Микробиология как наука. Задачи и методы исследования в микробиологии.
Микробиология как наука. Микроорганизмы изучает наука, которая получила название микробиологии. Микробиология (от греч. micros - малый, bios - жизнь, logos - учение) - наука, изучающая строение, жизнедеятельность и экологию микроорганизмов. Микробиология изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, простейшие, вирусы). Микробиология является по своей сути биологической фундаментальной наукой. Для изучения микроорганизмов она использует методы других наук, прежде всего физики, биологии, биоорганической химии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, иммунологии. Как и всякая наука, микробиология подразделяется на общую и частную. Общая микробиология изучает закономерности строения и жизнедеятельности микроорганизмов на всех уровнях (молекулярном, клеточном, популяционном), генетику и взаимоотношения их с окружающей средой. Частная микробиология изучает отдельных представителей микромира в зависимости от проявления и влияния их на окружающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разделам микробиологии относятся: медицинская, ветеринарная, сельскохозяйственная, техническая (раздел биотехнологии), морская, космическая микробиология. Медицинская микробиология - наука, изучающая патогенные для человека микроорганизмы и взаимоотношения, которые возникают между ними и человеческим организмом в условиях внешней среды. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микробиология делится на: бактериологию (изучает патогенные бактерии) вирусологию (учение о вирусах) микологию (изучает патогенные для человека грибы) протозоологию (изучает патогенные одноклеточные организмы) иммунологию (науку о механизмах защиты организма от патогенных и непатогенных агентов) санитарную микробиологию (изучает микрофлору окружающей среды и её влияние на человека) клиническую микробиологию (изучает роль условно-патогенных микробов в патологии человека) фармацевтическую микробиологию (изучает порчу лекарственного сырья и растений под действием микробов, обсеменённость лекарственных форм и т.п.) космическую микробиологию (изучает микрофлору космического пространства и др. планет) Техническая микробиология является частью биотехнологии; разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основой современной биотехнологии является генетическая инженерия. Задачи медицинской микробиологии: Изучает свойства (морфологию и физиологию) патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Изучает роль патогенных и условно-патогенных микроорганизмов в развитии инфекционного процесса и иммунного ответа макроорганизма. Разрабатывает методы лабораторной диагностики инфекционных заболеваний. Разрабатывает средства специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний для их предупреждения и лечения. Изучает экологию патогенных микроорганизмов, основные клинические проявления и распространённость инфекционных заболеваний.
Основные периоды в развитии микробиологии и иммунологии.
-период эмперических знаний Тит Лукреций Кар, Гален
-морфологич. Период Галилео, Левенгук (двояковыпуклые линзы)
-физиологический Луи Пастер (выясненте роли микроорганизмов, открытие анаэробных микроорг-мов, методов стерилизации, изучение возбудителей сибирской язвы, холеры, бешенства). Кох ввел в практику чашки Петри, соверш. Техники микроскопии.
-иммунологический период Мечников разработал теорию фагоциотза, Иановский, Флемминг
- молекулярно-генетический период
Создание электронного микроскопа, - расшифровка химического строения и химический синтез некоторых антигенов;
- открытие новых антигенов;
- расшифровка строения антител-иммуноглобулинов;
- разработка метода культур животных и растительных клеток и их выращивания в промышленных масштабах с целью получения вирусных антигенов;
- получение рекомбинантных бактерий и рекомбинантных вирусов;
- открытие иммуномодуляторов;
- получение вакцин;
- разработка синтетических вакцин на основе природных или синтетических антигенов и их фрагментов;
- Открытие вирусов, вызывающих иммунодефициты;
- разработка принципиально новых способов диагностики инфекционных и неинфекционных болезней.
Основоположники микробиологии.
Л.Пастер доказал патогенность для человека стафилококка, пневмококка. В медицинской микробиологии принято считать первооткрывателем микроба не того, кто первым описал его, а того, кто доказал его роль как этиологического агента того или иного заболевания. Поэтому Л.Пастера считают первооткрывателем этих бактерий. Кроме них Л.Пастер открыл клостридии. 2. Л.Пастер первым разработал алгоритм приготовления живых (ослабленных) вакцин, назвав эти препараты в честь эмпирического открытия Дженнера, разработавшего оспопрививание (лат. vacca = корова). Пастер приготовил вакцины против куриной холеры, сибирской язвы и бешенства. Последнюю вакцину он создал, даже не зная возбудителя болезни (вирусы были открыты позднее). Таким об-разом, Л.Пастера смело можно назвать основоположником иммунологии. 3. Л.Пастеру принадлежит и множество других открытий. а. Как уже упоминалось выше, Пастер открыл микробную природу брожения. б. Кроме этого им была открыта микробная природа болезней шелковичных червей, а так же при-рода порчи (скисания) вина и пива. Эти открытия великого учёного принесли Франции огромную материальную выгоду. в. Л.Пастер доказал невозможность самозарождения микроорганизмов. г. Пастер изобрёл такие широко ныне применяемые способы стерилизации, как стерилизация сухим жаром и пастеризация.
1. Р.Кох открыл возбудителей сибирской язвы, холеры («запятая Коха») и туберкулёза («палочка Коха»). 2. Р.Кох усовершенствовал правила, предложенные Генле, для доказательства этиологической роли данного микроба в развитии данного заболевания. Триада Генле-Коха гласит: чтобы данный микроб считался возбудителем данного заболевания необходимо: - выделить данный микроб от больного (при этом от здорового он выделять не должен), - получить чистую культуру данного микроба, - при заражении ею лабораторного животного, у последнего должно развиться заболевание со схожей клинической картиной. В настоящее время все три положения триады Генле-Коха уже устарели, но в своё время (конец ХІХ – начало ХХ в.) это были чёткие правила, следуя которым, микробиологи один за другим открывали возбудителей инфекционных заболеваний. Это было время информационного взрыва в микробиологии. 3. Р.Кох очень много сделал в области практической бактериологии. а. Им были введены в бактериологическую практику плотные питательные среды. б. Р.Кох предложил окрашивать микроорганизмы анилиновыми красителями. в. Р.Кох оснастил микроскоп иммерсионным объективом, положив начало использованию иммерсонной микроскопии, самого распространённого метода микроскопии в бактериологических лабораториях. г. Р.Кох первым стал применять микрофотографию. д. Р.Кох разработал метод стерилизации текучим паром. Прибор, применяемый для этой цели до сих пор, называется «аппаратом Коха».
Велика заслуга в развитии микробиологии И. И. Мечникова (1845—1916;. К числу важнейших работ в области микробиологии относятся его исследования патогенеза холеры человека, сифилиса, туберкулеза, возвратного тифа. Он является основоположником учения о микробном антагонизме, ставшем основой для развития науки об антибиотикотерапии. На принципе антагонизма ученый обосновал теорию долголетия и предложил для продления человеческой жизни использовать простоквашу, которая впоследствии была названа мечниковской. В 1886 г. он организовал первую в России бактериологическую станцию. С именем Мечникова связано развитие нового направления в микробиологии — иммунологии — учения о невосприимчивости организма к инфекционным болезням (иммунитет). Мечниковым создана фагоцитарная теория иммунитета, раскрыта сущность воспаления как защитной реакции организма.
Роль отечественных ученых в развитии микробиологии.
1.После работ Л. Пастера появилось множество исследований, в которых пытались объяснить причины и механизмы формирования иммунитета после вакцинации. Выдающуюся роль в этом сыграли работы И. И. Мечникова и П. Эрлиха.
Исследования И. И. Мечникова (1845—1916) показали, что большую роль в формировании иммунитета играют особые клетки — макро- и микрофаги. Эти клетки поглощают и переваривают чужеродные частицы, в том числе бактерии.
Исследования И. И. Мечникова по фагоцитозу убедительно доказали, что, помимо гуморального, существует клеточный иммунитет. И. И. Мечников, ближайший помощник и последователь Л. Пастера, заслуженно считается одним из основоположников иммунологии. Его работы положили начало изучению иммунокомпетентных клеток как морфологической основы иммунной системы, ее единства и биологической сущности.
Д.И.Ивановский (1864— 1920) открыл вирусы — представителей царства vira. Один из основоположников вирусологии. Впервые открыл проходящий через бактериологические фильтры возбудитель табачной мозаики, названный впоследствии вирусом. Труды по фитопатологии и физиологии растений.
Гамалея - выдающийся микробиолог. Вместе с И. И. Мечниковым в 1886 году организовал в Одессе первую в России бактериологическую станцию. Автор многих работ по микробиологии и иммунологии (по профилактике холеры, чумы, оспы, паразитарных тифов, бешенства). Открыл бактериолизины, возбудители холеры птиц. Обосновал значение дезинсекции для ликвидации сыпного и возвратного тифов. В 1888 году ученый издал книгу "О прививках против сибирской язвы".
Здровский (1890-1976 года), российский микробиолог, иммунолог и эпидемиолог, академик АМН. Исследования попроблемам тропических болезней, бруцеллеза и др. Под руководством Здродовского разработаны методы вакцинации против столбняка, дифтерии и др. инфекций. Автор книги "Учение о риккетсиях и риккетсиозах"
Смородинцев, российский вирусолог и иммунолог. Труды по этиологии и профилактике гриппа, энцефалитов и др. вирусных инфекций. Совместно с М. П. Чумаковым разработал и внедрил вакцину против полиомиелита.
Ермольева, российский микробиолог. Получила первые отечественные образцы антибиотиков - пенициллина, стрептомицина и др.; интерферона.
Жданов, российский вирусолог. Труды по вирусным инфекциям, молекулярной биологии и классификации вирусов, эволюции инфекционных болезней.
5. Основы систематики и номенклатуры микроорганизмов
Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.
Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.
Вид не является конечной единицей систематики. Внутри вида выделяют варианты микроорганизмов, отличающиеся отдельными признаками:
1) серовары (по антигенной структуре);
2) хемовары (по чувствительности к химическим веществам);
3) фаговары (по чувствительности к фагам);
4) ферментовары;
5) бактериоциновары;
6) бактериоциногеновары.
Бактериоцины – вещества, продуцируемые бактериями и губительно действующие на другие бактерии. По типу продуцируемого бактериоцина различают бактериоциновары, а по чувствительности – бактерициногеновары.
Свойства бактерий:
1) морфологические;
2) тинкториальные;
3) культуральные;
4) биохимические;
5) антигенные.
Виды объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки. Более высокими таксономическими категориями являются классы, отделы, подцарства и царства.
Патогенные микроорганизмы относятся к царству прокариот, патогенные простейшие и грибы – к царству эукариот, вирусы объединяются в отдельное царство – Vira.
Все прокариоты, имеющие единый тип организации клеток, объединены в один отдел – Bacteria, в котором выделяют:
1) собственно бактерии;
2) актиномицеты;
3) спирохеты;
4) риккетсии;
5) хламидии;
6) микоплазмы.
Для систематики микроорганизмов используются:
1) нумерическая таксономия. Признает равноценность всех признаков. Видовая принадлежность устанавливается по числу совпадающих признаков;
2) серотаксономия. Изучает антигены бактерий с помощью реакций с иммунными сыворотками;
3) хемотакcономия. Применяются физико-химические методы, с помощью которых исследуется липидный, аминокислотный состав микробной клетки и определенных ее компонентов;
4) генная систематика. Основана на способности бактерий с гомологичными ДНК к трансформации, трансдукции и конъюгации, на анализе внехромосомных факторов наследственности – плазмид, транспозонов, фагов.
Чистая культура – это бактерии одного вида, выращенные на питательной среде.
6. Эукариоты и прокариоты. Основные отличия.
Все живые организмы на Земле делятся на две группы: прокариот и эукариот.
Эукариоты – это растения, животные и грибы.
Прокариоты – это бактерии (в том числе цианобактерии, они же "сине-зеленые водоросли").
Главное отличие
У прокариот нет ядра, кольцевая ДНК (кольцевая хромосома) расположена прямо в цитоплазме (этот участок цитоплазмы называется нуклеоид).
У эукариот есть оформленное ядро (наследственная информация [ДНК] отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой).
Дополнительные отличия
1) Раз у прокариот нет ядра, то нет и митоза/мейоза. Бактерии размножаются делением надвое.
2) У прокариот из органоидов имеются только рибосомы (мелкие, 70S), а у эукариот кроме рибосом (крупных, 80S) имеется множество других органоидов: митохондрии, эндоплазматическая сеть, клеточный центр, и т.д.
3) Клетка прокариот гораздо меньше клетки эукариот: по диаметру в 10 раз, по объему – в 1000 раз.
Сходство
Клетки всех живых организмов (всех царств живой природы) содержат плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы.
7. Строение бактериальной клетки.
Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и ядерного аппарата, называемого нуклеоидом. Имеются другие структуры: мезосома, хроматофоры, тилакоиды, вакуоли, включения полисахаридов, жировые капельки, капсула (микрокапсула, слизь), жгутики, пили. Некоторые бактерии способны образовывать споры. Структуру и морфологию бактерий изучают с помощью различных методов микроскопии: световой, фазово-контрастной, интерференционной, темнопольной, люминесцентной и электронной.
Клеточная стенка
В клеточной стенки грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40—90% массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка). В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана. На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Липополисахарид наружной мембраны состоит из трех фрагментов: липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий; ядра, или стержневой, коровой части (лат. core — ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры (наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота); высоковариабельнои О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями (О-антиген). Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы. При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. Бактерии сферо- или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабильные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку. Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы, бета-лактомазы) и компоненты транспортных систем.