Cele nauczania
- Wymień różne rodzaje mikroorganizmów i opisz ich cechy charakterystyczne
- Podaj przykłady różnych rodzajów mikroorganizmów komórkowych i wirusowych oraz czynniki zakaźne
- Opisać podobieństwa i różnice między archaizmami i bakteriami
- Przedstawić przegląd dziedziny mikrobiologii
Większość mikrobów jest jednokomórkowa i na tyle mała, że wymaga sztucznego powiększenia, aby je zobaczyć. Istnieją jednak pewne jednokomórkowe mikroby, które są widoczne gołym okiem, a także pewne wielokomórkowe organizmy, które są mikroskopijne. Obiekt musi mierzyć około 100 mikrometrów (µm), aby był widoczny bez mikroskopu, ale większość mikroorganizmów jest wielokrotnie mniejsza od tej wartości. Dla pewnej perspektywy rozważmy, że typowa komórka zwierzęca mierzy około 10 µm średnicy, ale nadal jest mikroskopijna. Komórki bakteryjne mają zwykle około 1 µm, a wirusy mogą być 10 razy mniejsze od bakterii (Rysunek 1). Patrz Tabela 1 dla jednostek długości używanych w mikrobiologii.
| Tabela 1. Jednostki długości powszechnie stosowane w mikrobiologii | ||
|---|---|---|
| Jednostka metryczna | Znaczenie przedrostka | Równoważnik metryczny |
| metr (m) | – | 1 m = 100 m |
| decymetr (dm) | 1/10 | 1 dm = 0.1 m = 10-1 m |
| centymetr (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 |
Mikroorganizmy różnią się od siebie nie tylko wielkością, ale także strukturą, siedliskiem, metabolizmem i wieloma innymi cechami. Chociaż zazwyczaj myślimy o mikroorganizmach jako jednokomórkowe, istnieje również wiele organizmów wielokomórkowych, które są zbyt małe, aby być widoczne bez mikroskopu. Niektóre mikroby, takie jak wirusy, są nawet acellular (nie składa się z komórek).
Mikroorganizmy znajdują się w każdej z trzech domen życia: Archaea, Bacteria, i Eukarya. Mikroby w domenach Bacteria i Archaea są prokariotami (ich komórki nie mają jądra), podczas gdy mikroby w domenie Eukarya są eukariotami (ich komórki mają jądro). Niektóre mikroorganizmy, takie jak wirusy, nie mieszczą się w żadnej z trzech dziedzin życia. W tym rozdziale przedstawimy pokrótce każdą z szerokich grup mikrobów. Późniejsze rozdziały będą bardziej dogłębnie omawiać różnorodne gatunki w obrębie każdej grupy.
Mikroorganizmy prokariotyczne
Bakterie występują w prawie każdym siedlisku na Ziemi, w tym wewnątrz i na człowieku. Większość bakterii jest nieszkodliwa lub pomocna, ale niektóre z nich są patogenami, wywołującymi choroby u ludzi i innych zwierząt. Bakterie są prokariotyczne, ponieważ ich materiał genetyczny (DNA) nie jest umieszczony w prawdziwym jądrze. Większość bakterii mają ściany komórkowe, które zawierają peptydoglikan.
Bakterie są często opisywane w kategoriach ich ogólnego kształtu. Typowe kształty to kulisty (coccus), pręcikowy (bacillus) lub zakrzywiony (spirillum, spirochete, lub vibrio). Rysunek 2 przedstawia przykłady tych kształtów.
Mają one szeroki zakres zdolności metabolicznych i mogą rosnąć w różnych środowiskach, wykorzystując różne kombinacje składników odżywczych. Niektóre bakterie są fotosyntetyczne, takie jak tlenowe cyjanobakterie i anoksygeniczne zielone bakterie siarkowe i zielone bakterie niesiarkowe; bakterie te wykorzystują energię pochodzącą ze światła słonecznego i wiążą dwutlenek węgla do wzrostu. Inne typy bakterii są niefotosyntetyczne, uzyskując energię ze związków organicznych lub nieorganicznych w ich środowisku.
Archaea są również jednokomórkowymi organizmami prokariotycznymi. Archaea i bakterie mają różne historie ewolucyjne, jak również znaczące różnice w genetyce, szlaki metaboliczne, a skład ich ścian komórkowych i błon. W przeciwieństwie do większości bakterii, ściany komórkowe archeonów nie zawierają peptydoglikanu, ale ich ściany komórkowe są często zbudowane z podobnej substancji zwanej pseudopeptydoglikanem. Podobnie jak bakterie, archeea występują w prawie każdym środowisku na Ziemi, nawet w środowiskach ekstremalnych, bardzo zimnych, bardzo gorących, bardzo zasadowych lub bardzo kwaśnych (Ryc. 3). Niektóre archaea żyją w ludzkim ciele, ale żadne nie okazały się ludzkimi patogenami.
Pomyśl o tym
- Jakie są dwa główne typy organizmów prokariotycznych?
- Podaj kilka cech definiujących każdy typ.
Mikroorganizmy eukariotyczne
Domena Eukarya zawiera wszystkie eukarionty, w tym jedno- i wielokomórkowe eukarionty, takie jak protisty, grzyby, rośliny i zwierzęta. Główną cechą definiującą eukarionty jest to, że ich komórki zawierają jądro.
Protisty
Protisty są jednokomórkowymi eukariontami, które nie są roślinami, zwierzętami lub grzybami. Algi i pierwotniaki są przykładami protistów.
Algi (singular: alga) są roślinopodobnymi protistami, które mogą być jednokomórkowe lub wielokomórkowe (Rysunek 4). Ich komórki są otoczone ścianami komórkowymi wykonanymi z celulozy, rodzaju węglowodanów. Algi są organizmami fotosyntetyzującymi, które pobierają energię ze słońca i uwalniają tlen i węglowodany do swojego środowiska. Ponieważ inne organizmy mogą wykorzystywać ich produkty odpadowe do produkcji energii, algi są ważną częścią wielu ekosystemów. Wiele produktów konsumenckich zawiera składniki pochodzące z alg, takie jak karagen lub kwas alginowy, które znajdują się w niektórych markach lodów, sosach sałatkowych, napojach, szminkach i pastach do zębów. Pochodna alg odgrywa również istotną rolę w laboratorium mikrobiologicznym. Agar, żel pozyskiwany z alg, może być mieszany z różnymi substancjami odżywczymi i używany do hodowli mikroorganizmów w szalkach Petriego. Algi są również opracowywane jako możliwe źródło biopaliw.
Protozoa (liczba pojedyncza: pierwotniaki) są protistami, które tworzą szkielet wielu sieci pokarmowych, dostarczając składników odżywczych innym organizmom. Pierwotniaki są bardzo zróżnicowane. Niektóre pierwotniaki poruszają się z pomocą włoskowatych struktur zwanych rzęskami lub biczowatych struktur zwanych flagellami. Inne wydłużają część swojej błony komórkowej i cytoplazmy, aby napędzać się do przodu. Te cytoplazmatyczne rozszerzenia nazywane są pseudopodami („fałszywymi stopami”). Niektóre pierwotniaki są fotosyntetyzujące, inne żywią się materią organiczną. Niektóre z nich są wolno żyjące, podczas gdy inne są pasożytami, zdolnymi do przetrwania tylko dzięki pobieraniu składników odżywczych z organizmu żywiciela. Większość pierwotniaków jest nieszkodliwa, ale niektóre są patogenami, które mogą wywoływać choroby u zwierząt lub ludzi (Rysunek 5).
Grzyby
Grzyby (singular: fungus) są również eukariotami. Niektóre wielokomórkowe grzyby, takie jak grzyby, przypominają rośliny, ale w rzeczywistości są zupełnie inne. Grzyby nie są fotosyntetyzujące, a ich ściany komórkowe są zwykle zbudowane z chityny, a nie z celulozy.
Grzyby jednokomórkowe – drożdże – wchodzą w zakres badań mikrobiologii. Istnieje ponad 1000 znanych gatunków. Drożdże występują w wielu różnych środowiskach, od głębin morskich po ludzki pępek. Niektóre drożdże mają pożyteczne zastosowania, np. powodują wyrastanie chleba i fermentację napojów, ale mogą również powodować psucie się żywności. Niektóre nawet powodują choroby, takie jak infekcje drożdżakowe pochwy i pleśniawki jamy ustnej (Rysunek 6).
Inne grzyby interesujące mikrobiologów to wielokomórkowe organizmy zwane pleśniami. Pleśnie są zbudowane z długich włókien, które tworzą widoczne kolonie (rysunek 7). Pleśnie występują w wielu różnych środowiskach, od gleby, przez gnijące jedzenie, po wilgotne kąty w łazience. Odgrywają one kluczową rolę w procesie rozkładu martwych roślin i zwierząt. Niektóre grzyby pleśniowe mogą powodować alergie, a inne wytwarzają powodujące choroby metabolity zwane mikotoksynami. Pleśnie były wykorzystywane do produkcji leków, w tym penicyliny, która jest jednym z najczęściej przepisywanych antybiotyków, oraz cyklosporyny, stosowanej do zapobiegania odrzucaniu narządów po przeszczepie.
Pomyśl o tym
- Wymień dwa rodzaje protistów i dwa rodzaje grzybów.
- Nazwij niektóre z cech definiujących każdy typ.
Helminths
Wielokomórkowe pasożytnicze robaki zwane helminthami nie są technicznie mikroorganizmami, ponieważ większość z nich jest wystarczająco duża, aby zobaczyć je bez mikroskopu. Jednak te robaki mieszczą się w dziedzinie mikrobiologii, ponieważ choroby wywoływane przez helmintów obejmują mikroskopijne jaja i larwy. Jednym z przykładów helminta jest świnka morska, czyli Dracunculus medinensis, która powoduje zawroty głowy, wymioty, biegunkę i bolesne owrzodzenia na nogach i stopach, gdy robak wydostanie się ze skóry (rysunek 8). Do zarażenia dochodzi zazwyczaj po wypiciu przez człowieka wody zawierającej pchły wodne zarażone larwami świnki morskiej. W połowie lat 80. szacowano, że liczba przypadków zachorowań na perlicę wynosiła 3,5 miliona, ale choroba ta została w dużej mierze zwalczona. W 2014 r. zgłoszono tylko 126 przypadków, dzięki skoordynowanym wysiłkom Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) i innych grup zaangażowanych w poprawę warunków sanitarnych wody pitnej.
Wirusy
Wirusy są mikroorganizmami bezkomórkowymi, co oznacza, że nie składają się z komórek. Zasadniczo wirus składa się z białek i materiału genetycznego – albo DNA, albo RNA, ale nigdy obu – które są obojętne poza organizmem gospodarza. Jednakże, poprzez włączenie się do komórki gospodarza, wirusy są w stanie kooptować mechanizmy komórkowe gospodarza w celu namnażania się i infekowania innych gospodarzy.
Wirusy mogą infekować wszystkie rodzaje komórek, od komórek ludzkich do komórek innych mikroorganizmów. U ludzi wirusy są odpowiedzialne za liczne choroby, od zwykłego przeziębienia do śmiertelnej Eboli (Rysunek 9). Jednak wiele wirusów nie wywołuje chorób.
Pomyśl o tym
- Czy helminty są mikroorganizmami? Wyjaśnij dlaczego lub dlaczego nie.
- Czym różnią się wirusy od innych mikroorganizmów?
Mikrobiologia jako dziedzina nauki
Mikrobiologia to szeroki termin, który obejmuje badanie wszystkich różnych typów mikroorganizmów. Jednak w praktyce mikrobiolodzy mają tendencję do specjalizowania się w jednej z kilku poddziedzin. Na przykład, bakteriologia jest badaniem bakterii; mikologia jest badaniem grzybów; pierwotniak jest badaniem pierwotniaków; parazytologia jest badaniem helmintów i innych pasożytów; a wirusologia jest badaniem wirusów (rysunek 10).
Immunologia, badanie układu odpornościowego, jest często włączana do badań mikrobiologicznych, ponieważ interakcje gospodarz-patogen są kluczowe dla naszego zrozumienia procesów chorób zakaźnych. Mikrobiolodzy mogą również specjalizować się w pewnych dziedzinach mikrobiologii, takich jak mikrobiologia kliniczna, mikrobiologia środowiskowa, mikrobiologia stosowana lub mikrobiologia żywności.
W niniejszym podręczniku zajmujemy się przede wszystkim klinicznymi zastosowaniami mikrobiologii, ale ponieważ różne poddziedziny mikrobiologii są ze sobą ściśle powiązane, często będziemy omawiać zastosowania, które nie są ściśle kliniczne.
Bioetyka w mikrobiologii
W latach czterdziestych XX wieku rząd Stanów Zjednoczonych szukał rozwiązania problemu medycznego: powszechności chorób przenoszonych drogą płciową (STD) wśród żołnierzy. Kilka obecnie niesławnych badań finansowanych przez rząd wykorzystywało ludzi do badań nad powszechnymi chorobami wenerycznymi i sposobami ich leczenia. W jednym z takich badań amerykańscy naukowcy celowo narażali ponad 1300 osób w Gwatemali na zakażenie kiłą, rzeżączką i chancroidem, aby określić zdolność penicyliny i innych antybiotyków do zwalczania tych chorób. Obiektami badań byli gwatemalscy żołnierze, więźniowie, prostytutki i pacjenci psychiatryczni – żaden z nich nie został poinformowany, że bierze udział w badaniu. Naukowcy narażali badanych na choroby weneryczne różnymi metodami, od ułatwiania stosunków z zakażonymi prostytutkami po zaszczepienie badanych bakteriami, które wywołują te choroby. Ta ostatnia metoda polegała na zrobieniu małej rany na genitaliach badanego lub w innym miejscu na ciele, a następnie wprowadzeniu bakterii bezpośrednio do rany. W 2011 roku amerykańska komisja rządowa, której zadaniem było zbadanie eksperymentu, ujawniła, że tylko część badanych była leczona penicyliną, a 83 badanych zmarło do 1953 roku, prawdopodobnie w wyniku badań.
Niestety, jest to jeden z wielu przerażających przykładów eksperymentów mikrobiologicznych, które naruszyły podstawowe normy etyczne. Nawet gdyby to badanie doprowadziło do ratującego życie przełomu w medycynie (tak się nie stało), niewielu twierdziłoby, że jego metody były etycznie zdrowe lub moralnie uzasadnione. Ale nie każdy przypadek jest tak oczywisty. Specjaliści pracujący w środowisku klinicznym często stają przed dylematami etycznymi, takimi jak praca z pacjentami, którzy odmawiają przyjęcia szczepionki lub ratującej życie transfuzji krwi. To tylko dwa przykłady decyzji dotyczących życia i śmierci, które mogą krzyżować się z przekonaniami religijnymi i filozoficznymi zarówno pacjenta, jak i pracownika służby zdrowia.
Niezależnie od tego, jak szlachetny jest cel, badania mikrobiologiczne i praktyka kliniczna muszą kierować się pewnym zestawem zasad etycznych. Badania muszą być prowadzone w sposób uczciwy. Pacjenci i uczestnicy badań muszą wyrazić świadomą zgodę (nie tylko zgadzając się na leczenie lub badania, ale wykazując zrozumienie celu badań i związanego z nimi ryzyka). Prawa pacjentów muszą być respektowane. Procedury muszą być zatwierdzone przez instytucjonalną komisję rewizyjną. W pracy z pacjentami najważniejsze są: dokładne prowadzenie dokumentacji, uczciwa komunikacja i poufność. Zwierzęta wykorzystywane do badań muszą być traktowane w sposób humanitarny, a wszystkie protokoły muszą być zatwierdzone przez instytucjonalną komisję ds. opieki nad zwierzętami i ich wykorzystywania. Są to tylko niektóre z zasad etycznych badanych w pudełkach Eye on Ethics w całej tej książce.
Clinical Focus: Cora, Resolution
Ten przykład kończy historię Cory, która rozpoczęła się w What Our Ancestors Knew i A Systematic Approach.
Próbki płynu mózgowo-rdzeniowego Cory nie wykazują oznak zapalenia ani zakażenia, czego można by się spodziewać w przypadku zakażenia wirusowego. Jednakże w jej płynie mózgowo-rdzeniowym występuje wysokie stężenie szczególnego białka, białka 14-3-3. Elektroencefalogram (EEG) funkcji jej mózgu jest również nieprawidłowy. EEG przypomina to u pacjenta z chorobą neurodegeneracyjną, taką jak choroba Alzheimera lub Huntingtona, ale gwałtowny spadek zdolności poznawczych Cory nie jest zgodny z żadną z tych chorób. Zamiast tego, jej lekarz stwierdza, że Cora ma chorobę Creutzfeldta-Jakoba (CJD), rodzaj pasażowalnej encefalopatii gąbczastej (TSE).
CJD jest niezwykle rzadką chorobą, z tylko około 300 przypadków w Stanach Zjednoczonych każdego roku. Nie jest ona wywoływana przez bakterie, grzyby lub wirusy, ale raczej przez priony, które nie pasują do żadnej konkretnej kategorii mikrobów. Podobnie jak wirusy, priony nie znajdują się na drzewie życia, ponieważ są bezkomórkowe. Priony są niezwykle małe, około jednej dziesiątej wielkości typowego wirusa. Nie zawierają one materiału genetycznego i składają się wyłącznie z pewnego rodzaju nieprawidłowego białka.
CJD może mieć kilka różnych przyczyn. Można ją nabyć poprzez kontakt z tkanką mózgu lub układu nerwowego zakażonej osoby lub zwierzęcia. Spożywanie mięsa zakażonego zwierzęcia jest jednym ze sposobów, w jaki może dojść do takiej ekspozycji. Zdarzały się również rzadkie przypadki narażenia na CJD poprzez kontakt ze skażonym sprzętem chirurgicznym oraz od dawców rogówki i hormonu wzrostu, którzy nieświadomie chorowali na CJD. W rzadkich przypadkach choroba wynika z określonej mutacji genetycznej, która czasami może być dziedziczna. Jednak u około 85% pacjentów z CJD choroba rozwija się samoistnie (lub sporadycznie) i nie ma możliwej do zidentyfikowania przyczyny. Na podstawie objawów i ich szybkiego postępu u Cory rozpoznaje się sporadyczną postać CJD.
Niestety dla Cory, CJD jest chorobą śmiertelną, na którą nie ma zatwierdzonego leczenia. Około 90% pacjentów umiera w ciągu roku od diagnozy. Lekarze skupiają się na ograniczaniu bólu i objawów poznawczych w miarę postępu choroby. Osiem miesięcy później Cora umiera. Jej diagnoza CJD zostaje potwierdzona podczas autopsji mózgu.
Kluczowe pojęcia i podsumowanie
- Mikroorganizmy są bardzo zróżnicowane i występują we wszystkich trzech dziedzinach życia: Archaea, Bacteria, and Eukarya.
- Archaea i bakterie są klasyfikowane jako prokariota, ponieważ brakuje im jądra komórkowego. Archaea różnią się od bakterii historią ewolucji, genetyką, szlakami metabolicznymi oraz składem ściany komórkowej i błony.
- Archaea zamieszkują prawie każde środowisko na Ziemi, ale żadne archaea nie zostały zidentyfikowane jako ludzkie patogeny.
- Eukarionty badane w mikrobiologii obejmują glony, pierwotniaki, grzyby i helmintów.
- Pierwotniaki są organizmami jednokomórkowymi o złożonych strukturach komórkowych; większość z nich jest ruchliwa.
- Grzyby mikroskopowe obejmują pleśnie i drożdże.
- Helmintony są wielokomórkowymi robakami pasożytniczymi. Są one zawarte w dziedzinie mikrobiologii, ponieważ ich jaja i larwy są często mikroskopijne.
- Wirusy są mikroorganizmami bezkomórkowymi, które wymagają gospodarza do rozmnażania.
- Pola mikrobiologii jest bardzo szerokie. Mikrobiolodzy zazwyczaj specjalizują się w jednej z wielu dziedzin, ale wszyscy pracownicy służby zdrowia potrzebują solidnych podstaw mikrobiologii klinicznej.
Multiple Choice
Który z następujących typów mikroorganizmów jest fotosyntetyzujący?
- drożdże
- wirusy
- helminty
- glony
Show Answer
Answer d. Algi są fotosyntetyzujące.
Który z poniższych mikroorganizmów jest prokariotyczny?
- helminth
- protozoan
- cyanobacterium
- mold
Show Answer
Answer c. Cyanobacterium jest mikroorganizmem prokariotycznym.
Który z poniższych jest acellular?
- virus
- bakteria
- grzyb
- protozoan
Show Answer
Answer a. Wirusy są acellular.
Który z poniższych jest rodzajem mikroorganizmu grzybowego?
- bakteria
- protozoan
- alga
- drożdże
Show Answer
Answer d. Drożdże są rodzajem mikroorganizmu grzybowego.
Która z poniższych dziedzin nie jest poddziedziną mikrobiologii?
- bakteriologia
- botanika
- mikrobiologia kliniczna
- wirologia
Show Answer
Answer b. Botanika nie jest subdziedziną mikrobiologii.
Fill in the Blank
A ________ jest mikroorganizmem wywołującym choroby.
Show Answer
Patogen jest mikroorganizmem wywołującym choroby.
Wielokomórkowe pasożytnicze robaki badane przez mikrobiologów są nazywane ___________.
Show Answer
Wielokomórkowe pasożytnicze robaki badane przez mikrobiologów nazywane są helmintami.
Badanie wirusów to ___________.
Show Answer
Badanie wirusów to wirusologia.
Komórki organizmów prokariotycznych nie posiadają _______.
Show Answer
Komórki organizmów prokariotycznych nie mają jądra.
Think about It
- Opisać różnice między bakteriami i archaami.
- Nazwać trzy struktury, których różne pierwotniaki używają do poruszania się.
- Opisz rzeczywiste i względne rozmiary wirusa, bakterii i komórki roślinnej lub zwierzęcej.
- Porównaj zachowanie wirusa na zewnątrz i wewnątrz komórki.
- Gdzie na tym wykresie znalazłyby się wirus, bakteria, komórka zwierzęca i prion?
- P. Rudge et al. „Iatrogenic CJD Due to Pituitary-Derived Growth Hormone With Genetically Determined Incubation Times of Up to 40 Years.” Brain 138 no. 11 (2015): 3386-3399. ↵
- Kara Rogers. „Guatemala Syphilis Experiment: American Medical Research Project”. Encylopaedia Britannica. http://www.britannica.com/event/Guatemala-syphilis-experiment. Dostęp 24 czerwca 2015. ↵
- Susan Donaldson James. „Syphilis Experiments Shock, But So Do Third-World Drug Trials”. ABC World News. August 30, 2011. http://abcnews.go.com/Health/guatemala-syphilis-experiments-shock-us-drug-trials-exploit/story?id=14414902. Accessed June 24, 2015. ↵
- C. Greenaway „Dracunculiasis (Guinea Worm Disease).” Canadian Medical Association Journal 170 no. 4 (2004):495-500. ↵
- World Health Organization. „Dracunculiasis (Guinea-Worm Disease).” WHO. 2015. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs359/en/. Dostęp 2 października 2015. ↵
- Greg Botelho. „Case of Creutzfeldt-Jakob Disease Confirmed in 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.” Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 63 no. 3 (1997): 388-390. ↵
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Creutzfeldt-Jakob Disease Fact Sheet.” NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. ↵
- National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Creutzfeldt-Jakob Disease Fact Sheet.” NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. Accessed June 22, 2015. ↵