ΕΞΕΛΙΞΗ - ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

Transcript

1 ΕΞΕΛΙΞΗ - ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ - ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Καθ. Αθανάσιος Τσακρής ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ

2 Τα Μικρόβια στη ζωή μας Οι μικροοργανισμοί είναι οργανισμοί που δεν φαίνονται με γυμνό μάτι Βρίσκονται σχεδόν παντού Είναι προκαρυωτικά ή ευκαρυωτικά κύτταρα ή ανήκουν στο ζωικό βασίλειο Είναι μονοκύτταροι ή πολυκύτταροι Οι ιοί είναι ακυτταρικές οντότητες στο μεταίχμιο βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων

3 Η Εξέλιξη της ζωής

4 Η Εξέλιξη της ζωής Το 80% της ιστορίας της γης συνδυάζεται μόνο με την ύπαρξη των μικροοργανισμών Αν και η επιστήμη της Μικροβιολογίας αναπτύχθηκε μόλις πριν από 200 χρόνια, τα μικρόβια υπήρχαν δισεκατομμύρια χρόνια πριν από μας και θα υπάρχουν πιθανόν δισεκατομμύρια χρόνια μετά από μας

5 Πολυσχιδής η δράση των Μικροοργανισμών Η σημασία τους είναι πολύ μεγαλύτερη από τις ασθένειες για τις οποίες λίγοι από αυτούς ευθύνονται Οι περισσότεροι παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση ισορροπίας στο περιβάλλον

6 Τι παρέχουν οι μικροοργανισμοί; Τη βάση της τροφικής αλυσίδας στο θαλάσσιο περιβάλλον Αποσυνθέτουν τη νεκρή οργανική ύλη στο έδαφος ενσωματώνουν Ν 2 από την ατμόσφαιρα σε οργανικές ενώσεις ανακύκλωση χημικών στοιχείων στο έδαφος, νερό, αέρα Σημαντικό ρόλο στη φωτοσύνθεση Ο άνθρωπος εξαρτάται από τη δράση των μικροβίων του γαστρεντερικού για τη πέψη και τη σύνθεση των βιταμινών

7 Τι παρέχουν οι μικροοργανισμοί; Το σύνολο της καθημερινής τροφής -με τον έναν ή τον άλλο τρόπο- για τους ανθρώπους και τα ζώα Saccharomyces cerevisiae: ψωμί Ειδικές μικροβιακές ποικιλίες χρησιμοποιούνται για εκλεκτά κρασιά, τυριά Τα πλούσια αποθέματα πετρελαίου Την αποικοδόμηση των αποβλήτων Την καταπολέμηση των προνυμφών εντόμων Χρησιμοποιούνται από τη βιοτεχνολογία για την κατασκευή αντιβιοτικών, εμβολίων Άνοιξαν το δρόμο στη γενετική μηχανική γονιδιακή θεραπεία

8 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ - Περισσότερα τα μικροβιακά κύτταρα (10 14 ) από τα ευκαρυωτικά κύτταρα (10 12 )

9 Ταξινόμηση Μικροοργανισμών Ευκαρυωτικά κύτταρα Μύκητες (πρώτιστα) Πρωτόζωα (πρώτιστα) Μετάζωα ή έλμινθες (ζωϊκό βασίλειο) Προκαρυωτικά κύτταρα Βακτήρια ή ευ-βακτήρια Αρχαιοβακτήρια Ιοί (δεν είναι κύτταρα) ( nm) Ιοειδή (5 nm) Prions (<5 nm)

10 Τύποι Μικροοργανισμών

11 Φύκη (Άλγη) Φωτοσυνθετικοί ευκαρυωτικοί οργανισμοί Χρειάζονται υγρασία Οι πιο αναπτυγμένοι μικροοργανισμοί Κυτταρικό τοίχωμα από κυτταρίνη Έχουν: πυρήνα, χλωροπλάστη, μιτοχόνδρια Φωτοσυνθέτουν- χρειάζονται φως, νερό & CO 2 Παράγουν Ο 2 και οργανικές ενώσειςχρησιμοποιούνται από άλλους οργανισμούς, σημαντικό ρόλο στην ισορροπία των οικοσυστημάτων Δεν περιέχουν είδη που ενδιαφέρουν την ιατρική μικροβιολογία

12 Πολυκύτταρα ζωικά παράσιτα (Μετάζωα) Ευκαρυωτικά (0,3 mm 25 m) Πολυκύτταροι οργανισμοίσύμφωνα με τον ορισμό δεν είναι μικροοργανισμοί! Τα μετάζωα τα οποία ονομάζονται και έλμινθες ή σκώληκες ανήκουν στο βασίλειο των ζώων Εμφανίζουν μεγάλη διαφοροποίηση Διακρίνονται σε νηματέλμινθες (π.χ. οξύουρος, ασκαρίδα) και πλατυέλμινθες (π.χ. ταινίες) Οι κύκλοι ζωής τους περιλαμβάνουν και μικροσκοπικά στάδια

13 Πρωτόζωα Ευκαρυωτικά (1-150 μm) Απορροφούν και πέπτουν οργανικές ενώσεις Μπορεί να κινούνται με ψευδοπόδια, βλεφαρίδες ή ινίδια Διακρίνονται σε: 1) εντερικά & 2) αίματος-ιστών

14 Μύκητες Ευκαρυωτικά (5-10 μm) Κυτταρικό τοίχωμα από χιτίνη Μοιάζουν με τα φυτά, αλλά δεν φωτοσυνθέτουν Τρέφονται με οργανικές ενώσεις Οι μούχλες και τα μανιτάρια (υφομύκητες) είναι πολυκύτταροι, αποτελούνται από μάζες μυκηλίων τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από ινίδια που λέγονται υφές Οι ζύμες (ζυμομύκητες) είναι μονοκύτταροι, μπορεί να σχηματίζουν ψευδο-υφές

15 Ιοί Ακυτταρικοί: στο όριο αυτού που θεωρούμε ζωή Περιέχουν DNA ή RNA Δεν έχουν κυτταρικό τοίχωμα ή κυτταρική μεμβράνη Περιβάλλεται από πρωτεϊνικό περίβλημα καψίδιο και σχηματίζουν το πυρηνοκαψίδιο Το πυρηνοκαψίδιο μπορεί να περιβάλλεται από λιπιδικό φάκελο (έλυτρο) Πρωτεϊνικοί υποδοχείς Ο ιοί πολλαπλασιάζονται μόνο σε ζωντανά κύτταρα Κυτταροπαθολογικές αλλοιώσεις από RSV σε κυτταροκαλλιέργεια

16 Σχέση των ιών με τα βακτήρια Το Corynobacterium diphtheriae παράγει διφθεριτική τοξίνη και προκαλεί διφθερίτιδα μόνο όταν έχει ενσωματώσει τοn βήτα φάγο

17 Σύγκριση ιών με κύτταρα Χαρακτηριστικό Ιός Κύτταρα Τύπος νουκλεϊκού DNA ή RNA DNA και RNA οξέος Πρωτεΐνες Λίγες Πολλές Λιποπρωτεϊνική μεμβράνη Έλυτρο σε ορισμένους ιούς Κυτταρική μεμβράνη σε όλα τα κύτταρα Ριβοσώματα Όχι Ναι Μιτοχόνδρια Όχι Ναι στα ευκαρυωτικά Ένζυμα Όχι ή πολύ λίγα Πολλά Πολλαπλασιασμός με διχοτόμηση ή μίτωση Όχι Ναι

18 Ιοειδή Ακόμη απλούστερη κατασκευή Τμήματα μονής έλικας κυκλικού RNA ( nt) χωρίς πρωτεϊνικό κάλυμμα Μπορεί να έχουν πρωτεΐνη από το κύτταρο ξενιστή Προκαλούν νόσους κυρίως σε φυτά Ελλειμματικοί (defective) ιοί: ιός ηπατίτιδας D (HDV)

19 Prions Υποκυτταρικά βιολογικά σωμάτια (< 5 nm) Μικρά πρωτεϊνικά λοιμώδη σωμάτια που κωδικοποιούνται από κυτταρικά γονίδια Προκαλούν εκφυλιστικές παθήσεις στο ΚΝΣ (Creutzfeldt-Jacob disease) με κινητικές διαταραχές και προϊούσα πνευματική έκπτωση Εμφανίζονται με οικογενή χαρακτήρα χωρίς όμως να είναι ξεκάθαρα κληρονομικά νοσήματα Η πραγματική αιτία της κυτταρικής βλάβης δεν είναι γνωστή Πολύ μεγάλη αντοχή σε θερμότητα, UV, φορμαλδεϋδη, νουκλεάσες

20 Βακτήρια Προκαρυωτικά Έχουν κυτταρικό τοίχωμα από πεπτιδογλυκάνη (σύμπλεγμα υδατανθράκων και πρωτεϊνών) Έχουν κυτταρική μεμβράνη γύρω από το κυτταρόπλασμα Δεν έχουν πυρηνική μεμβράνη Πολλαπλασιάζονται με απλή διαίρεση

21 Αρχαία (αρχαιοβακτήρια) Προκαρυωτικά με μεγάλες φυλογενετικές διαφορές από τα βακτήρια Το κυτταρικό τοίχωμα, η κυτταρική μεμβράνη και το rrna είναι διαφορετικά Η κυτταρική μεμβράνη έχει λιπίδια που δεν βρίσκονται σε άλλους οργανισμούς Δεν έχουν πεπτιδογλυκάνη Ζουν σε ακραίες θερμοκρασίες και περιβαλλοντικές συνθήκες

22 Ονομασία και Ταξινόμηση μικροοργανισμών Ο Λινναίος το 19ο αιώνα (1735) καθιέρωσε το σύστημα της επιστημονικής ορολογίας-ονομασίας Κάθε μικροοργανισμός έχει δύο συνθετικά: το όνομα του γένους και το όνομα του είδους Οι οικογένειες με την κατάληξη -aceae (στα Ελληνικά - οειδή ) Οι κανόνες καθορίζονται από το International Code for the Nomenclature of Bacteria και οι ονομασίες γίνονται αποδεκτές από το International Committee of Systematic Bacteriology.

23 Ονομασία και Ταξινόμηση μικροοργανισμών Kingdom: Eubacteria Phylum: Proteobacteria Class: γ-proteobacteria Order: Enterobacteriales Family: Enterobacteriaceae Genus: Escherichia Species: E. coli Type: βιότυπος ή φαγότυπος ή ορότυπος (π.χ. O157:H7) Strain: A853

24 Ονομασία βακτηρίων Staphylococcus aureus Staphylo-: Περιγράφει την χωροδιάταξη των κυττάρων (δίκην σταφυλιού) -coccus: σφαιρική μορφή κυττάρων aureus: το χρυσίζων χρώμα των αποικιών Escherichia coli Escherichia: Τιμητικό όνομα για τον επιστήμονα που ανακάλυψε το βακτήριο, Theodor Eshcerich. coli : Το δεύτερο συνθετικό περιγράφει την περιοχή που εποικίζεται από το συγκεκριμένο βακτήριο, το παχύ έντερο (colon).

25 Ιστορική αναδρομή Βιογένεση ή κυτταρική θεωρία Μέχρι τα μέσα του 19 ου αιώνα πολλοί επιστήμονες πίστευαν ότι ορισμένες μορφές ζωής μπορούσαν να προκύψουν αυτόματα από μη ζωντανή ύλη (π.χ. οι προνύμφες των εντόμων από αποσυντιθέμενα πτώματα, οι μύγες από την κοπριά) Η υπόθεση ότι οι ζωντανοί οργανισμοί προκύπτουν από μη ζωντανό υλικό ονομάζεται αυτόματη γένεση, Αριστοτέλης. Η υπόθεση ότι οι ζωντανοί οργανισμοί προκύπτουν από προϋπάρχοντες ζωντανούς οργανισμούς ονομάζεται βιογένεση ή κυτταρική θεωρία

26 Βιογένεση ή κυτταρική θεωρία Ο Robert Hooke παρατηρώντας μια λεπτή τομή φελλού, ανέφερε ότι οι ζώντες οργανισμοί αποτελούνται από μικρά τεμαχίδια (κυτία) ή κύτταρα Έδωσε τις πρώτες ενδείξεις για την κυτταρική θεωρία : Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα τα οποία προκύπτουν από προϋπάρχοντα κύτταρα Παρόλα αυτά τα μικρόβια παρέμεναν ακόμη άγνωστα Ο Rudolf Virchow αναφέρει ότι τα κύτταρα προκύπτουν από προϋπάρχοντα κύτταρα βιογένεση - το ζήτημα διευθετήθηκε οριστικά από τον Louis Pasteur (1861)

27 Σύντομη Αναδρομή στη Μικροβιολογία - Οι πρώτες παρατηρήσεις : Ο Anton van Leeuwenhoek κατασκευάζει 400 μικροσκόπια, περιγράφει μετά από παρατήρηση μικροοργανισμούς που βρίσκονται σε στοματικά δείγματα και στο βρόχινο νερό

28 Σύντομη Αναδρομή στη Μικροβιολογία - Οι πρώτες παρατηρήσεις Ο Anton van Leeuwenhoek έγραψε λεπτομερή αναφορά στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου με λεπτομερή σχέδια από τους μικροσκοπικούς οργανισμούς που έβλεπε στα νερά, στα κόπρανα και σε υλικό που πήρε από το στόμα

29 Η χρυσή εποχή της Μικροβιολογίας : για 60 περίπου χρόνια έκρηξη ανακαλύψεων στη Μικροβιολογία Ο Pasteur και άλλοι ερευνητές (Robert Koch) ανακαλύπτουν τη σχέση μεταξύ μικροβίων και λοιμώξεων, ανοσίας και αντιμικροβιακών ουσιών. Εξελίχθηκαν τα εμβόλια και οι χειρουργικές τεχνικές

30 Οι πρώτες παρατηρήσεις 1861: Ο Louis Pasteur δείχνει ότι οι μικροοργανισμοί βρίσκονται στον αέρα Συνθήκες Θρεπτικό υλικό σε φλάσκα θερμαίνεται Θρεπτικό υλικό σε φλάσκα θερμαίνεται και κατόπιν κλείνεται αεροστεγώς Αποτέλεσμα Μικροβιακή ανάπτυξη Μη μικροβιακή ανάπτυξη

31 Η θεωρία της Βιογένεσης Η ειδική φλάσκα που κατασκεύασε ο Pasteur εμπόδιζε τα μικρόβια να μπουν αλλά επέτρεπε την είσοδο αέρα. Figure 1.3

32 Ζύμωση και Παστερίωση Ο Pasteur έδειξε ότι μικροοργανισμοί, οι ζύμες, είναι υπεύθυνοι για τη ζύμωση: μετατροπή σακχάρων σε αλκοόλη (μπύρα και κρασί) Η αλλοίωση του αλκοόλ οφείλεται σε βακτήρια (παρουσία αέρα μετατρέπουν την αλκοόλη σε οξικό οξύ, κρασί ξύδι) Η μικροβιακή ανάπτυξη είναι επίσης υπεύθυνη για την καταστροφή των τροφίμων. «οι πρώτες εφαρμογές της βιοτεχνολογίας»

33 Ζύμωση και Παστερίωση Ο Pasteur έδειξε ότι τα παραπάνω βακτήρια μπορούν να σκοτωθούν με θέρμανση χωρίς να καταστρέφεται η αλκοόλη του κρασιού. Αυτή η εφαρμογή θερμότητας για περιορισμένο χρονικό διάστημα ονομάσθηκε παστερίωση. Figure 1.4

34 Η μικροβιακή θεωρία των λοιμώξεων 1835: Ο Agostino Bassi έδειξε για πρώτη φορά ότι μια ασθένεια σε μεταξοσκώληκες μεταφέρεται με μικροοργανισμούς (μύκητες) 1865: Ο Pasteur χρησιμοποιόντας τα δεδομένα του Bassi έδειξε ότι κάποιες ασθένειες σε μεταξοσκώληκες προκαλούνται από πρωτόζωα 1840: Ο Ignaz Semmelwise επέβαλε το πλύσιμο των χεριών για να αποφύγει τη μετάδοση επιλόχειου πυρετού σε γυναικολογικές κλινικές.

35 Η Χρυσή Εποχή της Μικροβιολογίας ( ) 1860: Ο Joseph Lister: απορρυπαντικά-απολυμαντικά για να αποφύγει μετάδοση χειρουργικών λοιμώξεων 1876: Ο Robert Koch: ένας γερμανός γιατρός που ανταγωνιζόταν τον Pasteur στην ανακάλυψη του άνθρακα, βρήκε τα ραβδόμορφα βακτήρια του Bacillus anthracis στο αίμα αγελάδων που είχαν πεθάνει από άνθρακα Ο Robert Koch καθόρισε τα πειραματικά στάδια αξιώματα που αποδεικνύουν ότι συγκεκριμένα μικρόβια προκαλούν συγκεκριμένες λοιμώξεις

36 Αξιώματα Koch

37 Η Χρυσή Εποχή της Μικροβιολογίας ( ) 1857: Pasteur: ζύμωση 1861 Pasteur: βιογένεση 1864 Pasteur: παστερίωση 1867 Lister: άσηπτη χειρουργική 1876: Koch: Αξιώματα του Koch 1879 Neisser: Neisseria gonorrhoeae 1881: Koch: καθαρή καλλιέργεια 1882: Koch: Mycobacterium tuberculosis 1883: Koch: Vibrio cholerae 1884: Gram: Gram-χρώση 1884: Escherich: Escherichia coli 1887: Petri: τρυβλία petri 1890: Ehrlich: θεωρία ανοσίας 1908: Ehrlich: Syphilis 1910: Chagas: Trypanosoma cruzi 1911: Rous: ογκογόνοι ιοί

38 Σύγχρονη Χημειοθεραπεία 1910: Ο Paul Ehrlich εξελίσσει ένα συνθετικό φάρμακο με αρσενικό (salvarsan) για να αντιμετωπίσει τη σύφιλη 1930s: Συντίθενται οι σουλφοναμίδες από χημικές διαδικασίες 1928: Ο Alexander Fleming ανακαλύπτει το πρώτο αντιβιοτικό. Παρατήρησε ότι ο μύκητας Penicillium παρήγαγε μια ουσία την πενικιλλίνη που περιόριζε τον Staphylococcus aureus. 1940s: Η πενικιλλίνη ελέγχεται κλινικά και παράγεται μαζικά.

39 Εμβολιασμός Το 1796, ένας νεαρός γιατρός, ο Edward Jenner, πολύ πριν από τη διατύπωση των αξιωμάτων του Koch, ξεκίνησε την προσπάθεια εμβολιασμού για τον ιό της ευλογιάς Δαμαλισμός To 1880 ο Pasteur ανακάλυψε τη λειτουργία των εμβολίων. Το μικρόβιο έχανε τη λοιμογόνο δύναμή του αλλά μπορούσε να ενεργοποιήσει του μηχανισμούς ανοσίας Σήμερα πολλά εμβόλια παράγονται από απενεργοποιημένους μικροοργανισμούς. Άλλα παρασκευάζονται από νεκρά μικρόβια, τμήματα ζωντανών μικροοργανισμών, ή με τη χρήση γενετικής μηχανικής