Mikrobiologija – stroka in veda
Transcription
Mikrobiologija – stroka in veda
Mikrobiologija – stroka in veda pripravil dr. F.V. Nekrep, prof. emerit. Ameriška Academy of Microbiology je leta 2003 organizirala v Charlestonu v Južni Karolini zelo odmeven kolokvij z naslovom Microbiology in the 21st Century. Razprave, ki so nedvomno želele poudariti sporočilo naslova so se osredotočile okrog teh vprašanj: • Vpliv mikroorganizmov na zdravje planeta in njegovih prebivalcev. • Temeljna vloga mikrobiologije v preučevanju vseh življenjskih oblik in funkcij. • Raziskovalni izzivi s katerimi se soočajo mikrobiologi in ovire ter omejitve s katerimi se pri reševanju teh izzivov srečujejo. • Potrebe vključevanja mikrobiologije v osnovne in visokošolske izobraževalne programe. • Vzpodbujanje mikrobiološke pismenosti v javnosti. http://academy.asm.org/images/stories/documents/microbiologyinthe21stcentury.pdf Beseda “mikrobiologija” je sestavljena iz grških korenov ( μῑκρος, mikros, “majhen"; βίος, bios, “življenje“ in λογία, -logia, “beseda” ) in pomeni preučevanje mikroorganizmov. Slovenski sinonimi: mikroorganizem, mikrob, drobnoživka Angleško: microbe, microorganism, germ, bug Nemško: der Mikrobe, der Mikroorganismus, das Kleinlebewesen Francosko: le microorganisme, le microbe V mikrobiologiji obravnavamo mikroorganizme: • enocelične in • v gruče razporejene skupine enoceličnih organizmov, ki so prostemu očesu nevidni in jih lahko opazujemo samo z mikroskopom. Majhnost opazovanega objekta je ovira, ki je pomaknila rojstvo samostojne discipline v kasnejši čas v primerjavi s sestrskimi vedami npr. botaniko in zoologijo. Čeprav so mikroorganizme pričeli opazovati že pred 350 leti, je utemeljitev vede/stroke umeščena v 19. stoletje z deli Pasteurja in Kocha. Obravnavali bomo dve morfološko (temeljno) različni skupini: • prokarionte, kamor razvrščamo bakterije in arheje ter • evkarionte, glive, praživali in alge. – Virusi so posebna, necelična oblika življenja. Mikrobiologijo danes po objektu obravnave podrobneje delimo na bakteriologijo, virologijo, mikologijo, protozoologijo, algologijo… Strokovnjak, ki se ukvarja z mikrobiologijo je mikrobiolog. Šifrant poklicev Slovenski šifrant poklicev ima ta trenutek naslednje poklicne kategorije mikrobiologov: • 68441 INŽENIR MIKROBIOLOGIJE • 78442 UNIVERZITETNI DIPLOMIRANI MIKROBIOLOG • 78499 MAGISTER MIKROBIOLOGIJE • 79431 DOKTOR MEDICINE, SPECIALIST MEDICINSKE MIKROBIOLOGIJE • 79432 DOKTOR MEDICINE, SPECIALIST KLINIČNE MIKROBIOLOGIJE • 88499 DOKTOR MIKROBIOLOGIJE • 98404 DIPLOMIRANI MIKROBIOLOG (UN) /1.bol.st/ Bistvena razlika med • mikroorganizmi in • večceličnimi organizmi? • … Bistvena razlika med: • mikroorganizmi (avtonomen obstoj posamezne celice) in • večceličnimi organizmi (obligatna je povezava v večcelično strukturo) Bakterije in arheje • So prokarionti • Običajno so drobne (0,5 – 5,0 mikrometrov) – in običajno imajo celično steno in membrano • Jedrovina je razpršena v celični vsebini (brez jedrne membrane) • Se nespolno razmnožujejo • Lahko povzročajo bolezni • Živijo v različnih okoljih in so ključne za obstoj teh okolij (so neizogiben del prehranske verige): Prokarionte je uspelo najti: - v površinski biosferi - v različnih vodnih okoljih - globoko v zemeljski notranjosti (tudi do globine 5 km) - v podzemnih jamah - v globokomorskih izvirih (t.i. dimnikih – “black smokers”) - v tkivih, organelih in organih živali in rastlin - … “black smokers” Bioluminiscentni Vibrio fischeri Življenje v globini tal Prevladuje predpostavka, da je življenje na zemlji posredno ali neposredno vezano in odvisno od sončne svetlobe. Novejše raziskave talnih mikroorganizmov pa kažejo tudi na od sonca neodvisno energetsko oskrbo. Npr. mikrobi najdeni tri kilometre pod površjem zemlje v afriškem zlatem rudniku uporabljajo žveplo namesto kisika v reakciji z molekularnim vodikom kot energetsko osnovo. V nekaterih kemijskih in radioaktivnih procesih se namreč sprošča vodik, kot najpomembnejši donor elektronov: • npr. v serpentinizaciji bazalta: 3Fe(OH)2 Fe3O4 + H2 + 2H20 • ali ko v radiolizi vode (H2O) nastajajo elektronski akceptorji (O2, H2O2) in elektronski donorji (H2, H3O-). Radioliza je posledica učinka protonov in alfa delcev ob radioaktivnem razkroju radioaktivnih elementov, ki so prisotni v tleh (kalija, torija, urana). Drug tak alternativni izvor reduciranih molekul naj bi bila posledica visokotemperaturne sinteze, ki jo katalizirajo kovine (npr. magnetit), • npr.: CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O • O hipotetičnem termogenem nastajanju CH4 in drugih reduciranih molekul govori že Gold leta 1992, ko govori o t. i. “globoki vroči biosferi (“deep hot biosphere”) in podobno razmišljajo Chapelle in sodelavci leta 2002 ob dokazovanju arhej v hidrotermalnem okolju jezera Idaho. Današnje predpostavke o življenju pod površino Mikrobi najdeni v globini / presnovni status 1,0 km: morski sedimenti 2,8 km: kontinentalna skala 3,6 km: v Antarktičnem ledu aktivni ? neaktivni? Evkarionti Celice evkariontskih mikroorganizmov so podobne rastlinskim in živalskim celicam tako da je njihova DNK ovita v membrano in tvori jedro. Evkariontski mikrobi so glive, praživali (protozoji) in alge. S skupnim imenom se v nekaterih razvrščanjih povezujejo alge, praživali in nekatere nižje glive v protiste (kraljestvo Protista, imenovano tudi Protoctista); nekatere so enocelične, druge večcelične. Glive (fungi) • Evkarionti - eno ali večcelični • Imajo celično steno, so heterotrofi (nikoli niso fotosintezne) • Hrane ne internalizirajo, ampak absorbirajo topna hranila iz okolja. • Delimo jih na plesni (nitaste glive) in kvasovke Praživali (protozoji) • Enocelični evkarionti. • Celice so podobne živalskim celicam (so brez celične stene), večina je gibljivih. • Številne so patogene vrste Alge • Eno- ali večcelični evkarionti • Imajo celično steno in so fotosintezne • Razvrščamo jih po obliki celične stene in lastnostih fotosinteznih pigmentov Virusi • So necelična oblika življenja. • Za razmnoževanje uporabljajo celice organizmov, ki jih okužujejo: rastlinske in živalske (virusi) in bakterijske celice (bakteriofagi). • Sestavljeni so iz nukleinske kisline (DNK ali RNK), ki jo obdaja zaščitni beljakovinski ali lipoproteinski ovoj. Prioni Še manjši kot virusi so prioni, ki so najmanjši infektivni dejavniki. Kot virusi so obligatni paraziti vendar brez genetskega materiala. Gre za proteine, ki se samopropagirajo in so povezani z nekaterimi boleznimi kot npr. bovina spongiformna encefalopatija (BSE) in KreutzfeldJacobova bolezen. Lišaji Lišaji so oblika simbiontske zveze, torej sožitnega sobivanja dveh organizmov, iz katerega pridobita oba. Lišaj sestavljata fotosintezni mikrob (alga ali cianobakterija) in gliva. Gliva ustvarja mrežno, micelijskeo strukturo v katero so varno vstavljene celice fotosinteznega partnerja. So pomemben dejavnik preperevanja skale v talno rušo. Glive sluzavke Glive sluzavke so biološka in taksonomska uganka, saj jih ni mogoče nedvoumno uvrstiti ne med glive in ne med praživali. V delu razvoja imajo obliko praživali (brez celične stene, z amboidnim gibanjem, privzemajo hrano v celico), v obdobju razmnoževanja pa ustvarijo plodna telesca in sporangije, v katerih se skrivajo debelostene spore, podobno kot pri glivah. Mikrobiologijo kot vedo utemeljujeta dva bistvena smotra: • kako razumeti življenje … • kako pridobljeno znanje o mikroorganizmih uporabiti v korist človeka … Mikrobiologijo kot vedo utemeljujeta dva bistvena smotra: • kako razumeti življenje - temeljna biološka veda ekologije) (s segmenti biokemije, genetike, – splošna mikrobiologija • kako pridobljeno znanje o mikroorganizmih uporabiti v korist človeka – uporabna (aplicirana) biološka veda in stroka mikrobiologija (medicina, biotehnologija) – aplicirana Mikrobiologija je doživela v novejši zgodovini izjemen razvoj; ob tem, da je oblikovala temeljne kategorije lastne stroke je v raziskavah življenjskih pojavov pojasnila številne splošne zakonitosti življenja organizmov (tudi višjih). Mikrobne celice je v laboratorijski kulturi mogoče relativno enostavno in hitro namnoževati. Zato so mikrobiološke laboratorijske tehnike odprle pot razvoju mikrobne genetike, ki pa je postala temeljni kamen za razvoj molekularne biologije. Znotraj te je bilo mogoče nato pojasnjevati temeljne življenjske pojave v celici, po ekstrapolaciji tudi večceličnih organizmov. Kljub doseženemu znanstvenemu napredku in razvoju je pravzaprav še najmanj pridobilo znanje same mikrobne skupnosti; še vedno poznamo komaj kakšen procent vseh mikroorganizmov na zemlji. Mikroorganizme najdemo na Zemlji precej dlje kot višje večcelične organizme, celo milijarde let pred njimi… in zato so M. razvili izjemno različnost (raznolikost - angl. diversity), ki nekajkrat presega pestrost pojavnosti in sposobnosti višjih organizmov. Zgodnji začetki življenja …začetke življenja razpoznavamo v skrbnem preučevanju evolucije mikroorganizmov. …seveda to predpostavlja vprašanje kdaj je nastalo življenje oz. kdaj lahko govorimo o življenju… Življenje je stanje, v katerem se organizmi razlikujejo od neorganskih objektov in mrtvih organizmov kar je mogoče prepoznati po manifestacijah kot so: presnova, razmnoževanje, odzivanje na dražljaje in prilagajanje okolju (po poti naravne selekcije). Fizikalna značilnost je, da življenje temelji na izkoriščanju negativne entropije. Pojavnost prej naštetih lastnosti velja za živi organizem, res pa, da tudi pri tem naletimo na težave, ko moramo opredeljevati pojavnost živega, ki ni celične oblike, kot so virusi. V tem trenutku bomo pustili ob strani spekulativne oblike življenja na neogljikovi osnovi in pa seveda živahno raziskovanje možnosti ustvarjanja umetnega življenja. Ključno vprašanje: kdaj je življenje na zemlji pričelo? • Verjetno pred 3,85 milijardami let se pojavi kemijske evolucije prevesijo v dogodke biološke evolucije. • To je kmalu po obdobju obsežnega vesoljskega bombardiranja zemlje med 4,2 - 3,9 milijardami let nazaj. • Dokazi: fosili; ogljikovi izotopi. Fosilni dokazi… Geološki koledar • relativna starost: zgodnejši nastanek globljih plasti • absolutna starost: radiometrično datiranje Fosilni dokazi mikrobov pred 3.5 – 3.0 milijardami let • relativno kompleksne oblike življenja (kasneje že sposobne fotosinteze) dokazujejo zgodnji izvor življenja. • dokazi z ogljikovimi izotopi potiskajo izvor v čas pred 3,85 milijarde let. Geološki časovni trak V časovnem traku 4,5 milijarde let stare Zemlje je razvoj življenja mogoče umestiti tako: pred 3,8 milijarde let se pojavijo enostavne celice (prokarionti), pred 3 milijardami let organizmi obvladajo fotosintezo, 2 milijardi let so stare kompleksne celice (evkarionti), 1 milijardo let nazaj se oblikuje večcelično življenje, 600 milijonov let so stare enostavne živali, 550 milijonov let nazaj -- kompleksne živali (ribe in praamfibije), 475 milijonov let nazaj naselijo rastline kopno, 400 milijonov let so stari insekti, 360 - 300 milijonov let -- amfibije in reptili pred 200 milijoni let -- pojav sesalcev, pred 150 milijoni let -- ptice, 2,5 milijona let je od pojava rodu Homo, 200.000 let je star človek današnjega izgleda (pred 25. 000 leti je izumrl neandertalec). Kakšen je nastanek življenja na Zemlji? Predpostavke: • Življenje se razvija postopoma. • Vse življenje na zemlji ima skupen izvor. • Končne resnice nastanka verjetno ne bomo zvedeli, eksperimenti nam lahko ponudijo le verjetne scenarije. Evolucijska teorija • Fosilni dokazi podpirajo tezo, da je potek evolucije postopen. • Darwinova teorija nam ponudi razlago za potek evolucije: s pomočjo naravne selekcije. • To teorijo podpre odkritje DNA: evolucija napreduje s pomočjo mutacij. Darwin Leto 2009 je bilo Darwinovo leto saj mineva dvesto let od njegovega rojstva (12. februar 1809) in stopetdesetletnica od izida njegove kapitalne knjige o nastanku vrst - "On the Origin of Species by Means of Natural Selection". http://darwin-online.org.uk/ Laboratorijski poskusi omogočajo raziskave predpostavk o poteh nastanka življenja. Tak je Miller-Urey-jev poskus (in nekateri novejši na primerljivih izhodiščih): gradbeni elementi življenja zlahka nastajajo pri posnemanju pogojev, ki so vladali na zgodnji zemlji. Genetske raziskave kažejo, da so zgodnje oblike življenja primerljive sodobnim bakterijam, ki jih najdemo v bližini podmorskih vulkanskih “dimnikov” in geotermalnih vročih vrelcev.. V laboratoriju so tudi uspeli poustvariti mikroskopske, z membrano zamejene “predcelice”. Kemijski elementi življenja… Morda je zadeva nastajala tako… Ali pa je morda življenje bilo odloženo na Zemljo? Podpora ideji panspermije: • Venera, Zemlja, Mars so izmenjali tone kameninskega materiala… • Nekateri mikroorganizmi lahko v vesolju preživijo več let... • Glejte tudi: wikipedia • Urejeni zapisi podatkov o genetskih povezavah omogočijo biologom odkritje “drevesa življenja”. • Rastline in živali so manjši del drevesa. • Podatki napovedujejo verjetne značilnosti skupnega prednika živih bitij. Celica kot temelj in okvir… Posamezno celico ločuje od drugih celic in od okolja celična membrana; pogosto tudi celična stena. Celica je termodinamsko odprt, dinamičen sistem. Za potek kemijskih reakcij je potrebna ustrezna koncentracija reaktantov, zato se v celici pogosto oblikujejo predelki (kompartmenti). O celični kemiji in strukturah, o obliki in funkciji bomo govorili posebej. Značilnosti živih sistemov • • • • • • Presnova Reprodukcija (rast) Diferenciacija Komunikacija Gibanje Evolucija Celice: • so “stroji”, ki izvajajo kemijske spremembe, • so “kodirne naprave”. Vse celice izvirajo iz skupnega (univerzalnega) prednika, ki je moral imeti izvor v neki predcelični strukturi. Ekologija V naravi žive celice v populacijah. Okolje, ki ga zaseda populacija imenujemo habitat. Populacije le izjemoma žive same (izjema: čista laboratorijska kultura); v sodelovanju povezana skupnost populacij je mikrobna združba. Skupnosti živih organizmov in fizičnega okolja pravimo ekosistem. • Kljub majhnosti celic je količina mikrobne biomase na Zemlji ogromna, število prokariontov naj bi po oceni dosegalo 3,6 do 5,0 x 1030 (evropsko štetje: 5 kvintilijonov; ameriško štetje: 5 nonilijonov) celic. Vsebovale naj bi ~3,0 x 1017 (tristotisoč bilijonov ali 0,3 trilijona) gramov celičnega ogljika oz. 50 bilijard ton skupne celične teže (http://en.wikipedia.org/wiki/Names_of_large_numbers). Ocena števila virusnih delcev: 1031 (10 kvintilijonov) Mikrobi prispevajo več fotosinteze kot rastline. Če izvzamemo celulozo predstavljajo mikroorganizmi 90% celotne biomase biosfere (oz. 60%, če upoštevamo celulozo). Ocenjujejo, da gre pri tem za 107 (deset milijonov) do 108 (sto milijonov) različnih vrst (ena specifična vrsta na 1 km3 zemeljske skorje do globine 1 km). (Druge bolj pogumne ocene segajo vse do 1017 vrst.) Tipično najdemo v gramu prsti 40 milijonov bakterijskih celic in v ml sladke vode (npr. rečne vode) milijon bakterijskih celic. C biomase prokariontov > C biomase rastlin >> C biomase živali Glejte tudi: • The International Census of Marine Microbes (ICOMM) http://icomm.mbl.edu • Census of marine life http://www.coml.org/ • The uncharted microbial world http://academy.asm.org/images/stories/documents/unchartedmicrobialworld.pdf Mikrobni vplivi • Mikrobi – povzročitelji bolezni … • Mikrobi – sodelavci v kmetijskih sistemih … • Mikrobi v hrani … • Mikrobi v okolju in za energijo … • Mikrobi za proizvode in storitve … Mikrobni vplivi • Mikrobi – povzročitelji bolezni (bolezni človeka, živali in rastlin) • Mikrobi – sodelavci v kmetijskih sistemih (sožitje z leguminozami, sožitje v prebavnem traktu npr. v vampu, podpora mineralne prehrane rastlin) • Mikrobi v hrani (kvarljivci živil, fermentirana živila) • Mikrobi v okolju in za energijo (energetska presnova (foto- in kemisintezna); bioremediacija) • Mikrobi za proizvode in storitve (industrijska mikrobiologija in biotehnologija) Prihodnost mikrobiologije Pot… … v sistemsko (mikro)biologijo … v sintezno mikrobiologijo … v molekularno mikrobiologijo … v mikrobno biotehnologijo… Sistemska mikrobiologija… …preučuje in pojasnjuje opazovane lastnosti mikroorganizmov po poti medigre genov, proteinov in drugih makromolekul, majhnih molekul, organelov ter okolja. Te interakcije, pogosto nelinearne, ni mogoče pojasnjevati s tradicionalnimi metodami, ki so dolgo temeljile na načelih redukcionizma. Sistemska mikrobiologija, nasprotno, obravnava organizme oz. njihove združbe kot celoto ter z angažiranjem znanja, ki ga prispevajo genomika, transkriptomika, metabolomika, glikomika, proteomika in druge vede pojasnjuje delovanje celice in združbe. Sintezna mikrobiologija… Sintezna (mikro)biologija je novo področje biološkega raziskovanja, ki povezuje biologijo in inženirstvo v oblikovanju in gradnji novih bioloških funkcij in sistemov. Je pristop, ki ga je mogoče umestiti v širši kontekst biotehnologije. Tretjina vseh Nobelovih nagrad v fiziologiji in medicini je doslej podeljena v področju mikrobiologije Mikrobne poddiscipline • Mikrobna fiziologija: preučuje biokemijske procese v mikrobni celici; vključuje mikrobno rast in mikrobno celično strukturo. • Mikrobna genetika: preučuje gensko organiziranost in gensko regulacijo mikrobov; je blizu molekularni biologiji. • Medicinska mikrobiologija: pomen mikrobov v zdravju človeka; vključuje mikrobno patogenezo in epidemiologijo ter je tesno vezana z patologijo in imunologijo. Mikrobne poddiscipline • Veterinarska mikrobiologija: vloga mikrobov v veterinarski medicini. • Okoljska mikrobiologija: vloga in različnost mikrobov v naravnem okolju in vključuje mikrobno ekologijo, mikrobno kroženje hranil, geomikrobiologijo, mikrobno različnost in bioremediacijo. Pomembni habitati: rhizosfera, filosfera, ekosistemi tal in podtalnice, odprtih oceanov in ekstremnih okolij (ekstremofili). • Evolucijska mikrobiologija: preučevanje mikrobne evolucije, vključuje sistematiko in taksonomijo. Mikrobne poddiscipline • Industrijska mikrobiologija: uporaba mikrobov v industrijskih procesih: industrijske fermentacije, obdelava odpadnih vod, pivarstvo idr. • Aeromikrobiologija: preučevanje mikroorganizmov v ozračju. • Živilska mikrobiologija: preučuje kvarjenje živil, konzerviranje živili in proizvodnjo živil. • Farmacevtska mikrobiologija: preučevanje kontaminacije in kvarjenja farmacevtskih pripravkov. Bližnje discipline • Imunologija - Značilnost mikrobnih celic je tudi v njihovi antigeni sestavi. Antigen je snov, ki po vstopu v živalsko telo vzpodbudi t. i. imunski odziv t.j. nastanek specifičnih obrambnih molekul – protiteles, ki se povezujejo z antigeni. Značilnost reakcije antigenprotitelo je prav v specifičnosti, zato je to tudi eden od načinov prepoznavanja posameznih mikroorganizmov. Sklop dogajanj v imunskem odzivu preučuje imunologija, zato jo pogosto obravnavajo v širšem kontekstu mikrobiologije. Bližnje discipline • Bioinformatika – je aplikacije IT v področju molekularne biologije z ustvarjanjem podatkovnih baz in razvojem algoritmov, računalniških in statističnih tehnik za upravljanje z biološkimi podatki. Zlasti kopičenje genomskih podatkov je vodilo v izrazito angažiranje kvantitativnih metod podprtih z močno računalniško infrastrukturo v (mikro)bioloških vedah. Kam naprej… • Nedvomno bo nadaljnje utrjevanje molekularnega raziskovalnega pristopa. Ko izbiramo mikroorganizme za genomsko sekvenciranje je pomembno vzporedno preverjanje tako bližnje sorodnih kot oddaljenih organizmov. • Kot pomembne prenašalce genetske informacije med organizmi je treba nadaljevati molekularno preučevanje virusnih dejavnikov. Kam naprej… • Mikrobiologija mora prerasti svojo odvisnost od čiste kulture kot poglavitnega modela in mora v večji meri osvojiti študij združb. Ne nazadnje s ciljem prepoznavanja vplivov splošnega stresnega dogajanja v ekosistemih kot posledice človekovih posegov, tudi na mikrobne združbe in posledično vplivov na zdravje človeka in okolja. • Pomemben del pozornosti naj ostane usmerjen v prepoznavo zlonamerne uporabe bioloških znanj in v zagotavljanje biološke varnosti. Kam naprej… • Mikrobiologija mora ostati zlasti odprta za sprejem aktualnih tehnologij preučevanja oz. raziskovanja. Zlasti z uvajanje miniaturiziranih metod kot npr. biosenzorjev za spremljanje okoljskih in situ dogajanj in seveda z možnostjo manipuliranja dejavnikov ter prepoznavanja ustreznih odzivov ter njihovo podatkovno inventarizacijo. Viri Brock Biology of Microbiology ASM-AAM/Qolloquia Reports http://academy.asm.org/index.php?option=com_content&task=v iew&id=75&Itemid=65 Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Microbiology MicrobeWiki http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/MicrobeWiki MIKROB(io)LOG http://mikrobiolog.blogspot.com/ zaradi preglednosti viri niso sproti vključeni (citirani) v prezentacije, kar omogoča t.i. poštena raba (fair use) v učnem procesu. Material je zato namenjen interni rabi in je njegova uporaba omejena/dovoljena zgolj za podporo predavanja.