stringtranslate.com

Микробиология

Чашка агара, засеянная микроорганизмами

Микробиология (от др.-греч. μῑκρος ( mīkros )  «маленький», βίος ( bíos )  « жизнь » и -λογία ( -logía )  «изучение») — научное изучение микроорганизмов , которые могут быть одноклеточными (одноклеточными), многоклеточными (состоящими из сложных клеток) или бесклеточными (не имеющими клеток). [1] [2] Микробиология охватывает множество дисциплин, включая вирусологию , бактериологию , протистологию , микологию , иммунологию и паразитологию .

Эукариотические микроорганизмы обладают мембраносвязанными органеллами и включают грибы и протисты , тогда как прокариотические организмы — все из которых являются микроорганизмами — традиционно классифицируются как не имеющие мембраносвязанных органелл и включают бактерии и археи . [3] [4] Традиционно микробиологи полагались на культуру, окрашивание и микроскопию для выделения и идентификации микроорганизмов. Однако менее 1% микроорганизмов, присутствующих в обычных средах, можно культивировать изолированно с использованием современных средств. [5] С появлением биотехнологии микробиологи в настоящее время полагаются на инструменты молекулярной биологии , такие как идентификация на основе последовательности ДНК, например, последовательность гена 16S рРНК , используемая для идентификации бактерий.

Вирусы по-разному классифицировались как организмы [6] , поскольку их считали либо очень простыми микроорганизмами, либо очень сложными молекулами. Прионы , никогда не считавшиеся микроорганизмами, исследовались вирусологами; однако, поскольку изначально предполагалось, что клинические эффекты, отнесенные к ним, связаны с хроническими вирусными инфекциями, вирусологи предприняли поиски и обнаружили «инфекционные белки».

Существование микроорганизмов было предсказано за много столетий до того, как они были впервые обнаружены, например, джайнами в Индии и Марком Теренцием Варроном в Древнем Риме. Первое зарегистрированное наблюдение под микроскопом было за плодовыми телами плесени, сделанное Робертом Гуком в 1666 году, но священник-иезуит Афанасий Кирхер, вероятно, был первым, кто увидел микробов, о чем он упоминал, наблюдая в молоке и гнилостном материале в 1658 году. Антони ван Левенгук считается отцом микробиологии , поскольку он наблюдал и экспериментировал с микроскопическими организмами в 1670-х годах, используя простые микроскопы своей конструкции. Научная микробиология развивалась в 19 веке благодаря работам Луи Пастера , а в медицинской микробиологии — Роберта Коха .

История

Авиценна постулировал существование микроорганизмов.

Существование микроорганизмов предполагалось за много столетий до их фактического открытия. Существование невидимой микробиологической жизни было постулировано джайнизмом , который основан на учениях Махавиры еще в 6 веке до н. э. (599 г. до н. э. - 527 г. до н. э.). [7] : 24  Пол Дандас отмечает, что Махавира утверждал существование невидимых микробиологических существ, живущих в земле, воде, воздухе и огне. [7] : 88  В писаниях джайнов описываются нигоды , которые являются субмикроскопическими существами, живущими большими скоплениями и имеющими очень короткую жизнь, которые, как говорят, проникают в каждую часть вселенной, даже в ткани растений и плоть животных. [8] Римлянин Марк Теренций Варрон упоминал микробов, когда предостерегал от размещения домов в непосредственной близости от болот, «потому что там разводятся определенные мельчайшие существа, которых нельзя увидеть невооруженным глазом, которые плавают в воздухе и проникают в организм через рот и нос, вызывая тем самым серьезные заболевания». [ 9]

Персидские ученые выдвигали гипотезу о существовании микроорганизмов, например, Авиценна в своей книге «Канон врачебной науки» , Ибн Зухр (также известный как Авензоар), открывший чесоточных клещей, и Аль-Рази, давший самое раннее известное описание оспы в своей книге «Добродетельная жизнь » (аль-Хави). [10] Даосский ученый десятого века Баошэнцзин описывает «бесчисленных микроорганических червей», которые напоминают семена овощей, что побудило голландского синолога Кристофера Шиппера заявить, что «существование вредных бактерий было известно китайцам того времени». [11]

В 1546 году Джироламо Фракасторо предположил, что эпидемические заболевания вызываются переносимыми семенными сущностями, которые могут передавать инфекцию посредством прямого или косвенного контакта или через транспортные средства. [12]

Антони ван Левенгук (1632–1723)
Статуя Роберта Коха , одного из основателей микробиологии, [13] в Берлине
Мартинуса Бейеринка часто считают основателем вирусологии .

В 1676 году Антони ван Левенгук , проживший большую часть своей жизни в Делфте , Нидерланды, наблюдал бактерии и другие микроорганизмы, используя однолинзовый микроскоп собственной конструкции . [14] [2] Его считают отцом микробиологии , поскольку он использовал простые однолинзовые микроскопы собственной конструкции. [14] Хотя ван Левенгука часто называют первым, кто наблюдал микробы, Роберт Гук сделал свое первое зарегистрированное микроскопическое наблюдение плодовых тел плесени в 1665 году. [15] Однако было высказано предположение, что иезуитский священник по имени Афанасий Кирхер был первым, кто наблюдал микроорганизмы. [16]

Кирхер был одним из первых, кто спроектировал волшебные фонари для проекционных целей, и поэтому он был хорошо знаком со свойствами линз. [16] Он написал «О чудесной структуре вещей в природе, исследованных с помощью микроскопа» в 1646 году, заявив, что «кто поверит, что уксус и молоко изобилуют бесчисленным множеством червей». Он также отметил, что гнилостный материал полон бесчисленных ползающих животных. Он опубликовал свой Scrutinium Pestis (Исследование чумы) в 1658 году, правильно заявив, что болезнь была вызвана микробами, хотя то, что он увидел, было, скорее всего, красными или белыми кровяными клетками, а не самим возбудителем чумы. [16]

Рождение бактериологии

Инновационная лабораторная посуда и экспериментальные методы, разработанные Луи Пастером и другими биологами, внесли вклад в развитие молодой области бактериологии в конце XIX века.

Область бактериологии (позже субдисциплина микробиологии) была основана в 19 веке Фердинандом Коном , ботаником, чьи исследования водорослей и фотосинтезирующих бактерий привели его к описанию нескольких бактерий, включая Bacillus и Beggiatoa . Кон также был первым, кто сформулировал схему таксономической классификации бактерий и открыл эндоспоры . [17] Луи Пастер и Роберт Кох были современниками Кона, и их часто считают отцами современной микробиологии [16] и медицинской микробиологии соответственно. [18] Пастер наиболее известен своей серией экспериментов, призванных опровергнуть широко распространенную в то время теорию спонтанного зарождения , тем самым укрепив идентичность микробиологии как биологической науки. [19] Один из его учеников, Адриен Сертес, считается основателем морской микробиологии. [20] Пастер также разработал методы консервирования пищевых продуктов ( пастеризация ) и вакцины против нескольких заболеваний, таких как сибирская язва , птичья холера и бешенство . [2] Кох наиболее известен своим вкладом в микробную теорию болезней , доказав, что определенные заболевания вызываются определенными патогенными микроорганизмами. Он разработал ряд критериев, которые стали известны как постулаты Коха . Кох был одним из первых ученых, сосредоточившихся на выделении бактерий в чистой культуре, что привело к описанию им нескольких новых бактерий, включая Mycobacterium tuberculosis , возбудителя туберкулеза . [2]

Хотя Пастера и Коха часто считают основателями микробиологии, их работа не отражала точно истинное разнообразие микробного мира из-за их исключительного внимания к микроорганизмам, имеющим прямое медицинское значение. Только в конце 19 века и в работах Мартинуса Бейеринка и Сергея Виноградского была раскрыта истинная широта микробиологии. [2] Бейеринк внес два основных вклада в микробиологию: открыл вирусы и разработал методы обогащения культуры . [21] Хотя его работа над вирусом табачной мозаики установила основные принципы вирусологии, именно его разработка обогащения культуры оказала самое непосредственное влияние на микробиологию, позволив выращивать широкий спектр микробов с совершенно разной физиологией. Виноградский был первым, кто разработал концепцию хемолитотрофии и тем самым раскрыл существенную роль, которую играют микроорганизмы в геохимических процессах. [22] Он был ответственен за первое выделение и описание как нитрифицирующих , так и азотфиксирующих бактерий . [2] Франко-канадский микробиолог Феликс д'Эрелль был одним из первых первооткрывателей бактериофагов в 1917 году и был одним из первых микробиологов-прикладников. [23]

Джозеф Листер был первым, кто использовал фенольное дезинфицирующее средство для обработки открытых ран пациентов. [24]

Филиалы

Университетская лаборатория микробиологии пищевых продуктов

Разделы микробиологии можно классифицировать как прикладные науки или разделить в соответствии с таксономией, как в случае с бактериологией , микологией , протозоологией , вирусологией , альгологией и микробной экологией . Существует значительное совпадение между конкретными разделами микробиологии друг с другом и с другими дисциплинами, и некоторые аспекты этих разделов могут выходить за рамки традиционной сферы микробиологии [25] [26] Чисто исследовательская отрасль микробиологии называется клеточной микробиологией .

Приложения

В то время как некоторые люди боятся микробов из-за связи некоторых микробов с различными человеческими заболеваниями, многие микробы также отвечают за многочисленные полезные процессы, такие как промышленная ферментация (например, производство алкоголя , уксуса и молочных продуктов ), производство антибиотиков может действовать как молекулярные транспортные средства для переноса ДНК в сложные организмы, такие как растения и животные. Ученые также использовали свои знания о микробах для производства биотехнологически важных ферментов, таких как Taq-полимераза , [27] репортерных генов для использования в других генетических системах и новых методах молекулярной биологии, таких как дрожжевая двугибридная система . [28]

Бактерии могут быть использованы для промышленного производства аминокислот , органических кислот , витаминов , белков , антибиотиков и других коммерчески используемых метаболитов, которые производятся микроорганизмами. Corynebacterium glutamicum является одним из важнейших видов бактерий с годовым производством более двух миллионов тонн аминокислот, в основном L-глутамата и L-лизина. [29] Поскольку некоторые бактерии обладают способностью синтезировать антибиотики, их используют в медицинских целях, например, Streptomyces для производства аминогликозидных антибиотиков . [30]

Бродильные чаны с дрожжами , используемые для варки пива

Разнообразные биополимеры , такие как полисахариды , полиэфиры и полиамиды , производятся микроорганизмами. Микроорганизмы используются для биотехнологического производства биополимеров с индивидуальными свойствами, подходящими для высокоценного медицинского применения, такого как тканевая инженерия и доставка лекарств. Микроорганизмы, например, используются для биосинтеза ксантана , альгината , целлюлозы , цианофицина , поли(гамма-глутаминовой кислоты), левана , гиалуроновой кислоты , органических кислот, олигосахаридов , полисахаридов и полигидроксиалканоатов. [31]

Микроорганизмы полезны для микробной биодеградации или биоремедиации бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов и подповерхностного загрязнения в почвах, отложениях и морской среде. Способность каждого микроорганизма деградировать токсичные отходы зависит от природы каждого загрязнителя . Поскольку на участках обычно присутствуют несколько типов загрязнителей, наиболее эффективным подходом к микробной биодеградации является использование смеси бактериальных и грибковых видов и штаммов, каждый из которых специфичен для биодеградации одного или нескольких типов загрязнителей. [32]

Симбиотические микробные сообщества приносят пользу здоровью человека и животных, включая помощь пищеварению, выработку полезных витаминов и аминокислот и подавление патогенных микробов. Некоторую пользу можно получить, употребляя ферментированные продукты, пробиотики (бактерии, потенциально полезные для пищеварительной системы) или пребиотики (вещества, потребляемые для стимулирования роста пробиотических микроорганизмов). [33] [34] Способы, которыми микробиом влияет на здоровье человека и животных, а также методы воздействия на микробиом, являются активными областями исследований. [35]

Исследования показали, что микроорганизмы могут быть полезны при лечении рака . Различные штаммы непатогенных клостридий могут проникать и размножаться в солидных опухолях . Клостридиальные векторы можно безопасно вводить, и их потенциал для доставки терапевтических белков был продемонстрирован в различных доклинических моделях. [36]

Некоторые бактерии используются для изучения фундаментальных механизмов. Примером модельных бактерий, используемых для изучения подвижности [37] или производства полисахаридов и развития, является Myxococcus xanthus . [38]

Смотрите также

Профессиональные организации
Журналы

Ссылки

  1. ^ "Микробиология". Nature . Портфолио Nature (из Springer Nature ) . Получено 2020-02-01 .
  2. ^ abcdef Madigan M, Martinko J, ред. (2006). Brock Biology of Microorganisms (13-е изд.). Pearson Education . стр. 1096. ISBN 978-0-321-73551-5.
  3. ^ Whitman WB (2015). Whitman WB, Rainey F, Kämpfer P, Trujillo M, Chun J, Devos P, Hedlund B, Dedysh S (ред.). Руководство Берджи по систематике архей и бактерий . John Wiley and Sons. CiteSeerX 10.1.1.737.4970 . doi :10.1002/9781118960608. ISBN  9781118960608.
  4. ^ Pace NR (май 2006). «Время перемен». Nature . 441 (7091): 289. Bibcode :2006Natur.441..289P. doi : 10.1038/441289a . PMID  16710401. S2CID  4431143.
  5. ^ Аманн RI, Людвиг В, Шлейфер KH (март 1995). «Филогенетическая идентификация и обнаружение in situ отдельных микробных клеток без культивирования». Microbiological Reviews . 59 (1): 143–169. doi :10.1128/mr.59.1.143-169.1995. PMC 239358 . PMID  7535888. 
  6. ^ Райс Г (27.03.2007). "Живы ли вирусы?" . Получено 23.07.2007 .
  7. ^ ab Dundas P (2002). Hinnels J (ред.). The Jain . Лондон: Routledge. ISBN 978-0-415-26606-2.
  8. ^ Джайни П. (1998). Джайнский путь очищения . Нью-Дели: Motilal Banarsidass. стр. 109. ISBN 978-81-208-1578-0.
  9. ^ Varro MT (1800). Три книги М. Теренция Варрона о сельском хозяйстве . Том 1. Чаринг-Кросс, Лондон: Издательство университета. стр. xii.
  10. ^ "فى الحضارة الإسلامية - ديوان العرب" [Микробиология в исламе]. Diwanalarab.com (на арабском языке) . Проверено 14 апреля 2017 г.
  11. ^ Хуан, Ши-Шань Сьюзан (2011). «Даосские образы тела и космоса, часть 2: Черви тела и внутренняя алхимия». Журнал даосских исследований . 4 (1): 32–62. doi :10.1353/dao.2011.0001. ISSN  1941-5524. S2CID  57857037.
  12. ^ Fracastoro G (1930) [1546]. De Contagione et Contagiosis Morbis [ О заразе и заразных болезнях ] (на латыни). Перевод Wright WC . Нью-Йорк: GP Putnam.
  13. ^ «RKI - Роберт Кох - Роберт Кох: Один из основателей микробиологии».
  14. ^ ab Lane N (апрель 2015 г.). «Невидимый мир: размышления о Левенгуке (1677) «О маленьких животных». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 370 (1666): 20140344. doi :10.1098/rstb.2014.0344. PMC 4360124. PMID  25750239 . 
  15. ^ Gest H (2005). «Замечательное видение Роберта Гука (1635-1703): первый наблюдатель микробного мира». Перспективы в биологии и медицине . 48 (2): 266–272. doi :10.1353/pbm.2005.0053. PMID  15834198. S2CID  23998841.
  16. ^ abcd Уэйнрайт М (2003). Альтернативный взгляд на раннюю историю микробиологии . Достижения в прикладной микробиологии. Т. 52. С. 333–55. doi :10.1016/S0065-2164(03)01013-X. ISBN 978-0-12-002654-8. PMID  12964250.
  17. ^ Дрюс Г. (1999). «Фердинанд Кон, один из основателей микробиологии». ASM News . 65 (8): 547.
  18. ^ Райан К.Дж., Рэй К.Г., ред. (2004). Sherris Medical Microbiology (4-е изд.). McGraw Hill. ISBN 978-0-8385-8529-0.
  19. ^ Bordenave G (май 2003 г.). «Луи Пастер (1822-1895)». Микробы и инфекция . 5 (6): 553–560. doi :10.1016/S1286-4579(03)00075-3. PMID  12758285.
  20. ^ Адлер А., Дюкер Э. (март 2018 г.). «Когда пастеровская наука вышла в море: рождение морской микробиологии». Журнал истории биологии . 51 (1): 107–133. doi :10.1007/s10739-017-9477-8. PMID  28382585. S2CID  22211340.
  21. ^ Джонсон Дж (2001) [1998]. "Мартинус Виллем Бейеринк". APSnet . Американское фитопатологическое общество. Архивировано из оригинала 20-06-2010 . Получено 2 мая 2010 .Получено из интернет-архива 12 января 2014 г.
  22. ^ Paustian T, Roberts G (2009). «Бейеринк и Виноградский открывают область экологической микробиологии». Сквозь микроскоп: взгляд на все малые вещи (3-е изд.). Консорциумы учебников. § 1–14.
  23. ^ Keen EC (декабрь 2012 г.). «Феликс д'Эрелль и наше микробное будущее». Future Microbiology . 7 (12): 1337–1339. doi :10.2217/fmb.12.115. PMID  23231482.
  24. ^ Lister BJ (август 2010 г.). «Классика: О принципе антисептики в хирургической практике. 1867». Клиническая ортопедия и смежные исследования . 468 (8): 2012–2016. doi :10.1007/s11999-010-1320-x. PMC 2895849. PMID  20361283 . 
  25. ^ "Отрасли микробиологии". General MicroScience . 2017-01-13 . Получено 2017-12-10 .
  26. ^ Madigan MT, Martinko JM, Bender KS, Buckley DH, Stahl DA (2015). Brock Biology of Microorganisms (14-е изд.). Pearson. ISBN 978-0321897398.
  27. ^ Гельфанд ДХ (1989). «Taq ДНК-полимераза». В Эрлихе HA (ред.). Технология ПЦР . Palgrave Macmillan UK. стр. 17–22. doi :10.1007/978-1-349-20235-5_2. ISBN 978-1-349-20235-5. S2CID  100860897. {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  28. ^ Уэтц, Питер (декабрь 2012 г.). «Редакционная статья для «Двугибридной системы дрожжей»». Методы . 58 (4): 315–316. doi :10.1016/j.ymeth.2013.01.001. ISSN  1095-9130. PMID  23317557.
  29. ^ Burkovski A, ред. (2008). Corynebacteria: Genomics and Molecular Biology. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-30-1. Получено 25.03.2016 .
  30. ^ Fourmy D, Recht MI, Blanchard SC, Puglisi JD (ноябрь 1996 г.). «Структура участка A рибосомальной РНК Escherichia coli 16S в комплексе с аминогликозидным антибиотиком». Science . 274 (5291): 1367–1371. Bibcode :1996Sci...274.1367F. doi :10.1126/science.274.5291.1367. PMID  8910275. S2CID  21602792.
  31. ^ Rehm BH, ed. (2008). Микробное производство биополимеров и полимерных прекурсоров: применение и перспективы. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-36-3. Получено 25.03.2016 .
  32. ^ Диас Э., ред. (2008). Микробная биодеградация: геномика и молекулярная биология (1-е изд.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2. Получено 25.03.2016 .
  33. ^ Macfarlane GT, Cummings JH (апрель 1999 г.). «Пробиотики и пребиотики: может ли регулирование активности кишечных бактерий принести пользу здоровью?». BMJ . 318 (7189): 999–1003. doi :10.1136/bmj.318.7189.999. PMC 1115424 . PMID  10195977. 
  34. ^ Tannock GW, ред. (2005). Пробиотики и пребиотики: научные аспекты. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-01-1. Получено 25.03.2016 .
  35. ^ Веннер М. (30 ноября 2007 г.). «Люди переносят больше бактериальных клеток, чем человеческие». Scientific American . Получено 14 апреля 2017 г.
  36. ^ Менгеша А., Дюбуа Л., Паесманс К., Воутерс Б., Ламбин П., Тейс Дж. (2009). «Клостридии в противоопухолевой терапии». В Брюггеманн Х, Готшальк Г (ред.). Клостридии: молекулярная биология в постгеномную эпоху . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-38-7.
  37. ^ Zusman DR, Scott AE, Yang Z, Kirby JR (ноябрь 2007 г.). «Хемосенсорные пути, подвижность и развитие Myxococcus xanthus». Nature Reviews. Microbiology . 5 (11): 862–872. doi :10.1038/nrmicro1770. PMID  17922045. S2CID  2340386.
  38. ^ Ислам СТ, Вергара Альварес И, Саиди Ф, Джузеппи А, Виноградов Е, Шарма Г и др. (июнь 2020 г.). «Модуляция бактериальной многоклеточности посредством пространственно-специфической секреции полисахаридов». PLOS Biology . 18 (6): e3000728. doi : 10.1371/journal.pbio.3000728 . PMC 7310880. PMID  32516311 . 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Википедии есть оригинальные работы по теме: Микробиология
В Викиверситете вы можете узнать больше и рассказать другим о микробиологии на кафедре микробиологии.
Библиотечные ресурсы по
микробиологии
  • Ресурсы в вашей библиотеке