Лекция № 1. История развития микробиол.-и, вирологии и иммунол.. Предмет, методы, задачи.
Микробиол.-я ( от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) - наука, изучающая орг., неразличимые (невидимые) невооруженным какой- либо оптикой глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микоорг. (микробы).
Предметом изучения микробиол.-и является их морфология, физиология, генет.-ка, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.
В таксономическом отношении микоорг. очень разнообразны. Они включают прионы, виры, бакт., водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многокл.-очные животные.
По наличию и строению кл.-ок вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра), эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие кл.-очного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в к.х, т.е. являются внутрикл.-очными формами жизни (рис.1).
По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и кл. ст. все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубакт., архебакт., виры и плазмиды.
К прокариотам, объединяющим эубакт. и архебакт., относят бакт., низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебакт., риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы- эукариоты.
Микоорг.- это невидимые простым глазом предст. всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте в-в.- в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.
Микоорг. заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микоорг. чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания), включая и более высокоорганизованные орг. животного и растительного мира.
Можно сказать, что без микоорг. жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна.
Микоорг. создали атмосферу, осущ.-яют кругоборот в-в.- и Е.-и в природе, расщепление орг.-их соед.-й и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород, многим другим природным явлениям.
С помощью микоорг. осущ.-яются важные производственные процессы - хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство орг.-их кислот, Ф.-ов, пищевых белков, гормонов, а/бов и других лек. преп.ов.
Микоорг. как никакая другая форма жизни испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностю людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размн.-я, способствует их быстрому эволюционированию.
Наибольшую печальную известность имеют пат.-е микоорг. (микробы- патог.ы) - возб. заболеваний человека, животных, растений, насекомых. Микоорг., приобретающие в процессе эволюции патог. для человека (способность вызывать заболевания), вызывают эпидемии, уносящие миллионы жизней. До настоящего времени вызываемые микоорг.ми инф. заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.
Изменчивость пат.-х микоорг. составляет основную движущую силу в развитии и совершенствовании систем защиты высших животных и человека от всего чужеродного (чужеродной генет.-ческой информации). Более того, микоорг. являлись до недавнего времени важным фактором естественного отбора в человеческой популяции ( пример- чума и современное распространение групп крови). В настоящее время вир иммунодефицита человека (ВИЧ) посягнул на святое святых человека- его иммунную систему.
2. Основные этапы развития микробиол.-и, вирологии и иммунол.
К ним можно отнести следующие:
1.Эмпирических знаний ( до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).
Дж.Фракасторо (1546г.) предположил живую природу агентов инф. заболеваний- contagium vivum.
2.Морфологический период занял около двухсот лет.
Антони ван Левенгук в 1675г. впервые описал простейших, в 1683г.- основные формы бакт.. Несовершенство приборов ( максимальное увеличение микроскопов X300) и методов изучения микромира не способствовало быстрому накоплению научных знаний о микоорг.х.
3.Физиологический период (с 1875г.)- эпоха Л.Пастера и Р.Коха.
Л.Пастер- изучение МБ основ процессов брожения и гниения, развитие промышленной МБ, выяснение роли микоорг. в кругообороте в-в.- в природе, открытие анаэр.-ых микоорг., разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирул.-ости и получ.-ия вакцин (вакцинных штаммов).
Р.Кох- метод выделения чистых культур на твердых питат.-ых средах, способы окраски бакт. анилиновыми красителями, открытие возбудителей сибирской язвы, холеры (запятой Коха), туберкулеза (палочки Коха), совершенствование техники микроскопии. Экспериментальное обоснование критериев Хенле, известные как постулаты (триада) Хенле- Коха.
4.Иммунологический период.
И.И.Мечников- “поэт МБ” по образному определению Эмиля Ру. Он создал новую эпоху в МБ - учение о невосприимчивости (имм.е), разработав теорию фагоцитоза и обосновав кл.-очную теорию имм.а.
Одновременно накапливались данные о выработке в орг. АТ против бакт. и их токсинов, позволившие П.Эрлиху разработать гуморальную теорию имм.а. В последующей многолетней и плодотворной дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие мех.-ы имм.а и родилась наука иммунол..
В дальнейшем было установлено, что наследственный и приобретенный имм. зависит от согласованной деятельности пяти основных систем : макрофагов, комплемента, Т- и В- лимфоцитов, интерферонов, главной системы гистосовместимости, обеспечивающих различные формы иммунного ответа. И.И.Мечникову и П.Эрлиху в 1908г. была присуждена Нобелевская премия.
12 февраля 1892г. на заседании Российской академии наук Д.И.Ивановский сообщил, что возб. мозаичной болезни табака является фильтрующийся вир. Эту дату можно считать днем рождения вирологии, а Д.И.Ивановского- ее основоположником. Впоследствии оказалось, что виры вызывают заболевания не только растений, но и человека, животных и даже бакт.. Однако только после установления природы гена и генет.-ческого кода виры были отнесены к живой природе.
5. Следующим важным этапом в развитии МБ стало открытие а/бов. В 1929г. А.Флеминг открыл пенициллин и началась эра а/ботерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к а/бам, а изучение мех.-ов лекарственной устойчивости привело к открытию второго- внехромосомного (плазмидного) генома бакт..
Изучение плазмид показало, что они представляют собой еще более просто устроенные орг., чем виры, и в отличии от бак.-офагов не вредят бакт.м, а наделяют их доп.и м/б.-ими св-вами. Открытие плазмид существенно дополнило представления о формах существования жизни и возможных путях ее эволюции.
6. Современный молек.-о- генет.-ческий этап развития МБ, вирологии и иммунол. начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генет.-ки и молек.-ой биол.-и, созданием эл. микроскопа.
В опытах на бакт.х была доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Исп.-ование бакт., виров, а затем и плазмид в качестве объектов молек.-о- м/б.-их и генет.-ческих исследований привело к более глубокому пониманию фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Выяснение принципов кодирования генет.-ческой информации в ДНК бакт. и установление унив.-ости генет.-ческого кода позволило лучше понимать молек.-о- генет.-ческие закономерности, свойственные более высоко организованным орг..
Расшифровка генома кишечной палочки сделало возможным конструирование и пересадку генов. К настоящему времени генная инженерия создала новые направления биотехнологии.
Расшифрованы молек.-о- генет.-ческая организация многих виров и мех.-ы их взаимод.-ия с к.ми, установлены способность вирной ДНК встраиваться в геном чувств.-ой к. и основные мех.-ы вирного канцерогенеза.
Подлинную революцию претерпела иммунол., далеко вышедшая за рамки инфекционной иммунол. и ставшая одной из наиболее важных фундаментальных медико- м/б.-их дисциплин. К настоящему времени иммунол.- это наука, изучающая не только защиту от инфекций. В современном понимании иммунол.- это наука, изучающая мех.-ы самозащиты орг. от всего генет.-чески чужеродного, поддержании структурной и функциональной целостности орг..
Иммунол. в настоящее время включает ряд спец.-изированных направлений, среди которых, наряду с инфекционной иммунологией, к наиболее значимым относятся иммуногенет.-ка, иммуноморфол., трансплантационная иммунол., иммунопатология, иммуногематология, онкоиммунол., иммунол. онтогенеза, вакцинология и прикладная иммунодиагностика.
Микробиол.-я и вирология как фундаментальные м/б.-ие науки также включают ряд самостоятельных научных дисциплин со своими целями и задачами: общую, техническую (промышленную), сельскохозяйственную, ветеринарную и имеющую наибольшее значение для человечества медицинскую микробиол.-ю и вирологию.
Мед. МБ и вирология изучает возбудителей инф. болезней человека (их морфологию, физиологию, экологию, м/б.-ие и генет.-ческие характеристики), разрабатывает методы их культивир. и идентиф.-кации, специфические методы их диагностики, лечения и профил.-ки.
К отдельным наиболее важным разделам медицинской МБ и вирологии можно отнести клиническую микробиол.-ю, санитарную микробиол.-ю, медицинскую микологию и протозоологию, медицинскую паразитологию, учение о сапронозах.
7.Перспективы развития.
На пороге 21 века МБ, вирология и иммунол. представляют одно из ведущих направлений биол.-и и медицины, интенсивно развивающееся и расширяющее границы человеческих знаний.
Иммунол. вплотную подошла к регулированию мех.-ов самозащиты орг., коррекции иммунодефицитов, решению проблемы СПИДа, борьбе с онкозаболеваниями.
Создаются новые генно- инженерные вакцины, появляются новые данные об открытии инф. агентов - возбудителей “соматических” заболеваний (язвенная болезнь желудка, гастриты, гепатиты, инфаркт миокарда, склероз, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.).
Появилось понятие о новых и возвращающийся инф.х (emerging and reemerging infections). Примеры реставрации старых патог.ов- микобакт. туберкулеза, риккетсии группы клещевой пятнистой лихорадки и ряд других возбудителей природноочаговых инфекций. Среди новых патог.ов- вир иммунодефицита человека (ВИЧ), легионеллы, бартонеллы, эрлихии, хеликобактер, хламидии (Chlamydia pneumoniae). Наконец, открыты вироиды и прионы - новые классы инф. агентов.
Вироиды - инф. агенты, вызывающие у растений поражения, сходные с вирными, однако эти возб. отличаются от виров рядом признаков: отсутствием белковой оболочки (голая инф. РНК), АГных свойств, одноцепочечной кольцевой структурой РНК ( из виров - только у вира гепатита D), малыми размерами РНК.
Прионы (proteinaceous infectious particle- белкоподобная инф. частица) представляют лишенные РНК белковые структуры, являющиеся возб. некоторых медленных инфекций человека и животных, характеризующихся летальными поражениями центральной нервной системы по типу губкообразных энцефалопатий- куру, болезнь Крейтцфельдта- Якоба, синдром Герстманна- Страусслера- Шайнкера, амниотрофический лейкоспонгиоз, губкообразная энцефалопатия коров (коровье “бешенство”), скрепи у овец, энцефалопатия норок, хроническая изнуряющая болезнь оленей и лосей. Предполагается, что прионы могут иметь значение в этиологии шизофрении, миопатий. Существенные отличия от виров, прежде всего отсутствие собственного генома, не позволяют пока рассматривать прионы в качестве предст.й живой природы.
3. Задачи медицинской мб.
К ним можно отнести следующие:
1.Установление этиологической (причинной) роли микоорг. в норме и патологии.
2.Разработка методов диагностики, специфической профил.-ки и лечения инф. заболеваний, индикации (выявления) и идентиф.-кации (определения) возбудителей.
3. Бак.-ологический и вирологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инф. в лечебных и детских учреждениях.
4.Контроль за чувств.-остью микоорг. к а/бам и другим лечебным преп., сост. микробиоценозов (микрофлорой) повехностей и полостей тела человека.
4.Методы м/б диагностики.
Методы лабораторной диагностики инф. агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.
1. Микроскопический- с исп.-ованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микоорг., их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.
К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями- иммерсионная, темнопольная, фазово - контрастная, люминесцентная и др.) и эл.ную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).
2.Микром/б.-ий (бак.-ологический и вирологический) - выделение чистой культуры и ее идентиф.-кация.
3.М/б.-ий - заражение лаб. животных с воспроизведением инф. процесса на чувств.-ых моделях (биопроба).
4.Иммунологический ( варианты - серологический, аллергологический) - исп.-уется для выявления АГов возб. или АТ к ним.
5.Молек.-о- генет.-ческий - ДНК- и РНК- зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.
Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной МБ, вирологии и иммунол.. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молек.-о- генет.-ческом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности мех.-ов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.
Лекция № 2. Систематика и морфол. микоорг..
1. Систематика микоорг..
Систематика- распределение микоорг. в соответствии с их происхождением и м/б.-им сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов орг.ов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы- таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике (три аспекта, три кита систематики)- классиф., идентиф.-кация и номенклатура.
Классиф.- распределение (объединение) орг.ов в соответствии с их общими св-вами (сходными генотипическими и фентипическими признаками) по различным таксонам.
Таксономия- наука о методах и принципах распределения (классиф.) орг.ов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто исп.-уют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны- семейство, порядок, класс.
В современном представлении вид в МБ- совокупность микоорг., имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генет.-ческой гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики.
Нумерическая (численная) таксономия основывается на исп.-овании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классиф..
При изучении, идентиф.-кации и классиф. микоорг. чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики:
1.Морфологические- форма, величина, особ. взаиморасположения, структура.
2.Тинкториальные- отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микоорг. делят на «+» и «-».
Морфологические св-ва и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микр.- к крупным таксонам- семейству, роду.
3.Культуральные- характер роста микоорг. на питат.-ых средах.
4.Б/х- способность Ф.-ировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные б/х продукты за счет активности различных Ф.-ных систем и особ. обмена в-в.-.
5.АГные- зависят преимущественно от хим. состава и строения кл. ст., наличия жгутиков, капс.ы, распознаются по способности макр.-а (хозяина) вырабатывать АТ и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунол. реакциях.
6.Физиологические- способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дых.-я (аэробы, микроаэрофилы, фак.-ые анаэробы, строгие анаэробы).
7.Подвижность и типы движения.
8.Способность к спорообразованию, характер спор.
9.Чувств.-ость к бак.-офагам, фаготипирование.
10.Хим. состав кл.-очных стенок- основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.
11.Белковый спектр (полипептидный профиль).
12.Чувств.-ость к а/бам и другим лек. преп..
13.Генотипические (исп.-ование методов геносистематики).
В последние десятилетия для классиф. микоорг., помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1- 12), все более широко и эффективно исп.-уются различные генет.-ческие методы (изучение генотипа- генотипических свойств). Исп.-уются все более совершенные методы- рестрикционный анализ, ДНК- ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генет.-ческого материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% ( для некоторых групп микоорг.- 80%) свидетельствует о принадлежности микоорг. к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40- 60%- к одному роду.
Идентиф.-кация.
Основные фено- и генотипические характеристики, исп.-уемые для классиф. микоорг., исп.-уются и для идентиф.-кации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта м/б диагностики инф. заболеваний. Идентиф.-кация осущ.-яется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инф. агента и сравнения их с хар-ками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микоорг., стандартные АГы и иммунные сыворотки к известным прототипным микоорг.м. У пат.-х микоорг. чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, б/х и АГные св-ва.
Номенклатура- название микоорг. в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бакт. исп.-уют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.
В МБ часто исп.-уется и ряд других терминов для характеристики микоорг..
Штамм- любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по АГным хар-кам, называют серотипами (серовариантами- сокращенно сероварами), по чувств.-ости к специфическим фагам- фаготипами, б/х св-вам- хемоварами, по м/б.-им св-вам- биоварами и т.д.
Колония- видимая изолированная структура при размн.-и бакт. на плотных питат.-ых средах, может развиваться из одной или нескольких родительских кл.-ок. Если колония развилась из одной родительской к., то потомство называется клон.
Культура- вся совокупность микоорг. одного вида, выросших на плотной или жидкой питат.-ой среде.
Основной принцип бак.-ологической работы- выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.