – kvasinky – jsou zahrnuty do studia mikrobiologie. Je známo více než 1000 druhů. Kvasinky se vyskytují v mnoha různých prostředích, od mořských hlubin až po lidský pupek. Některé kvasinky mají prospěšné využití, například způsobují kynutí chleba a kvašení nápojů; kvasinky však mohou také způsobovat kažení potravin. Některé dokonce způsobují nemoci, jako jsou vaginální kvasinkové infekce a afty v ústech (obr. 6).
Dalšími houbami, které zajímají mikrobiology, jsou mnohobuněčné organismy zvané plísně. Plísně jsou tvořeny dlouhými vlákny, která tvoří viditelné kolonie (obrázek 7). Plísně se vyskytují v mnoha různých prostředích, od půdy přes hnijící potraviny až po vlhké koupelnové kouty. Plísně hrají zásadní roli při rozkladu odumřelých rostlin a živočichů. Některé plísně mohou způsobovat alergie a jiné produkují metabolity způsobující nemoci zvané mykotoxiny. Plísně byly použity k výrobě léčiv, včetně penicilinu, který je jedním z nejčastěji předepisovaných antibiotik, a cyklosporinu, který se používá k prevenci odmítnutí orgánů po transplantaci.
Přemýšlejte o tom
- Jmenujte dva druhy protist a dva druhy hub.
- Vyjmenujte některé charakteristické znaky jednotlivých typů.
Helminti
Vírobuněční parazitičtí červi zvaní helminti nejsou technicky vzato mikroorganismy, protože většina z nich je dostatečně velká, abychom je viděli bez mikroskopu. Tito červi však spadají do oblasti mikrobiologie, protože nemoci způsobené helminty zahrnují mikroskopická vajíčka a larvy. Jedním z příkladů helminta je perlička neboli Dracunculus medinensis, která způsobuje závratě, zvracení, průjem a bolestivé vředy na nohou a chodidlech, když se červ propracuje ven z kůže (obrázek 8). K nákaze obvykle dochází poté, co se člověk napije vody obsahující vodní blechy infikované larvami morčáka. V polovině 80. let 20. století bylo podle odhadů zaznamenáno 3,5 milionu případů onemocnění morčaty, ale toto onemocnění bylo z velké části vymýceno. V roce 2014 bylo zaznamenáno pouze 126 případů, a to díky koordinovanému úsilí Světové zdravotnické organizace (WHO) a dalších skupin usilujících o zlepšení hygieny pitné vody.
Viry
Viry jsou acelulární mikroorganismy, což znamená, že nejsou složeny z buněk. Virus se v podstatě skládá z bílkovin a genetického materiálu – buď DNA, nebo RNA, ale nikdy ne z obou -, které jsou mimo hostitelský organismus inertní. Tím, že se viry začlení do hostitelské buňky, jsou však schopny kooptovat buněčné mechanismy hostitele, aby se množily a infikovaly další hostitele.
Viry mohou infikovat všechny typy buněk, od lidských buněk až po buňky jiných mikroorganismů. U lidí jsou viry zodpovědné za řadu onemocnění, od běžného nachlazení až po smrtelně nebezpečnou ebolu (obrázek 9). Mnoho virů však onemocnění nezpůsobuje.
Přemýšlejte o tom
- Jsou helminti mikroorganismy? Vysvětlete proč nebo proč ne.
- Jak se viry liší od ostatních mikroorganismů?
Mikrobiologie jako obor
Mikrobiologie je široký pojem, který zahrnuje studium všech různých typů mikroorganismů. V praxi se však mikrobiologové obvykle specializují na jeden z několika podoborů. Například bakteriologie se zabývá studiem bakterií, mykologie studiem hub, protozoologie studiem prvoků, parazitologie studiem helmintů a dalších parazitů a virologie studiem virů (obrázek 10).
Imunologie, studium imunitního systému, je často zahrnuta do studia mikrobiologie, protože interakce mezi hostitelem a patogenem jsou klíčové pro naše pochopení procesů infekčních onemocnění. Mikrobiologové se také mohou specializovat na určité oblasti mikrobiologie, jako je klinická mikrobiologie, mikrobiologie životního prostředí, aplikovaná mikrobiologie nebo mikrobiologie potravin.
V této učebnici se zabýváme především klinickými aplikacemi mikrobiologie, ale protože jsou různé podobory mikrobiologie velmi propojené, budeme často diskutovat o aplikacích, které nejsou striktně klinické.
Bioetika v mikrobiologii
Ve čtyřicátých letech 20. století hledala americká vláda řešení zdravotního problému: výskytu pohlavně přenosných chorob mezi vojáky. Několik dnes již proslulých studií financovaných vládou využívalo lidské subjekty k výzkumu běžných pohlavních chorob a jejich léčby. V jedné takové studii američtí vědci záměrně vystavili více než 1300 lidských subjektů v Guatemale syfilidě, kapavce a chankroidu, aby zjistili schopnost penicilinu a dalších antibiotik bojovat s těmito nemocemi. Subjekty studie byli guatemalští vojáci, vězni, prostitutky a psychiatričtí pacienti – nikdo z nich nebyl informován o tom, že se studie účastní. Výzkumníci vystavili subjekty pohlavně přenosným chorobám různými metodami, od usnadnění pohlavního styku s infikovanými prostitutkami až po naočkování subjektů bakteriemi, o nichž je známo, že tyto choroby způsobují. Tato poslední metoda spočívala ve vytvoření malé ranky na genitáliích nebo jinde na těle subjektu a následném vpravení bakterií přímo do ranky. V roce 2011 americká vládní komise pověřená vyšetřováním experimentu odhalila, že penicilinem byla léčena pouze část subjektů a 83 subjektů do roku 1953 zemřelo, pravděpodobně v důsledku této studie.
Naneštěstí je to jeden z mnoha otřesných příkladů mikrobiologických experimentů, které porušily základní etické normy. I kdyby tato studie vedla k život zachraňujícímu lékařskému průlomu (což se nestalo), málokdo by tvrdil, že její metody byly eticky správné nebo morálně ospravedlnitelné. Ne každý případ je však tak jednoznačný. Odborníci pracující v klinickém prostředí jsou často konfrontováni s etickými dilematy, například při práci s pacienty, kteří odmítají vakcínu nebo život zachraňující transfuzi krve. To jsou jen dva příklady rozhodnutí o životě a smrti, která se mohou křížit s náboženským a filozofickým přesvědčením pacienta i zdravotnického pracovníka.
Bez ohledu na to, jak ušlechtilý je cíl, mikrobiologické studie a klinická praxe se musí řídit určitým souborem etických zásad. Studie musí být prováděny poctivě. Pacienti a subjekty výzkumu poskytují informovaný souhlas (nejenže souhlasí s léčbou nebo studiem, ale prokazují pochopení účelu studie a všech souvisejících rizik). Práva pacientů musí být respektována. Postupy musí být schváleny institucionální revizní komisí. Při práci s pacienty je nejdůležitější přesné vedení záznamů, upřímná komunikace a důvěrnost. Se zvířaty používanými pro výzkum musí být zacházeno humánně a všechny protokoly musí být schváleny institucionální komisí pro péči o zvířata a jejich používání. To jsou jen některé z etických zásad, které jsou probírány v rámečcích Eye on Ethics v celé této knize.
Klinické zaměření:
V tomto příkladu se uzavírá příběh Cory, který začal v knihách Co věděli naši předkové a Systematický přístup.
Vzorky mozkomíšního moku Cory nevykazují žádné známky zánětu nebo infekce, jak by se dalo očekávat u virové infekce. V jejím mozkomíšním moku je však vysoká koncentrace určitého proteinu, 14-3-3 proteinu. Elektroencefalogram (EEG) její mozkové funkce je rovněž abnormální. EEG se podobá pacientovi s neurodegenerativním onemocněním, jako je Alzheimerova nebo Huntingtonova choroba, ale Cořin rychlý pokles kognitivních funkcí neodpovídá ani jedné z nich. Místo toho její lékař dospěl k závěru, že Cora trpí Creutzfeldt-Jakobovou chorobou (CJD), typem přenosné spongiformní encefalopatie (TSE).
CJD je extrémně vzácné onemocnění, ve Spojených státech se ročně vyskytne jen asi 300 případů. Není způsobena bakterií, houbou ani virem, ale priony – které se nedají přesně zařadit do žádné konkrétní kategorie mikrobů. Stejně jako viry se priony nenacházejí na stromu života, protože jsou acelulární. Priony jsou extrémně malé, asi desetina velikosti typického viru. Neobsahují žádný genetický materiál a jsou tvořeny pouze určitým typem abnormálního proteinu.
CJD může mít několik různých příčin. Lze ji získat vystavením mozku nebo tkáni nervového systému infikované osoby nebo zvířete. Jedním ze způsobů, jak k takové expozici může dojít, je konzumace masa nakaženého zvířete. Byly také zaznamenány vzácné případy nákazy CJD při kontaktu s kontaminovaným chirurgickým vybavením a od dárců rohovky a růstového hormonu, kteří CJD nevědomky měli. Ve vzácných případech je onemocnění důsledkem specifické genetické mutace, která může být někdy dědičná. Přibližně u 85 % pacientů s CJD je však příčina onemocnění spontánní (neboli sporadická) a nemá žádnou identifikovatelnou příčinu. Na základě příznaků a jejich rychlé progrese je u Cory diagnostikována sporadická CJD.
Naneštěstí pro Coru je CJD smrtelné onemocnění, na které neexistuje schválená léčba. Přibližně 90 % pacientů umírá do jednoho roku od stanovení diagnózy. Její lékaři se s postupujícím onemocněním zaměřují na omezení bolesti a kognitivních příznaků. O osm měsíců později Cora umírá. Její diagnóza CJD je potvrzena pitvou mozku.
Klíčové pojmy a shrnutí
- Mikroorganismy jsou velmi rozmanité a vyskytují se ve všech třech oblastech života: Archaea, Bacteria a Eukarya.
- Archaea a bakterie jsou klasifikovány jako prokaryota, protože jim chybí buněčné jádro. Archaea se od bakterií liší evoluční historií, genetikou, metabolickými cestami a složením buněčné stěny a membrány.
- Archaea obývají téměř všechna prostředí na Zemi, ale žádná archaea nebyla identifikována jako lidské patogeny.
- Mezi eukaryota studovaná v mikrobiologii patří řasy, prvoci, houby a helminti.
- Řasy jsou organismy podobné rostlinám, které mohou být jednobuněčné nebo mnohobuněčné a získávají energii fotosyntézou.
- Prvoci jsou jednobuněčné organismy se složitou buněčnou strukturou; většina z nich je pohyblivá.
- Mezi mikroskopické houby patří plísně a kvasinky.
- Helminti jsou mnohobuněční parazitičtí červi. Jsou zahrnuty do oboru mikrobiologie, protože jejich vajíčka a larvy jsou často mikroskopické.
- Viry jsou acelulární mikroorganismy, které ke svému rozmnožování potřebují hostitele.
- Obor mikrobiologie je nesmírně široký. Mikrobiologové se obvykle specializují na jeden z mnoha podoborů, ale všichni zdravotníci potřebují solidní základy klinické mikrobiologie.
Více možností
Který z následujících typů mikroorganismů je fotosyntetický
- kvasinky
- viry
- helminty
- řasy
Zobrazit odpověď
Odpověď d. Řasy jsou fotosyntetické.
Který z následujících mikroorganismů je prokaryotický
- helmint
- protozoa
- cyanobakterie
- plíseň
Zobrazit odpověď
Odpověď c. Cyanobakterie je prokaryotický mikroorganismus.
Který z následujících mikroorganismů je acelulární
- virus
- bakterie
- houba
- protozoa
Ukázat odpověď
Odpověď a. Viry jsou acelulární.
Který z následujících mikroorganismů je druh houby?
- bakterie
- protozoa
- řasa
- kvasinka
Zobrazit odpověď
Odpověď d. Kvasinka je typem houbového mikroorganismu.
Který z následujících oborů není podoborem mikrobiologie
- bakteriologie
- botanika
- klinická mikrobiologie
- virologie
Zobrazit odpověď
Odpověď b. Botanika není podoborem mikrobiologie.
Fill in Blank
A ________ je mikroorganismus způsobující onemocnění.
Zobrazit odpověď
Patogen je mikroorganismus způsobující onemocnění.
Multicelulární parazitičtí červi studovaní mikrobiology se nazývají ___________.
Ukázat odpověď
Multicelulární parazitičtí červi studovaní mikrobiology se nazývají helminti.
Studium virů je ___________.
Ukázat odpověď
Studium virů je virologie.
Buňky prokaryotických organismů nemají _______.
Ukázat odpověď
Buňky prokaryotických organismů postrádají jádro.
Přemýšlejte o tom
- Popsat rozdíly mezi bakteriemi a archei.
- Vyjmenujte tři struktury, které různí prvoci používají k pohybu.
- Popsat skutečnou a relativní velikost viru, bakterie a rostlinné nebo živočišné buňky.
- Konfrontovat chování viru vně a uvnitř buňky.
- Kam by v tomto grafu patřil virus, bakterie, živočišná buňka a prion?
- P. Rudge et al. „Iatrogenní CJD způsobená růstovým hormonem odvozeným od hypofýzy s geneticky určenou inkubační dobou až 40 let“. Brain 138 č. 11 (2015): 3386-3399. ↵
- Kara Rogers. „Guatemalský experiment se syfilisem: Americký lékařský výzkumný projekt“. Encylopaedia Britannica. http://www.britannica.com/event/Guatemala-syphilis-experiment. Přístup 24. června 2015. ↵
- Susan Donaldson James. „Experimenty se syfilisem šokují, ale stejně tak i pokusy s léky ve třetím světě“. ABC World News. August 30, 2011. http://abcnews.go.com/Health/guatemala-syphilis-experiments-shock-us-drug-trials-exploit/story?id=14414902. Přístupné 24. června 2015. ↵
- C. Greenaway „Dracunculiasis (Guinea Worm Disease)“. Canadian Medical Association Journal 170 č. 4 (2004):495-500. ↵
- Světová zdravotnická organizace. „Dracunculiasis (Guinea-Worm Disease)“. SVĚTOVÁ ZDRAVOTNICKÁ ORGANIZACE. 2015. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs359/en/. Dostupné 2. října 2015. ↵
- Greg Botelho. „Případ Creutzfeldt-Jakobovy choroby potvrzen v New Hampshire“. CNN. 2013. http://www.cnn.com/2013/09/20/health/creutzfeldt-jakob-brain-disease/. ↵
- J.G. Heckmann et al. „Transmission of Creutzfeldt-Jakob Disease via a Corneal Transplant“. Časopis Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 63 č. 3 (1997): 388-390. ↵
- Národní ústav neurologických poruch a mrtvice. „Informační list o Creutzfeldt-Jakobově chorobě“. NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. ↵
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Informační list o Creutzfeldt-Jakobově chorobě“. NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. Dostupné 22. června 2015. ↵