ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ

Transcript

1

2 BROCK ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΤΟΜΟΣ Ι Michael T. Madigan John M. Martinko Jack Parker Southern Illinois University Carbondale Απόδοση στα ελληνικά: Δημήτρης Γεωργακόπουλος Γιώργος Διαλλινάς Γιώργος Ζαχαριουδάκης Αμαλία Καραγκούνη-Κύρτσου Θόδωρος Κοκκορόγιαννης Στάθης Φριλίγγος Στάθης Χατζηλουκάς Χρήστος Χριστιάς Επιστημονική επιμέλεια: Τάσος Οικονόμου ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ Ιδρυτική δωρεά Παγκρητικής Ενώσεως Αμερικής ΗΡΑΚΛΕΙΟ 2011

3 ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ IΔPYMA TEXNOΛOΓIAΣ KAI EPEYNAΣ Hράκλειο Kρήτης, T.Θ. 1527, Tηλ.: , , Fax: Aθήνα: Κλεισόβης 3, Tηλ.: , Fax: ΣEIPA: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ / ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΔΙΕΥΘΥΝΤHΣ ΣΕΙΡΑΣ: ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΤΡΑΧΑΝΑΣ Τίτλος πρωτοτύπου: Brock Biology of Microorganisms, Tenth Edition 2003, 2000, 1997, 1994, 1991, 1988, 1974, 1970 by Pearson Education, Inc 2005, για την ελληνική γλώσσα: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ EΚΔΟΣΕΙΣ KΡΗΤΗΣ Πρώτη έκδοση: Νοέμβριος 2005 Απόδοση στα ελληνικά ΠΡΩΤΟΣ & ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΤΟΜΟΣ Βασιλική Βακάκη, Βιολόγος (Κεφ. 25 και 26) Δημήτρης Γεωργακόπουλος, Επίκουρος Καθηγητής Μικροβιολογίας Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών (Κεφ. 12 και 15) Γιώργος Διαλλινάς, Επίκουρος Καθηγητής Μοριακής Μικροβιολογίας Πανεπιστημίου Αθηνών (Κεφ. 10) Γιώργος Ζαχαριουδάκης, Λέκτορας Μοριακής Βιολογίας Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (Κεφ. 11 και 16) Αμαλία Καραγκούνη-Κύρτσου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Μικροβιολογίας Πανεπιστημίου Αθηνών (Κεφ. 5 και 6) Θόδωρος Κοκκορόγιαννης, Βιολόγος Phd (Κεφ. 1, 2, 9, 19, 20, 21 και 29, Παραρτήματα 1 και 2, Γλωσσάριο, Ευρετήριο) Στάθης Φριλίγγος, Αναπληρωτής Καθηγητής Βιολογικής Χημείας Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (Κεφ. 3, 4, 17, 18 και 23) Γιάννης Χατζηδάκης, Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας ΙΤΕ (Κεφ. 22 και 24) Στάθης Χατζηλουκάς, Αναπληρωτής Καθηγητής Μοριακής Μικροβιολογίας Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (Κεφ. 7, 8, 30 και 31) Ιορδάνης Χατζηπαυλίδης, Λέκτορας Περιβαλλοντικής Μικροβιολογίας, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών (Κεφ. 27 και 28) Χρήστος Χριστιάς, τ. Καθηγητής Μικροβιολογίας Πανεπιστημίου Πατρών (Κεφ. 12 [ενότητες IV-XV], 13 και 14) Eπιστημονική επιμέλεια: Τάσος Οικονόμου, Αναπληρωτής Καθηγητής Μικροβιολογίας Πανεπιστημίου Κρήτης & Ερευνητής Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας ΙΤΕ Επιμέλεια κειμένου: Νίκος Κουμπιάς (Π.Ε.Κ.) Στοιχειοθεσία σελιδοποίηση: Παρασκευή Βλάχου (Π.Ε.Κ.) ISBN SET: ISBN ΤΟΜΟΥ Ι:

4 Συνοπτικά περιεχόμενα ΤΟΜΟΣ Ι ΕΝΟΤΗΤΑ Ι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ΕΝΟΤΗΤΑ ΙΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Μικροοργανισμοί και μικροβιολογία Επισκόπηση της μικροβιακής ζωής Μακρομόρια Κυτταρική δομή και λειτουργία Θρέψη, εργαστηριακή καλλιέργεια, και μεταβολισμός των μικροοργανισμών Μικροβιακή αύξηση Αρχές της μικροβιακής μοριακής βιολογίας Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης Εισαγωγή στην ιολογία Βακτηριακή γενετική ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑ Μικροβιακή εξέλιξη και συστηματική Προκαρυωτική ποικιλότητα: Βακτήρια Προκαρυωτική ποικιλότητα: Αρχαία Βιολογία του ευκαρυωτικού κυττάρου και ευκαρυωτικοί μικροοργανισμοί Μικροβιακή γονιδιωματική Ιοί βακτηρίων, φυτών, και ζώων ΤΟΜΟΣ ΙΙ ΕΝΟΤΗΤΑ ΙΙΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 19 ΕΝΟΤΗΤΑ ΙV ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 24 ΕΝΟΤΗΤΑ V ΚΕΦΑΛΑΙΟ 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 29 ΕΝΟΤΗΤΑ VΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 31 ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΗ ΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ Μεταβολική ποικιλότητα Μέθοδοι μικροβιακής οικολογίας Μικροβιακά ενδιαιτήματα, κύκλοι θρεπτικών ουσιών, αλληλεπιδράσεις με φυτά και ζώα ΑΝΟΣΟΛΟΓΙΑ, ΠΑΘΟΓΟΝΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΞΕΝΙΣΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ Έλεγχος της μικροβιακής αύξησης Αλληλεπιδράσεις ανθρώπου-μικροβίων Βασικές αρχές της ανοσολογίας Μοριακή ανοσολογία Κλινική μικροβιολογία και ανοσολογία ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΕΣ ΝΟΣΟΙ Επιδημιολογία Μικροβιακές νόσοι που μεταδίδονται από άνθρωπο σε άνθρωπο Μικροβιακές νόσοι που μεταδίδονται από τα ζώα, τα αρθρόποδα και το έδαφος Κατεργασία υγρών αποβλήτων, καθαρισμός νερού και υδατογενείς μικροβιακές νόσοι Συντήρηση τροφίμων και τροφογενείς μικροβιακές νόσοι ΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΩΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΚΑΙ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ Βιομηχανική μικροβιολογία / βιοκατάλυση Γενετική μηχανική και βιοτεχνολογία v

5 Το επιστημονικό πεδίο της μικροβιολογίας γεννήθηκε από τις πρωτοποριακές μελέτες μιας χούφτας επιστημόνων, ανάμεσα στους οποίους ξεχωρίζει ο μεγάλος Ρώσος μικροβιολόγος Sergei Winogradsky. Ενώ οι άλλοι «γίγαντες» εκείνης της πρώιμης εποχής μελετούσαν τον ρόλο των μικροοργανισμών στις διάφορες ασθένειες, ο Winogradsky εστίασε τις έρευνές του στα βακτήρια που συνδέουν τους κύκλους ορισμένων κομβικής σημασίας θρεπτικών ουσιών στη φύση. Ο Winogradsky απεικόνισε μικροοργανισμούς, όπως τα φωτοτροφικά πορφυρά θειοβακτήρια αυτής της σελίδας, με αξιοσημείωτη καλλιτεχνική ακρίβεια, βοηθώντας έτσι τους άλλους επιστήμονες της εποχής να αρχίσουν να αντιλαμβάνονται την ευρύτατη μεταβολική ποικιλομορφία των μικροοργανισμών που σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν στη Γη. 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ I ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ Μικροβιολογία Οι μικροοργανισμοί ως κύτταρα Οι μικροοργανισμοί και το φυσικό περιβάλλον τους Η επίδραση των μικροοργανισμών στον άνθρωπο 9 II ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΝΑΚΑΛΥΨΕΩΝ Οι ιστορικές ρίζες της μικροβιολογίας Μικροβιακή ποικιλομορφία και η γένεση της μοριακής μικροβιολογίας 19

6 2 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ Γλωσσάριο εργασίας αμιγής καλλιέργεια (pure culture) καλλιέργεια που περιέχει ένα μόνο είδος μικροοργανισμού αποστειρωμένος (sterile) η απουσία όλων των ζωντανών οργανισμών και ιών αυθόρμητη γένεση (spontaneous generation) υπόθεση σύμφωνα με την οποία είναι δυνατόν να προκύψουν ζωντανοί οργανισμοί από μη ζωντανή ύλη DNA δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, το γενετικό υλικό των κυττάρων και ορισμένων ιών ενδιαίτημα (habitat) η ακριβής θέση μέσα στο περιβάλλον στο οποίο διαβιεί ένας μικροβιακός πληθυσμός ένζυμα (enzymes) καταλύτες, συνήθως πρωτεϊνικής φύσεως, που επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις εξέλιξη (evolution) η μεταβολή που υφίσταται μια σειρά απογόνων με την πάροδο του χρόνου, η οποία οδηγεί στην εμφάνιση νέων ειδών ή νέων ποικιλιών ενός είδους καλλιέργεια εμπλουτισμού (enrichment culture) μέθοδος απομόνωσης μικροοργανισμών από τη φύση, με τη χρήση ειδικών θρεπτικών μέσων καλλιέργειας και συνθηκών επώασης κύτταρο (cell) η θεμελιώδης μονάδα της ζωντανής ύλης κυτταρόπλασμα (cytoplasm) το εσωτερικό ρευστό υλικό του κυττάρου, που περιβάλλεται από την κυτταροπλασματική μεμβράνη, με εξαίρεση τον πυρήνα (αν υπάρχει) μεταβολισμός (metabolism) το σύνολο των βιοχημικών αντιδράσεων σε ένα κύτταρο μικροοργανισμός (microorganism) μικροσκοπικός οργανισμός αποτελούμενος από ένα μόνο κύτταρο ή μικρή ομάδα κυττάρων οικολογία (ecology) η μελέτη των οργανισμών στο φυσικό τους περιβάλλον οικοσύστημα (ecosystem) οι οργανισμοί μαζί με το άβιο περιβάλλον τους παθογόνο (pathogen) νοσογόνος μικροοργανισμός προκαρυώτης (prokaryote) κύτταρο που δεν διαθέτει πυρήνα RNA ριβονουκλεϊκό οξύ συμμετέχει στη σύνθεση των πρωτεϊνών υπό τη μορφή αγγελιοφόρου RNA, μεταφορικού RNA, και ριβοσωματικού RNA Mε αυτό το εισαγωγικό κεφάλαιο αρχίζουμε το ταξίδι μας στο πεδίο της μικροβιολογίας. Εδώ θα ανακαλύψουμε τι είναι οι μικροοργανισμοί και γιατί πρέπει να τους μελετάμε. Θα σταθούμε επίσης στην ιστορική διαδρομή της μικροβιολογίας, εξαίροντας την κορυφαία συνεισφορά των πρώτων και ορισμένων μεταγενέστερων μικροβιολόγων. Η μικροβιολογία σήμερα είναι μια δυναμική επιστήμη που απλώνει τα παρακλάδια της σε όλες πρακτικά τις πλευρές της σύγχρονης ζωής, μεταξύ των οποίων στην ιατρική, τη γεωργία, αλλά και στο περιβάλλον. Καλώς ορίσατε στη μελέτη της μικροβιολογίας! I ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ Στις τέσσερις πρώτες ενότητες αυτού του κεφαλαίου θα εισαγάγουμε το αντικείμενο μελέτης της μικροβιολογίας, θα δούμε τους μικροοργανισμούς ως κύτταρα, θα εξετάσουμε πού και πώς ζουν οι μικροοργανισμοί στη φύση και θα περιγράψουμε συνοπτικά την επίδραση που άσκησαν και συνεχίζουν να ασκούν οι μικροοργανισμοί στη ζωή του ανθρώπου. 1.1 Μικροβιολογία Μικροβιολογία είναι η επιστήμη που μελετά τους μικροοργανισμούς, μια μεγάλη και πολυποίκιλη ομάδα μικροσκοπικών οργανισμών που διαβιούν είτε ως ανεξάρτητοι μονοκύτταροι οργανισμοί, είτε ως ομάδες κυττάρων. Η μικροβιολογία εξετάζει επίσης τους ιούς, οι οποίοι είναι μικροσκοπικοί, αλλά δεν είναι κύτταρα. Τα μικροβιακά κύτταρα διαφέρουν, επομένως, από τα κύτταρα των ζώων και των φυτών, καθώς τα τελευταία είναι ανίκανα να επιβιώσουν μόνα τους στη φύση και δεν μπορούν να υπάρξουν παρά μόνον ως τμήματα ενός πολυκύτταρου οργανισμού (Εικόνα 1.1). Σε αντίθεση με τους μακροοργανισμούς, οι μικροοργανισμοί είναι γενικά ικανοί να επιτελούν τις διαδικασίες της αύξησης, της παραγωγής ενέργειας, και της αναπαραγωγής, ανεξάρτητα από άλλα κύτταρα του ίδιου ή διαφορετικού είδους. Η επιστήμη της μικροβιολογίας Η μικροβιολογία μελετά τα ζωντανά κύτταρα και τον τρόπο με τον οποίο αυτά λειτουργούν. Εστιάζει το ενδιαφέρον της στους μικροοργανισμούς, και ιδιαίτερα στα βακτήρια, μια μεγάλη ομάδα κυττάρων με τεράστια θεωρητική και πρακτική σημασία. Ερευνά την ποικιλομορφία και την εξέλιξη των μικροβίων, το πώς προέκυψαν τα διάφορα είδη μικροοργανισμών και γιατί. Εξετάζει τι έργο επιτελούν οι μικροοργανισμοί στο περιβάλλον, στην ανθρώπινη κοινωνία, στο σώμα του ανθρώπου, στα ζώα και τα φυτά. Οι μικροοργανισμοί επηρεάζουν με τον ένα ή τον άλλο τρόπο όλες τις άλλες μορφές ζωής στη Γη, επομένως η σημασία τους είναι τεραστία. Η μικροβιολογία περιστρέφεται γύρω από δύο βασικούς άξονες, την έρευνα και τις εφαρμογές: 1. Ως βασική βιολογική επιστήμη, η μικροβιολογία προσφέρει μερικά από τα πλέον προσιτά ερευνητικά εργαλεία για τη διερεύνηση των λειτουργιών της ζωής. Η εξαιρετικά λεπτομερής γνώση την οποία κατέχουμε σήμερα για τη χημική και φυσική βάση της ζωής έχει προκύψει εν πολλοίς από με-

7 1.1 ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ 3 ( ) M. T. Madigan ( ) M. T. Madigan (Á) Norbert Pfennig ( ) T. D. Brock Εικόνα 1.1 Οι ζωντανοί οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα. Τα φυτά (α) και τα ζώα (β) αποτελούνται από πολλά κύτταρα που σχηματίζουν ιστούς, οι οποίοι με τη σειρά τους συνθέτουν τα διάφορα όργανα αυτά, επομένως, είναι πολυκύτταροι οργανισμοί. Τα μεμονωμένα κύτταρα ενός φυτού ή ζώου δεν είναι ανεξάρτητες οντότητες κάθε τέτοιο κύτταρο εξαρτάται από τα άλλα. (γ, δ) Οι μικροοργανισμοί είναι ανεξάρτητα κύτταρα. Ένα μεμονωμένο μικροβιακό κύτταρο μπορεί να είναι μια ανεξάρτητη οντότητα. Εδώ παρουσιάζονται μικροφωτογραφίες δύο φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, των πορφυροβακτηρίων (γ), και των κυανοβακτηρίων (δ). Τα κυανοβακτήρια θεωρούνται οι πρώτοι οργανισμοί στη Γη που μπόρεσαν να εξελιχθούν παρουσία Ο 2. Στα βακτήρια αυτά αποδίδεται η οξυγόνωση της ατμόσφαιρας. λέτες πάνω σε μικροοργανισμούς. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι πολλές βιοχημικές ιδιότητες των μικροβιακών κυττάρων είναι στην ουσία ίδιες με εκείνες των κυττάρων των πολυκύτταρων οργανισμών. Πράγματι, όλα τα κύτταρα έχουν πολλά κοινά μεταξύ τους. Αν μάλιστα λάβουμε υπ όψιν μας το γεγονός ότι τα μικροβιακά κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν σε εξαιρετικά μεγάλες πυκνότητες στο εργαστήριο, αλλά και ότι προσφέρονται για βιοχημική και γενετική έρευνα, γίνεται κατανοητό ότι τα κύτταρα αυτά συνιστούν άριστα μοντέλα για τη μελέτη και κατανόηση των κυτταρικών λειτουργιών στους ανώτερους οργανισμούς. 2. Ως εφαρμοσμένη βιολογική επιστήμη, η μικροβιολογία ασχολείται με πολλά και σημαντικά πρακτικά προβλήματα της ιατρικής, της γεωργίας, και της βιομηχανικής παραγωγής. Μερικές από τις σημαντικότερες ασθένειες του ανθρώπου, των ζώων, αλλά και των φυτών, προκαλούνται από μικροοργανισμούς. Επίσης, οι μικροοργανισμοί παίζουν καθοριστικό ρόλο στη γονιμότητα του εδάφους και την κτηνοτροφική παραγωγή, ενώ πολλές βιοτεχνολογικές και βιομηχανικές παραγωγικές διαδικασίες, όπως η παραγωγή αντιβιοτικών ή ανθρώπινων πρωτεϊνών, βασίζονται στη δράση μικροβίων. Η σημασία των μικροοργανισμών Καθώς προχωρούμε στη μελέτη του βιβλίου αυτού, σταδιακά θα αποκαλύπτεται σαφέστερα ο καίριος ρόλος που παίζουν οι μικροοργανισμοί τόσο στις ανθρώπινες δραστηριότητες όσο και σε όλο το πλέγμα της ζωής στη Γη. Θα δούμε ότι αν δεν υπήρχαν οι μικροοργανισμοί, η ανάπτυξη και η συντήρησή των ανώτερων μορφών ζωής θα ήταν εντελώς αδύνατη. Για παράδειγ-

8 4 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ μα, το οξυγόνο που αναπνέουμε είναι προϊόν μικροβιακής δράσης (Εικόνα 1.1δ). Επιπλέον, θα δούμε με ποιους τρόπους συνδέεται, και μάλιστα τόσο στενά, η δραστηριότητα των μικροβίων με τον άνθρωπο, τα φυτά, και τα ζώα, ιδιαίτερα κατά την ανακύκλωση ορισμένων σημαντικών θρεπτικών ουσιών και την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης. Πράγματι, καμιά άλλη μορφή ζωής δεν προσεγγίζει σε σημασία τους μικροοργανισμούς, όσον αφορά την υποστήριξη και διατήρηση του συνόλου της ζωής στον πλανήτη. Θα μάθουμε επίσης με ποιον τρόπο επιβίωναν οι μικροοργανισμοί στη Γη επί δισεκατομμύρια χρόνια, πριν την εμφάνιση των φυτών και των ζώων, για ποιον λόγο τους κατατάσσουν οι συλλογικές φυσιολογικές τους δυνατότητες στους ικανότερους χημικούς της Γης, και πώς ορισμένοι μικροοργανισμοί απέκτησαν σχέσεις με ανώτερους οργανισμούς, άλλοτε ιδιαίτερα επωφελείς για τους δεύτερους, και άλλοτε εξαιρετικά επιβλαβείς. Θα αρχίσουμε εξετάζοντας τους μικροοργανισμούς ως κυτταρικές οντότητες. 1.2 Οι μικροοργανισμοί ως κύτταρα ( ) ( ) Εικόνα 1.2 Κύτταρα. (α) Μικροφωτογραφία ραβδόμορφων βακτηριακών κυττάρων, όπως φαίνονται στο οπτικό μικροσκόπιο. Κάθε κύτταρο έχει διάμετρο περίπου 1 μm. (β) Διαμήκης τομή βακτηριακού κυττάρου, όπως φαίνεται στο ηλεκτρονιακό μικροσκόπιο. Οι δύο ανοικτόχρωμες περιοχές συνιστούν το πυρηνοειδές αυτές οι περιοχές του κυττάρου περιέχουν συγκεντρωμένο DNA. L.K. Kimble and M.T. Madigan Herbert Voelz Το κύτταρο είναι η θεμελιώδης μονάδα της ζωής. Τα κύτταρα συνιστούν οντότητες που οριοθετούνται από το περιβάλλον τους και από τα άλλα κύτταρα με την κυτταρική μεμβράνη (και ενίοτε με το κυτταρικό τοίχωμα), που περικλείει μια μεγάλη ποικιλία χημικών ουσιών και υποκυτταρικών δομών (Εικόνα 1.2). Η κυτταρική μεμβράνη είναι ο φραγμός που διαχωρίζει το εσωτερικό του κυττάρου από το εξωτερικό περιβάλλον. Στο εσωτερικό του κυττάρου υπάρχουν οι δομές και οι χημικές ουσίες που του επιτρέπουν να λειτουργεί. Δομή με καθοριστική σημασία είναι ο πυρήνας ή το πυρηνοειδές, όπου βρίσκεται αποθηκευμένη η γενετική πληροφορία υπό τη μορφή δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA)Ø χωρίς αυτήν είναι αδύνατο να σχηματισθούν νέα κύτταρα. Εξίσου καθοριστική δομή είναι και το κυτταρόπλασμα, όπου βρίσκονται οι μοριακοί μηχανισμοί για την ανάπτυξη και λειτουργία των κυττάρων. Όλα τα κύτταρα αποτελούνται από τέσσερις κύριες κατηγορίες χημικών συστατικών: τις πρωτεΐνες, τα νουκλεϊκά οξέα, τα λιπίδια, και τους πολυσακχαρίτες. Συλλογικά, αυτά τα μόρια ονομάζονται μακρομόρια. Τα κύτταρα ενός οργανισμού διακρίνονται από τα κύτταρα ενός άλλου οργανισμού με βάση τη χημική φύση και διάταξη αυτών των μακρομορίων. Αν και κάθε κύτταρο έχει συγκεκριμένη δομή και μέγεθος, είναι ταυτόχρονα μια δυναμική μονάδα, που διαρκώς υπόκειται σε μεταβολές και ανανεώνει τα συστατικά της. Ένα κύτταρο, ακόμη και όταν δεν αυξάνεται, μπορεί να συσσωρεύει και να ενσωματώνει υλικά από το περιβάλλον του. Ταυτοχρόνως, αποβάλλει σε αυτό άχρηστα προϊόντα του μεταβολισμού του. Κατά συνέπεια, το κύτταρο είναι ένα ανοικτό σύστημα, που αν και μεταβάλλεται διαρκώς, παραμένει εν γένει το ίδιο. Πώς δημιουργήθηκαν τα πρώτα κύτταρα; Με κάποιον τρόπο, το πρώτο κύτταρο θα πρέπει να προήλθε από κάποιο «μη κύτταρο», κάτι πριν από το κύτταρο, κάποιου είδους προκυτταρική μορφή. Η εμφάνιση του πρώτου κυττάρου πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου ήταν ένα ελάχιστα πίθανο γεγονός, που ενδεχομένως χρειάστηκε αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια για να συμβεί. Όταν όμως συνέβη, συνοδεύτηκε από μια σειρά πολύ πιθανών γεγονότων, όπως είναι η αύξηση, η διαίρεση και ο σχηματισμός πληθυσμών, που με την πάροδο το χρόνου υπέστησαν εξελικτικές βελτιώσεις και διαφοροποιήσεις. Έτσι, ύστερα από δισεκατομμύρια χρόνια εξελικτικών αλλαγών, προέκυψε η εκπληκτική ποικιλία κυτταρικών τύπων που γνωρίζουμε σήμερα. Επειδή όλα τα κύτταρα είναι δομημένα από αυτές τις τέσσερις κατηγορίες μακρομορίων που προαναφέραμε, αλλά και επειδή διαθέτουν πολλά άλλα κοινά χαρακτηριστικά, υποθέτουμε ότι όλα προήλθαν από έναν κοινό πρόγονο, τον καθολικό πρόγονο όλης της ζωής (f Κεφάλαιο 11). Χαρακτηριστικά των ζωντανών συστημάτων Ποια είναι τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της ζωής; Τι διαφοροποιεί τα κύτταρα από τα άβια αντικείμενα; Η θεώρησή μας του τι είναι ζωντανό περιορίζεται κατ ανάγκην από όσα μπορούμε σήμερα να παρατηρήσουμε στη Γη ή να συμπεράνουμε από τα απολιθώματα. Από τις μέχρι τώρα βιολογικές γνώσεις μας, πάντως, μπο-

9 1.2 ΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΩΣ ΚΥΤΤΑΡΑ 5 1. MÂÙ ÔÏÈÛÌfi ÚfiÛÏË Ë ËÌÈÎÒÓ Ô ÛÈÒÓ applefi ÙÔ appleâúè ÏÏÔÓ, ÌÂÙ Û ËÌ ÙÈÛÌfi ÙÔ Ì Û ÛÙÔ Î ÙÙ ÚÔ, Î È applefiúúè Ë ÙˆÓ ÚËÛÙˆÓ ÏÈÎÒÓ ÛÙÔ appleâúè ÏÏÔÓ. EappleÔÌ Óˆ, Ó Î ÙÙ ÚÔ appleôùâïâ ÓÔÈÎÙfi Û ÛÙËÌ. K ÙÙ ÚÔ 2. AÓ apple Ú ÁˆÁ ( ÍËÛË) OÈ ËÌÈÎ Ô Û Â ÙÔ appleâúè ÏÏÔÓÙÔ, applefi ÙËÓ Î ıô ÁËÛË appleúô apple Ú fióùˆó Î ÙÙ ÚˆÓ, ÌÂÙ Û ËÌ Ù ÔÓÙ È ÛÂ Û ÛÙ ÙÈÎ ÙˆÓ Ó ˆÓ Î ÙÙ ÚˆÓ. 3. È ÊÔÚÔappleÔ ËÛË ËÌ ÙÈÛÌfi ÌÈ Ó Î ÙÙ ÚÈÎ ÔÌ, fiappleˆ Â Ó È ÙÔ ÛapplefiÚÈÔ, Û Ó ıˆ ˆ ÙÌ Ì ÙÔ Î ÙÙ ÚÈÎÔ Î ÎÏÔ ˆ. applefiúèô 4. EappleÈÎÔÈÓˆÓ T Î ÙÙ Ú ÂappleÈÎÔÈÓˆÓÔ Ó ÏÏËÏÂappleÈ ÚÔ Ó, Î Ú ˆ Ì Ûˆ Ô ÛÈÒÓ ÙÈ ÔappleÔ Â appleâïâ ıâúòóô Ó ÂÛÌÂ Ô Ó. 6. EÍ ÏÈÍË T Î ÙÙ Ú ÂÍÂÏ ÛÛÔÓÙ È Î È ÂÎ ËÏÒÓÔ Ó Ó Â ÈÔÏÔÁÈÎ È ÈfiÙËÙÂ. T Ê ÏÔÁÂÓÂÙÈÎ ÓÙÚ Â ÓÔ Ó ÙÈ ÂÍÂÏÈÎÙÈÎ Û ÛÂÈ ÌÂÙ Í ÙˆÓ È ÊfiÚˆÓ Î ÙÙ ÚˆÓ. ÚÔÁÔÓÈÎfi Î ÙÙ ÚÔ ÂÚÈ ÏÏÔÓ 5. K ÓËÛË ÔÏÏÔ ˆÓÙ ÓÔ ÔÚÁ ÓÈÛÌÔ Ô Ó ÙËÓ ÈÎ ÓfiÙËÙ ÙË ÙÔÎÈÓËÛ. N Â Ë ρούμε να αναγνωρίσουμε ορισμένα χαρακτηριστικά της ζωής, τα οποία συνοψίζονται στην Εικόνα 1.3. Όλοι οι κυτταρικοί οργανισμοί διαθέτουν εξαιρετικά οργανωμένες δομές που εμφανίζουν κάποιας μορφής μεταβολισμό. Με άλλα λόγια, τα κύτταρα προσλαμβάνουν χημικές ουσίες από το περιβάλλον τους και τις μετασχηματίζουν, αποθηκεύουν ένα τμήμα της ενέργειας αυτών των ουσιών σε μια κυτταρικά εύχρηστη μορφή, και αποβάλλουν τα άχρηστα προϊόντα στο άμεσο περιβάλλον τους. Όλα τα κύτταρα αναπαράγονται, δηλαδή είναι σε θέση να κατευθύνουν όλες εκείνες τις βιοχημικές λειτουργίες που καταλήγουν στη σύνθεση του εαυτού τους. Αποτέλεσμα αυτών των μεταβολικών διαδικασιών είναι η αύξηση του κυττάρου και η διαίρεσή του σε δύο νέα κύτταρα. Πολλά κύτταρα εμφανίζουν διαφοροποίηση, διαδικασία μέσω της οποίας σχηματίζονται νέες ουσίες ή δομές. Η κυτταρική διαφοροποίηση αποτελεί συχνά τμήμα του κυτταρικού κύκλου ζωής, κατά τον οποίο τα κύτταρα σχηματίζουν ειδικές δομές για την αναπαραγωγή, την εξάπλωση, ή την επιβίωσή τους. Τα κύτταρα αποκρίνονται στα χημικά σήματα του περιβάλλοντός τους, στα οποία μπορεί να ανήκουν και σήματα που παράγονται από άλλα κύτταρα. Τα κύτταρα, δηλαδή, επικοινωνούν με τον περίγυρό τους, ενώ είναι σε θέση να μετρούν ακόμη και τον πληθυσμό τους σε μια κοινότητα, μέσω μικρών διαχυτών μορίων που μεταφέρονται από το ένα γειτονικό κύτταρο στο άλλο. Επιπλέον, πολλοί ζωντανοί οργανισμοί έχουν την ικανότητα να κινούνται αυτοπροωθούμενοιø θα γνωρίσουμε αρκετούς από τους μηχανισμούς που προσδίδουν αυτοκινησία (κινητικότητα) στα κύτταρα του μικροβιακού κόσμου. Τέλος, αντίθετα απ ό,τι συμβαίνει στις άβιες δομές, τα κύτταρα είναι σε θέση να εξελίσσονται. Μέσω της εξέλιξης, τα κύτταρα μπορούν να αλλάζουν διαρκώς τα χαρακτηριστικά τους και να μεταβιβάζουν στους απογόνους τους τις νέες ιδιότητες που αποκτούν. Τα κύτταρα ως χημικές μηχανές και ως συσκευές κωδίκευσης Υπάρχουν δύο οπτικές γωνίες υπό τις οποίες μπορεί κανείς να προσεγγίσει τη λειτουργία των κυττάρων. Αφ ενός, μπορούμε να θεωρήσουμε τα κύτταρα ως χημικές μηχανές, οι οποίες διεκπεραιώνουν συγκεκριμένους χημικούς μετασχηματισμούς εντός των ορίων του κυττάρου, χρησιμοποιώντας ως καταλύτες ένζυμα, δηλαδή ειδικές πρωτεΐνες που έχουν την ικανότητα να επιταχύνουν εξαιρετικά ορισμένες χημικές αντιδράσεις. Αφ ετέρου, μπορούμε να θεωρήσουμε τα κύτταρα ως συσκευές κωδίκευσης, κάτι ανάλογο με τους ηλε- N Â Ë Εικόνα 1.3 Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της κυτταρικής ζωής. Η διαφοροποίηση και η αυτοκινησία δεν εμφανίζονται σε όλα τα μικροβιακά κύτταρα.

10 6 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ Kˆ ÈÎÂ Ô Û ÏÂÈÙÔ ÚÁ  MË ÓÈÎ ÏÂÈÙÔ ÚÁ  1. EÓ ÚÁÂÈ (ATP) 2. Úfi ÚÔÌÂ Ô Û Â Ì ÎÚÔÌÔÚ ˆÓ (Û Î Ú, ÌÈÓÔÍ, ÏÈapple Ú ÔÍ, Î.Ïapple.) AÓÙÈÁÚ Ê MÂÙ ÁÚ Ê MÂÙ ÊÚ ÛË AÓ apple Ú ÁˆÁ ( ÍËÛË) DNA RNA ÚˆÙ ÓË Εικόνα 1.4 Οι μηχανικές και οι κωδικεύουσες λειτουργίες του κυττάρου. Για να μπορεί ένα κύτταρο να αναπαραχθεί θα πρέπει (α) να διαθέτει επαρκείς ποσότητες ενέργειας και κατάλληλων πρόδρομων μορίων για να συνθέσει τα νέα μακρομόρια, (β) να αντιγράψει τις γενετικές οδηγίες, ώστε κάθε νέο κύτταρο που θα προκύψει από την κυτταρική διαίρεση να διαθέτει ένα πλήρες αντίγραφο αυτών των οδηγιών, και (γ) να εκφράζει τα γονίδιά του (επομένως να λειτουργούν οι διαδικασίες της μεταγραφής και της μετάφρασης), ώστε να συντεθούν οι απαιτούμενες ποσότητες των απαραίτητων πρωτεϊνών και των άλλων μακρομορίων που θα απαρτίσουν το νέο κύτταρο. κτρονικούς υπολογιστές, οι οποίες αποθηκεύουν και επεξεργάζονται τη γενετική πληροφορία (DNA) που τελικά θα μεταβιβαστεί με την αναπαραγωγή στους απογόνους (Εικόνα 1.4). Ο διπλασιασμός της αποθηκευμένης γενετικής πληροφορίας και η επεξεργασία της, με άλλα λόγια η αναπαραγωγή, η μεταγραφή, και η μετάφραση του DNA, θα εξεταστούν λεπτομερώς στο Κεφάλαιο 7. Στην πραγματικότητα, τα κύτταρα είναι ταυτοχρόνως και χημικές μηχανές αλλά και συσκευές κωδίκευσης. Ο κρίκος μεταξύ αυτών των δύο λειτουργικών θεωρήσεων βρίσκεται στη διαδικασία της αύξησης. Κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ένα βιώσιμο κύτταρο αυξάνει το μέγεθός του και στη συνέχεια διαιρείται σε δύο νέα κύτταρα (Εικόνα 1.4). Κατά τη διάρκεια όλης αυτής της μεθοδικής διαδικασίας που καταλήγει στην κυτταρική διαίρεση, πρέπει να διπλασιαστεί η ποσότητα όλων των κυτταρικών συστατικών. Αυτό απαιτεί από τους χημικούς μηχανισμούς του κυττάρου να παράγουν ενέργεια και πρόδρομα μόρια για τη βιοσύνθεση μακρομορίων. Όταν όμως ένα κύτταρο διαιρείται, κάθε ένα από τα δύο κύτταρα που προκύπτουν θα πρέπει και αυτό να περιέχει όλη την απαραίτητη γενετική πληροφορία για τη δημιουργία άλλων νέων κυττάρων, επομένως είναι απαραίτητο κατά τη διάρκεια της αυξητικής φάσης να διπλασιάζεται και το DNA (Εικόνα 1.4). Έτσι, οι μηχανικές και οι κωδικεύουσες λειτουργίες ενός κυττάρου πρέπει να είναι άριστα συντονισμένες προκειμένου να μπορέσει ένα κύτταρο να αναπαράγει με πιστότητα τον εαυτό του. Θα δούμε αργότερα ότι κάτι τέτοιο όντως ισχύει και ότι, εκτός από τον συντονισμό, οι διάφορες μηχανικές και κωδικεύουσες λειτουργίες θα πρέπει επίσης να υπόκεινται σε διαδικασίες ρύθμισης και ελέγχου, έτσι ώστε το κύτταρο να παραμένει βέλτιστα προσαρμοσμένο στο περιβάλλον του. 1.2 Έλεγχος εννοιών Η κυτταροπλασματική μεμβράνη αποτελεί έναν κυτταρικό φραγμό που διαχωρίζει το κυτταρόπλασμα από το περιβάλλον. Άλλα κύρια κυτταρικά συστατικά είναι ο πυρήνας ή το πυρηνοειδές, το κυτταρικό τοίχωμα, και το κυτταρόπλασμα. Ορισμένες κομβικές λειτουργίες, όπως ο μεταβολισμός και η αναπαραγωγή, αποτελούν αναπόσπαστα χαρακτηριστικά της έμβιας κατάστασης. Τα κύτταρα μπορεί να θεωρηθούν τόσο ως χημικές μηχανές όσο και ως συσκευές βιολογικής κωδίκευσης. Αναφέρετε 6 ιδιότητες των ζωντανών οργανισμών. Πώς εξυπηρετεί κάθε μία από αυτές την επιβίωση ενός κυττάρου; Συγκρίνετε της μηχανικές και τις κωδικεύουσες λειτουργίες ενός μικροβιακού κυττάρου. Γιατί καμία από αυτές δεν έχει ουσιαστική αξία χωρίς την άλλη; Αναφέρετε τις 4 κατηγορίες κυτταρικών μακρομορίων.

11 1.3 ΟΙ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΟΥΣ Οι μικροοργανισμοί και το φυσικό περιβάλλον τους Τα κύτταρα ζουν στη φύση σε στενή αλληλεξάρτηση με άλλα κύτταρα, σχηματίζοντας συναθροίσεις που λέγονται πληθυσμοί. Αυτοί οι πληθυσμοί συντίθενται από ομάδες συγγενικών κυττάρων, που κατά κανόνα έχουν προέλθει από τις διαδοχικές διαιρέσεις ενός μόνο γονικού κυττάρου. Η ακριβής περιβαλλοντική θέση στην οποία διαβιεί ένας μικροβιακός πληθυσμός καλείται ενδιαίτημα. Μικροβιακά ενδιαιτήματα συναντούμε όχι μόνο σε αναμενόμενα μέρη, αλλά και σε άλλα πολύ πιο ασυνήθισταø σε ορισμένα από αυτά επικρατούν τόσο ακραίες συνθήκες, ώστε να είναι ακατάλληλα για ανώτερες μορφές ζωής. Στη φύση, οι διάφοροι πληθυσμοί των κυττάρων σπανίως ζουν μόνοι τους. Αντιθέτως, συμβιώνουν και αλληλεπιδρούν με άλλους κυτταρικούς πληθυσμούς, σχηματίζοντας συναθροίσεις που ονομάζονται μικροβιακές κοινότητες (Εικόνα 1.5). Αυτές οι κοινότητες αποτελούνται ενίοτε από ανεξάρτητα κύτταρα που κινούνται ελεύθερα σε υδατικά περιβάλλοντα, συχνότερα όμως σχηματίζονται πάνω σε έμβιες ή άβιες επιφάνειες, οπότε λέγονται βιοφίλμ (f Τμήμα 19.3). Η επίδραση των οργανισμών μεταξύ τους και στο ενδιαίτημά τους Οι πληθυσμοί των διαφόρων μικροβιακών κοινοτήτων αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με ποικίλους τρόπους, από τους οποίους άλλοι είναι επιζήμιοι και άλλοι επωφελείς. Σε πολλές περιπτώσεις οι πληθυσμοί αλληλεπιδρούν και συνεργάζονται στην προσπάθειά τους να εξαφαλίσουν τροφή. Για παράδειγμα, τα άχρηστα προϊόντα της μεταβολικής δραστηριότητας ορισμένων κυττάρων αποτελούν θρεπτικά υλικά για κάποια άλλα. Οι οργανισμοί ενός ενδιαιτήματος αλληλεπιδρούν επίσης με το φυσικό και το χημικό τους περιβάλλον. Τα διάφορα ενδιαιτήματα μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς τα χαρακτηριστικά τους και ένα ενδιαίτημα που ευνοεί την αύξηση ενός οργανισμού μπορεί να είναι επιβλαβές για έναν άλλο. Έτσι, η σύσταση μιας μικροβιακής κοινότητας σε δεδομένο περιβάλλον καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του εν λόγω ενδιαιτήματος. Το σύνολο των ζωντανών οργανισμών μαζί με το περιβάλλον στο οποίο ζουν ονομάζεται οικοσύστημα. Κυριότερα μικροβιακά οικοσυστήματα είναι τα υδατικά (ωκεανοί, μικρές ή μεγάλες λίμνες, ρεύματα, θερμές πηγές), τα χερσαία (έδαφος, βράχοι), αλλά και οι ανώτεροι οργανισμοί, ζωικοί ή φυτικοί. Πολλές φορές, οι ιδιότητες ενός οικοσυστήματος ελέγχονται σε μεγάλο βαθμό από τη μικροβιακή δράση. Οι οργανισμοί με μεταβολική δραστηριότητα αφαιρούν διαρκώς από το περιβάλλον θρεπτικές ουσίες για να σχηματίσουν νέα κύτταρα, ενώ ταυτόχρονα αποβάλλουν στο περιβάλλον τα άχρηστα προϊόντα του μεταβολισμού τους. Επομένως, με την πάροδο του χρόνου, ένα μικροβιακό οικοσύστημα μπορεί σταδιακά να αλλάξει, τόσο από χημικής όσο και από φυσικής πλευράς. Ένα καλό παράδειγμα είναι η αέρια μορφή του οξυγόνου. Θα δούμε αργότερα ότι το μοριακό οξυγόνο, Ο 2, αποτελεί ζωτικό θρεπτικό υλικό για ορισμένους μικροοργανισμούς, ενώ για άλλους ισοδυναμεί με δηλητήριο. Ωστόσο, οι οξυγονοκαταναλωτικές δραστηριότη- D. E. Caldwell Jiri Snaidr ( ) ( ) Εικόνα 1.5 Παραδείγματα μικροβιακών κοινοτήτων. (α) Μικροφωτογραφία μικροβιακής κοινότητας που αναπτύσσεται στον βυθό μιας μικρής λίμνης (Λίμνη Wintergeen, Michigan, ΗΠΑ), στην οποία φαίνονται κύτταρα διαφόρων μεγεθών. (β) Κοινότητα βακτηρίων σε δείγμα αστικών αποβλήτων. Το δείγμα έχει χρωσθεί με σειρά διαφορετικών χρωστικών, καθεμιά από τις οποίες χρωματίζει διαφορετική ομάδα βακτηρίων (f Τμήμα 18.4 και Εικόνα 18.11β, για τις λεπτομέρειες της συγκεκριμένης μεθόδου χρώσης). Από R. Amann, J. Snaidr, M. Wagner, W. Ludwig, & K.-H. Schleifer, Journal of Bacteriology 178: Fig. 2b American Society for Microbiology.

12 8 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ τες μιας ομάδας οργανισμών μπορούν να μετατρέψουν ένα οξυγονούχο περιβάλλον σε ανοξικό (δηλαδή χωρίς Ο 2 ), καθιστώντας το έτσι κατάλληλο για την ανάπτυξη άλλων οργανισμών που μέχρι εκείνη τη στιγμή ήταν αδύνατον να αναπτυχθούν στο δεδομένο περιβάλλον. Αφού τα μεμονωμένα μικροβιακά κύτταρα είναι πολύ μικρά για να γίνουν ορατά με γυμνό μάτι, οι όποιες γνώσεις μας για τους μικροοργανισμούς της φύσης έχουν υποχρεωτικά ως αφετηρία το μικροσκόπιο. Η εξέταση φυσικών δειγμάτων, όπως χώματος ή νερού, αποκαλύπτει πάντοτε την ύπαρξη μικροβιακών κυττάρων. Αν και αυτά τα πολύ μικρά μεμονωμένα κύτταρα φαίνονται εκ πρώτης όψεως ασήμαντα, μπορούν εν τούτοις να πολλαπλασιαστούν ταχύτατα και να σχηματίσουν τεράστιους πληθυσμούς, με μεγάλες επιπτώσεις στο συγκεκριμένο ενδιαίτημα. Έτσι, αν και οι μικροοργανισμοί ενδεχομένως φαίνονται λόγω μεγέθους ως ελάσσονα συστατικά της φύσης, τελικά συνιστούν σημαντικότατο τμήμα όλων πρακτικά των οικοσυστημάτων. Στα τελευταία κεφάλαια, αφού μελετήσουμε ορισμένες λεπτομέρειες της δομής, της λειτουργίας, της γενετικής, της εξέλιξης, και της ποικιλότητας των μικροβίων, θα επανέλθουμε στην εξέταση των τρόπων με τους οποίους οι μικροοργανισμοί επηρεάζουν τα ζώα, τα φυτά και ολόκληρο το γήινο οικοσύστημα. Η έκταση της μικροβιακής ζωής Θα υπέθετε κανείς ότι, αφού οι μικροοργανισμοί είναι τόσο μικροί, η βιομάζα τους στη Γη οφείλει να είναι εξίσου μικρή, συγκρινόμενη με τη βιομάζα των ανώτερων οργανισμών. Κάτι τέτοιο όμως δεν φαίνεται να ισχύει. Προσεκτικές εκτιμήσεις της συνολικής ποσότητας μικροβίων στη Γη, ιδιαίτερα δε σε ό,τι αφορά τους προκαρυώτες (τα βακτήρια και τα αρχαία, μικρά απύρηνα κύτταρα για τα οποία θα πούμε πολύ περισσότερα στα επόμενα κεφάλαια), δείχνουν ότι ο αριθμός αυτός είναι της τάξης των κύτταρα. Η συνολική ποσότητα άνθρακα που υπάρχει σε αυτό τον τεράστιο αριθμό πολύ μικρών κυττάρων είναι ίση με την ποσότητα άνθρακα όλων των φυτών στη Γη, ενώ η συνολική περιεκτικότητα σε άζωτο και φωσφόρο στους προκαρυώτες είναι 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του συνόλου τη φυτικής βιομάζας. Επομένως, τα προκαρυωτικά κύτταρα, όσο μικρά κι αν είναι, συνιστούν το μεγαλύτερο τμήμα της συνολικής βιομάζας του πλανήτη, και ως εκ τούτου καθίστανται σημαντικότατες δεξαμενές ουσιωδών θρεπτικών ουσιών της ζωής. Εξίσου απρόσμενη είναι και η ανακάλυψη ότι τα περισσότερα προκαρυωτικά κύτταρα δεν διαβιούν στην επιφάνεια της Γης, αλλά στο υπέδαφος του ωκεάνιου και χερσαίου περιβάλλοντος. Επειδή αυτά τα ενδιαιτήματα είναι σχετικά ανεξερεύνητα, οι μικροβιολόγοι του μέλλοντος θα έχουν πολλά ακόμη να ανακαλύψουν στο πλαίσιο της προσπάθειας του ανθρώπου να κατανοήσει τις μορφές ζωής που κυριαρχούν στη Γη. 1.3 Έλεγχος εννοιών Οι μικροοργανισμοί υπάρχουν στη φύση ως πληθυσμοί που αλληλεπιδρούν με άλλους πληθυσμούς, σε μικροβιακές κοινότητες. Οι δραστηριότητες των μικροβιακών κοινοτήτων μπορούν να επηρεάσουν καθοριστικά τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του ενδιαιτήματός τους. Η μεγαλύτερη ποσότητα βιομάζας στη Γη είναι μικροβιακής προελεύσεως. Τι είναι ένα μικροβιακό ενδιαίτημα; Με ποιον τρόπο μεταβάλλουν τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του ενδιαιτήματός τους οι μικροοργανισμοί; Πού βρίσκονται οι περισσότεροι γήινοι προκαρυώτες; AÛı ÓÂÈ ˆÚÁ ÛÌ ÛË N 2 (N 2 2NH 3 ) AÓ Î ÎψÛË ıúâappleùèîòó Ô ÛÈÒÓ K ÙÙ Ú ÓË NH 3 NO 3 N 2 KÙËÓÔÙÚÔÊ T ÙÔappleÔ ËÛË Ó ˆÓ ÛıÂÓÂÈÒÓ AÓÙÈÌÂÙÒappleÈÛË, ıâú appleâ, Î È appleúfiïë Ë ÚÔÛÙfiÌ Ô H 2 S SO 2 4 S 0 CO 2 + CH 4 + ˆÈÎ appleúˆùâ ÓË BÈÔÙ ÓÔÏÔÁ ÂÓÂÙÈÎ ÙÚÔappleÔappleÔÈËÌ ÓÔÈ ÔÚÁ ÓÈÛÌÔ ( Ú ÁˆÁ Ê ÚÌ ÎˆÓ (ÈÓÛÔ Ï ÓË ( Î È ÏÏ appleúˆùâ Ó ÙÔ ÓıÚÒappleÔ ) ÔÓÈ È Î ıâú appleâ ÔÚÈÛÌ ÓˆÓ ÛıÂÓÂÈÒÓ TÚÔÊ ÓÙ ÚËÛË ÙÚÔÊ (ıâúìfiùëù, ÍË, ÎÙÈÓÔ ÔÏ, ËÌÈÎ Ô Û Â ) TÚfiÊÈÌ applefi ÌÒÛÂÈ ÚfiÛıÂÙ ÙÚÔÊ ÌˆÓ (ÁÏÔ Ù ÌÈÎfi ÌÔÓÔÓ ÙÚÈÔ, ÎÈÙÚÈÎfi ÔÍ, Ì ÁÈ ) EÓ ÚÁÂÈ Î È appleâúè ÏÏÔÓ BÈÔÎ ÛÈÌ (CH 4 ) Z ̈ÛË (K Ï ÌapplefiÎÈ Èı ÓfiÏË) BÈÔ appleôî Ù ÛÙ ÛË (ÎËÏ Â O 2 appleâùúâï Ô CO 2 ) ÔÚÁ ÓÈÎÔ Ú appleôè CO 2 MÈÎÚÔ È Î applefiïë Ë ÌÂÙ ÏÏˆÓ (CuS Cu 2+ Cu 0 ) ÙÔÌÔ Ì ÓfiÛÔ ÈÔÚıˆÌ ÓÔ ÁÂÓÂÙÈÎfi Ú ÎÙËÚÈÛÙÈÎfi Εικόνα 1.6 Η επίδραση των μικροοργανισμών στη ζωή του ανθρώπου. Αν και πολλοί άνθρωποι συνδέουν τους μικροοργανισμούς με τις λοιμώξεις, στην πραγματικότητα λίγοι μικροοργανισμοί είναι πράγματι νοσογόνοι. Οι μικροοργανισμοί, εκτός από τον ρόλο τους στην πρόκληση νόσων, επηρεάζουν ποικίλες πλευρές της ζωής μας. ( (

13 1.4 Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ Η επίδραση των μικροοργανισμών στον άνθρωπο Ένας από τους στόχους του μικροβιολόγου είναι να κατανοήσει το πώς λειτουργούν οι μικροοργανισμοί και, μέσω αυτής της κατανόησης, να επινοήσει τρόπους για να αυξήσει τις επωφελείς και να ελαχιστοποιήσει τις επιβλαβείς συνέπειές τους. Οι μικροβιολόγοι σημείωσαν ιδιαίτερη επιτυχία στην επίτευξη αυτών των στόχων, η δε μικροβιολογία έχει συμβάλει αποφασιστικά στη βελτίωση της δημόσιας υγείας και την αύξηση της ανθρώπινης ευημερίας. Μια επισκόπηση της επίδρασης που ασκούν οι μικροοργανισμοί στη ζωή του ανθρώπου παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.6. Οι μικροοργανισμοί ως νοσογόνοι παράγοντες Ένα μέτρο της επιτυχίας των μικροβιολόγων όσον αφορά τον έλεγχο των μικροοργανισμών φαίνεται από τα στατιστικά στοιχεία της Εικόνας 1.7, στα οποία συγκρίνονται τα σημερινά αίτια θανάτου στις ΗΠΑ σε σχέση με τα αντίστοιχα πριν από 100 χρόνια. Στις αρχές του 20ού αιώνα, κύρια αίτια θανάτου ήταν οι λοιμώξεις (δηλαδή μολυσματικές νόσοι προκαλούμενες από μικροοργανισμούς). Σήμερα οι ίδιες ασθένειες έχουν πολύ μικρότερη σημασία. Ο έλεγχος των λοιμώξεων ήταν αποτέλεσμα της πλήρους κατανόησης των παθολογικών διαδικασιών, της βελτίωσης των συνθηκών υγιεινής, και της ανακάλυψης των αντιμικροβιακών παραγόντων. Όπως θα δούμε παρακάτω σε αυτό το κεφάλαιο, η μικροβιολογία ως επιστήμη άρχισε να αποκτά οντότητα με τις μελέτες αυτών ακριβώς των ασθενειών. Αν και σήμερα ζούμε σε έναν κόσμο όπου πολλοί παθογόνοι μικροοργανισμοί βρίσκονται υπό έλεγχο, για τον άνθρωπο που αργοπεθαίνει από κάποια μικροβιακή μόλυνση ως συνέπεια του συνδρόμου επίκτητης ανοσοανεπάρκειας (AIDS), για τον καρκινοπαθή του οποίου το αμυντικό σύστημα έχει αποδυναμωθεί εξαιτίας των αντικαρκινικών φαρμάκων, ή για όσους μολύνονται από ένα πολυανθεκτικό παθογόνο μικρόβιο, οι μικροοργανισμοί παραμένουν μεγάλη απειλή για τη ζωή τους. Ας μη ξεχνάμε, επιπλέον, ότι οι μικροβιακές ασθένειες εξακολουθούν να είναι τα κυριότερα αίτια θανάτου σε πολλές αναπτυσσόμενες χώρες. Παρά το γεγονός ότι η εξάλειψη της ευλογιάς από τον πλανήτη υπήρξε ένας εντυπωσιακός θρίαμβος της ιατρικής, εκατομμύρια άνθρωποι συνεχίζουν να πεθαίνουν κάθε χρόνο από ασθένειες μικροβιακής φύσεως, όπως π.χ. από ελονοσία, φυματίωση, χολέρα, ασθένεια του ύπνου (στην Αφρική), και διάφορα βαρύτατα διαρροϊκά σύνδρομα. Είναι προφανές ότι οι μικροοργανισμοί εξακολουθούν να αποτελούν σοβαρό κίνδυνο για την υγεία του ανθρώπου. Θα πρέπει πάντως να τονιστεί ότι οι περισσότεροι μικροοργανισμοί δεν είναι επιβλαβείς για τον άνθρωπο, αλλά αντίθετα είναι ωφέλιμοι, εκτελώντας λειτουργίες που έχουν τεράστια αξία για την ανθρώπινη κοινωνία. Παρακάτω θα εξετάσουμε ορισμένες από αυτές. Μικροοργανισμοί και γεωργία Ολόκληρο το σύστημα της γεωργίας εξαρτάται ποικιλοτρόπως από τη μικροβιακή δράση. Ένας μεγάλος αριθμός σημαντικών καλλιεργήσιμων φυτών ανήκουν στη φυτική ομάδα των ψυχανθών. Αυτά ζουν σε στενή σχέ- Ú appleappleë Î È appleóâ ÌÔÓ º Ì Ù ˆÛË ÛÙÚÂÓÙÂÚ ÙÈ K Ú È Î ÓÔÛ Ì Ù EÁÎÂÊ ÏÈÎfi ÂappleÂÈÛfi ÈÔ NÂÊÚÈÎ ÓfiÛÔÈ AÙ Ì Ù K ÚÎ ÓÔ È ÈÎ Ûı ÓÂÈÂ ÈÊıÂÚ ÙÈ K Ú È Î ÓÔÛ Ì Ù K ÚÎ ÓÔ EÁÎÂÊ ÏÈÎfi ÂappleÂÈÛfi ÈÔ ÓÂ ÌÔÓÔapple ıâèâ AÙ Ì Ù Ú appleappleë Î È appleóâ ÌÔÓ È ÙË AIDS A ÙÔÎÙÔÓ Â K ÚÚˆÛË ÙÔ apple ÙÔ AÓıÚˆappleÔÎÙÔÓ Â Ó ÙÔÈ Ó ÙÔÌ Ó ÙÔÈ Ó ÙÔÌ Εικόνα 1.7 Θνησιμότητα από τα 10 κυριότερα αίτια θανάτου στις ΗΠΑ, το 1900 και το Οι λοιμώξεις ήταν η κυριότερη αιτία θανάτου το 1900, ενώ σήμερα έχουν πολύ μικρότερη σημασία. Οι μικροβιακές νόσοι αναπαρίστανται με κόκκινο χρώμα, οι μη μικροβιακές με πράσινο. Τα στοιχεία προέρχονται από το Εθνικό Κέντρο Στατιστικών Υγείας των ΗΠΑ.

14 10 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ση με ειδικά βακτήρια που επάγουν τον σχηματισμό χαρακτηριστικών δομών στις ρίζες των ψυχανθών, τα φυμάτια. Το ατμοσφαιρικό άζωτο (N 2 ) δεσμεύεται στα ριζικά φυμάτια και μετατρέπεται σε αζωτούχες ενώσεις, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το φυτό για τη δική του ανάπτυξη. Έτσι, η δραστηριότητα των βακτηρίων στα ριζικά φυμάτια μειώνει τις ανάγκες για ακριβά βιομηχανικά λιπάσματα. Μεγάλη γεωργική σημασία έχουν και οι μικροοργανισμοί που είναι αναγκαίοι στην πέψη των μηρυκαστικών, π.χ. των βοοειδών και των αιγοπροβάτων. Αυτά τα σημαντικά κτηνοτροφικά ζώα έχουν ένα ειδικό πεπτικό όργανο που λέγεται προστόμαχος, στον οποίο οι πεπτικές λειτουργίες επιτελούνται από μικροοργανισμούς. Χωρίς αυτούς τους μικροοργανισμούς τα βοοειδή και τα αιγοπρόβατα δεν θα μπορούσαν να πέψουν την τροφή τους και ως εκ τούτου δεν θα αρκούνταν στις φτωχές πηγές τροφής, όπως στο γρασίδι και στα άχυρα. Οι μικροοργανισμοί συμμετέχουν επίσης στην ανακύκλωση βασικών θρεπτικών ουσιών των φυτών, ιδιαίτερα των ενώσεων του άνθρακα, του αζώτου και του θείου. Η μικροβιακή δράση σε έδαφος και νερό μετατρέπει αυτά τα στοιχεία σε μορφές που επιτρέπουν την εύκολη πρόσληψή τους από τα φυτά. Εκτός όμως από τις ωφέλειες, οι μικροοργανισμοί μπορεί να έχουν και επιβλαβείς συνέπειες στη γεωργία. Οι ασθένειες των ζώων και των φυτών που οφείλονται σε μικροοργανισμούς έχουν μεγάλες οικονομικές επιπτώσεις. Μικροοργανισμοί και τρόφιμα Τα εδώδιμα γεωργικά προϊόντα και τα ζώα, μετά την παραγωγή και την εκτροφή τους, πρέπει να φθάνουν αναλλοίωτα στους καταναλωτές. Οι μικροοργανισμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία τροφίμων. Σημειώνεται κατ αρχάς ότι η αλλοίωση των τροφίμων συνεπάγεται τεράστιες οικονομικές απώλειες κάθε χρόνο. Η κονσερβοποίηση, η κατάψυξη, και η αποξήρανση των τροφών δεν είναι παρά τρόποι επεξεργασίας των τροφίμων, ώστε αυτά να μην αλλοιώνονται από τη μικροβιακή δράση. Ένα άλλο μεγάλο ζήτημα είναι οι τροφικές μολύνσεις. Επειδή οι κατάλληλες τροφές για τον άνθρωπο είναι ταυτόχρονα κατάλληλες και για την αθρόα ανάπτυξη πολλών μικροοργανισμών, τα τρόφιμα θα πρέπει να υφίστανται κατάλληλη προπαρασκευή και έλεγχο για να μην υπάρχει κίνδυνος μετάδοσης κάποιας ασθένειας. Ωστόσο, δεν έχουν όλοι οι μικροοργανισμοί επιβλαβείς συνέπειες για τα τρόφιμα ή τους καταναλωτές. Για παράδειγμα, μερικά από τα πιο διαδεδομένα τρόφιμα μεγάλης οικονομικής σημασίας, όπως το τυρί, το γιαούρτι, και το βούτυρο, είναι (τουλάχιστον εν μέρει) προϊόντα της μικροβιακής δράσης. Ομοίως, το ξινολάχανο, το τουρσί και μερικά λουκάνικα οφείλουν επίσης την ύπαρξή τους στη δράση μικροβίων. Τα προϊόντα της αρτοποιίας παρασκευάζονται με τη χρήση ζύμης, κάτι που ισχύει και για τα δημοφιλή στην κοινωνία μας αλκοολούχα ποτά. Πολλά από αυτά τα θέματα θα τα ξανασυναντήσουμε στο Κεφάλαιο 30. Mικροοργανισμοί, ενέργεια, και περιβάλλον Παρ όλα αυτά, η μεγαλύτερη σημασία των μικροοργανισμών αφορά ενδεχομένως τον τομέα της ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού αερίου (μεθάνιο) είναι προϊόν των μεθανιογόνων βακτηρίων. Οι φωτοτροφικοί μικροοργανισμοί έχουν τη δυνατότητα να εκμεταλλεύονται τη φωτεινή ενέργεια για την παραγωγή βιομάζας, αποθηκεύοντας έτσι ενέργεια σε ζωντανούς οργανισμούς. Τόσο η μικροβιακή βιομάζα, όσο και τα άχρηστα προϊόντα, όπως τα οικιακά λύματα, οι πλεονάζουσες ποσότητες δημητριακών και τα απόβλητα των ζώων, μπορούν να μετατραπούν μέσω της αποικοδομητικής δράσης των μικροοργανισμών σε «βιοκαύσιμα», όπως είναι το μεθάνιο και η αιθανόλη. Οι μικροοργανισμοί μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον καθαρισμό της ανθρωπογενούς ρύπανσης, μια διαδικασία που λέγεται βιοαποκατάσταση. Σήμερα έχουν απομονωθεί από τη φύση μικροοργανισμοί που μπορούν να καταναλώσουν κηλίδες πετρελαίου, επικίνδυνους διαλύτες, ζιζανιοκτόνα, πλαστικά, και άλλους τοξικούς για το περιβάλλον ρυπαντές, είτε με άμεση δράση στον τόπο της ρύπανσης είτε μεταγενέστερα, αφού πρώτα εισχωρήσουν τα τοξικά υλικά στο έδαφος ή στον υδροφόρο ορίζοντα. Η τεράστια ποικιλία των μικροργανισμών στη Γη παρέχει μια τεράστια δεξαμενή γενετικών λύσεων στην προσπάθεια καθαρισμού του περιβάλλοντος, πεδίο στο οποίο καταβάλλεται σήμερα μεγάλη ερευνητική προσπάθεια. Οι μικροοργανισμοί και το μέλλον Με τη βιοτεχνολογία έχει ξεκινήσει η αξιοποίηση των μικροοργανισμών σε μεγάλης κλίμακας βιομηχανικές διαδικασίες παραγωγής, κυρίως μέσω της χρήσης γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών που έχουν την ικανότητα να συνθέτουν εξειδικευμένα προϊόντα μεγάλης εμπορικής αξίας (f Κεφάλαιο 31). Η βιοτεχνολογία εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τη γενετική μηχανική, το επιστημονικό πεδίο δηλαδή που ασχολείται με τον τεχνητό χειρισμό των γονιδίων και των προϊόντων τους. Τα γονίδια οιουδήποτε οργανισμού μπορούν σήμερα να κοπούν σε τμήματα ή να τροποποιηθούν ποικιλοτρόπως, με τη χρήση μικροοργανισμών και των ενζύμων τους ως μοριακών εργαλείων. Με τις τεχνικές της γενετικής μηχανικής είναι δυνατόν να κατασκευαστούν ακόμη και εντελώς τεχνητά γονίδια. Άπαξ και επιλεγεί ή κατασκευαστεί το επιθυμητό γονίδιο, μπορούμε να το εισαγάγουμε σε έναν μικροοργανισμό, για την έκφραση και την παραγωγή του επιθυμητού γονιδιακού προϊόντος. Η ινσουλίνη του ανθρώπου, για παράδειγμα, μια ορμόνη που υπάρχει σε αφύσικα χαμηλές ποσότητες στο πλάσμα ορισμένων

15 1.5 ΟΙ ΙΣΤΟΡΙΚΕΣ ΡΙΖΕΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ 11 διαβητικών ασθενών, μπορεί να παραχθεί μικροβιολογικά από μικροοργανισμούς στους οποίους έχει εισαχθεί γενετικά το γονίδιο της ανθρώπινης αιμοσφαιρίνης. Η γενετική μηχανική και η βιοτεχνολογία θα μελετηθούν αναλυτικότερα στο Κεφάλαιο 31. Η τεράστια επίδραση των μικροοργανισμών στην ανθρώπινη κοινωνία είναι προφανής. Πράγματι, έχουμε πολλούς λόγους να θέλουμε να μάθουμε όσο το δυνατόν περισσότερα για τους μικροοργανισμούς και τις δραστηριότητές τους (Εικόνα 1.6). Όπως το έθεσε ο επιφανής Γάλλος επιστήμονας Louis Pasteur, ένας από τους θεμελιωτές της μικροβιολογίας, η σημασία του απείρως μικρού στη φύση είναι απείρως μεγάλη. Πριν αρχίσουμε τη μελέτη της μικροβιολογίας, θα αποτίσουμε έναν σύντομο φόρο τιμής στον Pasteur και στους άλλους πρωτοπόρους μικροβιολόγους, που με το έργο τους συνέβαλαν στη γέννηση της επιστήμης αυτής. 1.4 Έλεγχος εννοιών Οι μικροοργανισμοί μπορεί να είναι είτε επωφελείς είτε επιβλαβείς για τον άνθρωπο. Αν και συνήθως δίνεται περισσότερη έμφαση στους επιβλαβείς μικροοργανισμούς που δρουν ως παράγοντες μολυσματικών νόσων, οι περισσότεροι μικροοργανισμοί στη φύση είναι μάλλον ωφέλιμοι. Με ποιους τρόπους είναι οι μικροοργανισμοί σημαντικοί για τη γεωργία και τη βιομηχανία τροφίμων; Ποια καύσιμα παράγονται από μικροοργανισμούς; Τι είναι η βιοτεχνολογία και πώς μπορεί να βελτιώσει τη ζωή των ανθρώπων; ( ) IΙ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙ- ΚΩΝ ΑΝΑΚΑΛΥΨΕΩΝ Όπως και κάθε άλλη επιστήμη, η σύγχρονη μικροβιολογία οφείλει πολλά στο παρελθόν της. Αν και θα μπορούσε κανείς να επικαλεστεί ότι υπάρχουν παλαιότερες ρίζες, στην πραγματικότητα η επιστήμη της μικροβιολογίας άρχισε να αναπτύσσεται μόλις τον 19ο αιώνα. Έκτοτε, το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο γνώρισε εκρηκτική ανάπτυξη, γονιμοποιώντας παράλληλα αρκετά άλλα νέα συγγενικά πεδία. Στις επόμενες σελίδες θα ανατρέξουμε στις απαρχές των μικροβιολογικών ανακαλύψεων. 1.5 Οι ιστορικές ρίζες της μικροβιολογίας Υποψίες για την ύπαρξη οντοτήτων τόσο μικρών ώστε να μη γίνονται ορατές με γυμνό μάτι υπήρχαν από παλιά. Η ανακάλυψη των οντοτήτων αυτών όμως συνδέθηκε με την εφεύρεση του μικροσκοπίου. Ο Robert Hook περιέγραψε τα καρποσώματα της μούχλας το 1664 (Εικόνα 1.8), αλλά ο πρώτος άνθρωπος που παρατήρησε μι- ( ) Εικόνα 1.8 (α) Το μικροσκόπιο που χρησιμοποίησε ο Robert Hooke. Ο αντικειμενικός φακός προσαρμόζεται στο άκρο του ρυθμιζόμενου φυσητήρα (G), ενώ ο φωτισμός εστιάζεται στο παρασκεύασμα με έναν μόνο φακό (Ι). (β) Σχέδιο του Robert Hooke που αντιπροσωπεύει την πρώτη περιγραφή μικροοργανισμών με μικροσκόπιο. Πρόκειται για έναν κυανόχρωμο μύκητα (μούχλα) που αναπτύσσεται στην επιφάνεια δερμάτων οι σφαιρικές δομές περιέχουν τα σπόρια του μύκητα.

16 12 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ κροοργανισμούς σχετικά λεπτομερώς ήταν ο Ολλανδός Antoni van Leeuwenhoek, το 1684, ένας ερασιτέχνης κατασκευαστής μικροσκοπίων, που χρησιμοποίησε εξαιρετικά απλά μικροσκόπια δικής του κατασκευής ( ) ( ) T. D. Brock (Εικόνα 1.9α). Τα μικροσκόπια του Leeuwenhoek ήταν πολύ άτεχνα σε σύγκριση με τα σημερινά, αλλά με προσεκτικό χειρισμό και εστίαση ο Leeuwenhoek μπόρεσε να δει μικροοργανισμούς μεγέθους βακτηρίων. Ανέφερε αυτές τις παρατηρήσεις του με μια σειρά επιστολών στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, η οποία και τα δημοσίευσε το 1694 σε αγγλική μετάφραση. Σχέδια αυτών που ο Leeuwenhoek ονόμαζε απειροελάχιστα ζωομόρια αναπαρίστανται στην Εικόνα 1.9β. Οι παρατηρήσεις του επιβεβαιώθηκαν και από άλλους ερευνητές, αλλά πραγματική πρόοδος στην κατανόηση της φύσης και της σημασίας αυτών των μικρότατων οργανισμών δεν σημειώθηκε παρά αρκετά αργότερα. Χρειάστηκε να έλθει ο 19ος αιώνας, όταν τα μικροσκόπια βελτιώθηκαν σημαντικά και άρχισαν να διατίθενται στο εμπόριο, για να αρχίσουν να γίνονται αντιληπτά το εύρος και η φύση των μικροβιακών μορφών ζωής. Ο Ferdinand Cohn και η επιστήμη της βακτηριολογίας Η μικροβιολογία μπόρεσε να εξελιχθεί σε επιστήμη μόνο μετά τη βελτίωση των μικροσκοπίων (που επέτρεψε την αναλυτικότερη παρατήρηση των βακτηριακών κυττάρων) και την ανάπτυξη των βασικών εργαστηριακών τεχνικών που απαιτούνται για τη μελέτη των μικροοργανισμών. Η ανάπτυξη αυτών των ουσιαστικής σημασίας εργαστηριακών τεχνικών οφείλεται σε δύο σύνθετες βιολογικές διαμάχες που ξέσπασαν τον 19ο αιώνα. Η πρώτη αφορούσε το ζήτημα της αυθόρμητης γένεσης. Το ερώτημα του αν υπάρχει δυνατότητα να προκύψουν ζωντανοί οργανισμοί από μη ζωντανή ύλη απασχολούσε επί αιώνες πολλούς σοβαρούς στοχαστές. Η δεύτερη διαμάχη αφορούσε τη φύση των μολυσματικών νόσων. Ήταν γνωστό από παλιά ότι ορισμένες ασθένειες μπορούν να μεταδοθούν από ένα άτομο σε άλλα, αλλά ο μηχανισμός της μετάδοσης ήταν άγνωστος. Αν και οι απαντήσεις σε αυτά τα θέματα συνδέεονται αντίστοιχα με τα ονόματα των Louis Pasteur και Robert Koch, η θεμελίωση της βακτηριολογίας (μελέτης των βακτηρίων) και η μεγάλη ώθηση στην εκκολαπτόμενη τότε μικροβιολογία πρέπει να πιστωθεί στον Γερμανό βοτανολόγο Ferdinand Cohn ( ), σύγχρονο των Pasteur και Koch. Ο Cohn γεννήθηκε το 1828 στη σημερινή πόλη Wroclaw της Πολωνίας. Σπούδασε βοτανολογία και γύ- (Á) Brian J. Ford Εικόνα 1.9 (α) Φωτογραφία ενός αντιγράφου του μικροσκοπίου του Leeuwenhoek. Ο φακός προσαρμόζεται στο μπρούτζινο εξάρτημα δίπλα στο άκρο του ρυθμιζόμενου κοχλία εστίασης. (β) Σχέδια βακτηρίων από τον Leeuwenhoek, δημοσιευμένα το Ακόμη και σε αυτά τα άτεχνα σκίτσα αναγνωρίζονται διάφοροι μορφολογικοί τύποι κοινών βακτηρίων. Τα A, C, F, και G είναι ραβδόμορφα, το Ε σφαιρικό ή κοκκώδες, και τα Η κοκκοειδείς στιβάδες (f Εικόνα 4.11). (γ) Μικροφωτογραφία από επίχρισμα ανθρώπινου αίματος, όπως φαίνεται με το μικροσκόπιο του van Leeuwenhoek. Διακρίνονται με σαφήνεια τα ερυθρά αιμοσφαίρια.

17 1.5 ΟΙ ΙΣΤΟΡΙΚΕΣ ΡΙΖΕΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ 13 Εικόνα 1.10 Σχέδιο του Ferdinand Cohn (1866) για το νηματοειδές θειοοξειδωτικό βακτήριο Beggiatoa mirabilis. Τα μικρά κοκκία στο εσωτερικό του κυττάρου αποτελούνται από θείο σε στοιχειακή μορφή, που παράγεται από την οξείδωση του υδροθείου (H 2 S). Ο Cohn ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το θείο ως συστατικό αυτών των κοκκίων. ρω στο 1850 άρχισε να ενδιαφέρεται έντονα για τη μικροσκοπία, προκειμένου να μελετήσει την αύξηση και διαίρεση των φυτικών κυττάρων. Για καλή του τύχη είχε στη διάθεσή του τα καλύτερα μικροσκόπια της εποχής. Το ενδιαφέρον του για τη μικροσκοπία τον οδήγησε αναπόφευκτα στη μελέτη των μονοκύτταρων φυτών, δηλαδή των φυκών, και αργότερα στα κυανοβακτήρια, εκείνες τις φωτοσυνθετικές μορφές ζωής που σήμερα κατατάσσονται στα βακτήρια. Ο Cohn πίστευε ότι όλα τα βακτήρια, ακόμη και αυτά που δεν διέθεταν φωτοσυνθετικές χρωστικές, ήταν μέλη του φυτικού βασιλείου. Οι μικροσκοπικές του έρευνες σταδιακά απομακρύνθηκαν από τα φυτά και τα φύκη προς μια ποικιλία βακτηρίων, μεταξύ των οποίων ήταν και τα μεγάλα θειοβακτήρια Beggiatoa (Εικόνα 1.10). Ο Cohn εστίασε την προσοχή του στις θερμοανθεκτικές μορφές των βακτηρίων και ανακάλυψε το γένος Bacillus, καθώς και τη διαδικασία σχηματισμού σπορίων. Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα βακτηριακά ενδοσπόρια είναι δομές με εκπληκτική αντοχή στη θερμότητα, μεγαλύτερη από εκείνη οιουδήποτε γνωστού μικροβιακού κυττάρου, με την εξαίρεση ορισμένων ειδών που παρουσιάζουν βέλτιστη αύξηση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Ο Cohn περιέγραψε ολόκληρο τον κύκλο ζωής του γένους Bacillus (βλαστικό κύτταρο ενδοσπόριο βλαστικό κύτταροø f Tμήμα 4.15), ανακαλύπτοντας ταυτόχρονα ότι ο βρασμός θανατώνει μόνο τα βλαστικά κύτταρα, όχι και τα ενδοσπόρια. Πράγματι, τα ευρήματα του Cohn βοήθησαν στο να δοθεί εξήγηση στις παρατηρήσεις προγενέστερων επιστημόνων, όπως του John Tyndall, που είχε διαπιστώσει ότι ο βρασμός ήταν συχνά αποτελεσματικός ως τεχνική αποστείρωσης, αλλά όχι πάντοτε. Ο Cohn συνέχισε τις εργασίες του στα βακτήρια μέχρι τη συνταξιοδότησή του, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη της μικροβιολογίας με πολλούς τρόπους, στους οποίους ανήκε η θεμελίωση της πρώτης βακτηριακής ταξινόμησης και η ίδρυση ενός σημαντικού επιστημονικού περιοδικού. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο Cohn υπήρξε ισχυρός υποστηρικτής των μεθόδων του πρωτοπόρου μικροβιολόγου Robert Koch. Στον Cohn πιστώνονται επίσης η χρήση μερικών απλών μεν, αλλά ιδιαίτερα αποτελεσματικών τεχνικών με τις οποίες αποφεύγεται η μόλυνση των αποστειρωμένων καλλιεργητικών μέσων, όπως είναι η χρήση τολυπών βάμβακος για τον επιπωματισμό φιαλών και σωλήνων. Οι ίδιες μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν αργότερα και από τον Koch, επιτρέποντάς του να σημειώσει γρήγορες προόδους στην απομόνωση και στον χαρακτηρισμό διαφόρων παθογόνων βακτηρίων (βλ. παρακάτω, σε αυτό το Τμήμα). Ο Pasteur και η κατάρριψη της αυθόρμητης γένεσης Τον 19ο αιώνα, η διαμάχη σχετικά με τη αυθόρμητη γένεση έλαβε εκρηκτικές διαστάσεις. Η βασική ιδέα της αυθόρμητης γένεσης είναι απλή. Αν αφήσουμε κάποια τροφή έκθετη στον αέρα, μετά από λίγο χρόνο αυτή αποσυντίθεται. Εξετάζοντας μικροσκοπικά το υλικό της αποσύνθεσης, διαπιστώνεται ότι αυτό βρίθει βακτηρίων. Από πού προέρχονται όλα αυτά τα βακτήρια, αφού δεν υπήρχαν στη νωπή τροφή; Ορισμένοι υποστήριζαν ότι αναπτύσσονται από σπόρια ή σπέρματα που εισήλθαν στην τροφή από τον αέρα, ενώ άλλοι έλεγαν ότι προέκυπταν αυθόρμητα από τα μη ζωντανά υλικά της τροφής. Κυριότερος αντίπαλος της ιδέας της αυθόρμητης γένεσης ήταν ο Γάλλος χημικός Louis Pasteur ( ), του οποίου η εργασία σχετικά με το ζήτημα αυτό ήταν η πιο σαφής και πειστική. Πρώτος ο Pasteur έδειξε ότι οι δομές που υπήρχαν στον αέρα εμοιαζαν πάρα πολύ με τους μικροοργανισμούς που αναπτύσσονταν στα αποσυντιθέμενα υλικά. Βρήκε ότι στον κοινό ατμοσφαιρικό αέρα υπάρχει συνεχώς μια ποικιλία μικροβιακών κυττάρων τα οποία δεν ήταν δυνατόν να διακριθούν από τους οργανισμούς που έβρισκε, σε πολύ μεγαλύτερους αριθμούς, στα σηπώμενα υλικά. Ο Pasteur συμπέρανε ότι οι οργανισμοί στα υλικά αυτά προέρχονται από τους μικροοργανισμούς που υπάρχουν στον αέρα. Υποστήριξε, μάλιστα, ότι αυτά τα μικροβιακά κύτταρα εναποτίθενται διαρκώς πάνω σε όλα τα αντικείμενα. Προεκτείνοντας αυτή την υπόθεση, ο Pasteur συμπέρανε ακόμη ότι, αν η τροφή υποστεί κατάλληλη κατεργασία που καταστρέφει τους ζωντανούς μικροοργανισμούς με τους οποίους είναι μολυσμένη, τότε δεν θα πρέπει πια να αποσυντίθεται. Δεδομένου ότι είχε ήδη αποδειχθεί πως οι ζωντανοί μικροοργανισμοί καταστρέφονται αποτελεσματικά με τη θέρμανση, ο Pasteur τη χρησιμοποίησε για να κα-

18 14 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ MEDIA TUTORIAL Historical Roots of Microbiology ( ) MË appleôûùâèúˆì ÓÔ ÁÚfi ÂÈÛ ÁÂÙ È ÛÙË ÊÈ ÏË ÎfiÓË Î È ÌÈÎÚÔÔÚÁ ÓÈÛÌÔ apple ÁÈ Â ÔÓÙ È ÛÙËÓ Î Ìapple ( ) TÔ ÁÚfi ÂÙ È ÚÁ (Á) H ÊÈ ÏË Á ÚÓÂÈ ÙÛÈ ÒÛÙ ÙÔ appleôûùâèúˆì ÓÔ ÁÚfi Ó ÏıÂÈ Û Âapple Ê Ì ÙÔ ÌÈÎÚÔÔÚÁ ÓÈÛÌÔ TÔ ÛÙfiÌÈÔ ÙË ÊÈ ÏË appleôûùâèúòóâù È ÛÙË ÊˆÙÈ O Ú ÂÍ Ó ÁÎ ÂÙ È Ó È Ê ÁÂÈ applefi ÙÔ ÓÔÈÎÙfi ÎÚÔ ÙÔ ÛÙÔÌ Ô MÂÁ ÏÔ ÚÔÓÈÎfi È ÛÙËÌ MÈÎÚfi ÚÔÓÈÎfi È ÛÙËÌ TÔ ÁÚfi ÙË ÊÈ ÏË appleôûùâèúòóâù È Ì ı ÚÌ ÓÛË AÓÔÈÎÙfi ÎÚÔ TÔ ÁÚfi apple Ú Ì ÓÂÈ appleôûùâèúˆì ÓÔ ÁÈ appleôïï ÚfiÓÈ ÙÔ ÁÚfi Ó appleù ÛÛÔÓÙ È ÌÈÎÚÔÔÚÁ ÓÈÛÌÔ Εικόνα 1.11 Το πείραμα του Pasteur με τη φιάλη που είχε κεκαμμένο στόμιο. (α) Αποστείρωση του περιεχομένου της φιάλης. (β) Αν η φιάλη παραμείνει σε όρθια θέση, δεν εμφανίζεται μικροβιακή αύξηση. (γ) Αν οι παγιδευμένοι μικροοργανισμοί από τον κεκαμμένο σωλήνα φθάσουν στο αποστειρωμένο υγρό, τότε παρατηρείται ανάπτυξη μικροβίων. ταστρέψει τους μολυσματικούς παράγοντες. Άλλοι ερευνητές εκείνης της εποχής είχαν ήδη δείξει πως όταν ένα θρεπτικό υλικό σφραγιζόταν σε γυάλινη φιάλη και θερμαινόταν μέχρι βρασμού, τότε δεν μπορούσε πλέον να υποστηρίξει την ανάπτυξη μικροβίων. Οι υποστηρικτές της αυθόρμητης γένεσης ασκούσαν κριτική σε αυτά τα πειράματα, λέγοντας ότι για την αυθόρμητη γένεση απαιτείται φρέσκος αέρας και ότι ο βρασμός αλλοίωνε τον αέρα της φιάλης κατά τρόπο που δεν επέτρεπε πλέον την αυθόρμητη γένεση. Ο Pasteur παρέκαμψε αυτές τις αντιρρήσεις με απλό, αλλά εξαιρετικά ευφυή τρόπο, κατασκευάζοντας μια φιάλη με κεκαμμένο στόμιο, η οποία σήμερα ονομάζεται φιάλη Pasteur (Εικόνα 1.11). Με τη θέρμανση μιας τέτοιας φιάλης επιτυγχάνεται η αποστείρωση του διαλύματος των θρεπτικών υλικώνø με την επιστροφή του διαλύματος στην αρχική θερμοκρασία, ο αέρας μπορεί μεν να εισέλθει μέσα στο στόμιο, αλλά η καμπή στο στόμιο παγιδεύει την σωματιδιακή ύλη μέσω της οποίας μεταφέρονται τα βακτήρια και οι άλλοι μικροοργανισμοί, εμποδίζοντάς την να εισέλθει στο κυρίως σώμα της φιάλης. Ζωμός αποστειρωμένος σε μια τέτοια φιάλη δεν σήπεται, ούτε αναπτύσσονται σε αυτόν μικροοργανισμοί, τουλάχιστον για όσο διάστημα το αποστειρωμένο υγρό δεν έρχεται σε επαφή με το στόμιο της φιάλης. Αν όμως, η φιάλη γύρει κατά τρόπο ώστε το αποστειρωμένο περιεχόμενο να έλθει σε επαφή με το στόμιο της φιάλης, τότε το διάλυμα μολύνεται και σύντομα γεμίζει από μικροοργανισμούς. Έτσι, με αυτό το απλό πείραμα, τέθηκε οριστικά τέλος στη διαμάχη σχετικά με τη θεωρία της αυθόρμητης γένεσης. Σήμερα, η διαδικασία θανάτωσης όλων των βακτηρίων ή άλλων μικροοργανισμών στο εσωτερικό ή στην επιφάνεια αντικειμένων ονομάζεται αποστείρωση, οι δε τεχνικές τις οποίες χρησιμοποίησαν οι Pasteur, Cohn και άλλοι, σταδιακά βελτιώθηκαν και υιοθετήθηκαν από τη μικροβιολογική έρευνα. Η κατάρριψη της θεωρίας της αυθόρμητης γένεσης οδήγησε τελικά στην ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνικών αποστείρωσης, χωρίς τις οποίες η μικροβιολογία ως επιστήμη θα ήταν αδύνατον να εξελιχθεί. Στον Pasteur οφείλει επίσης πολλά η χημεία τροφίμων, καθώς πολλές από τις μεθόδους του εφαρμόσθηκαν στις διαδικασίες της κονσερβοποίησης και της συντήρησης πολλών ειδών διατροφής. Ο Pasteur προχώρησε και σε άλλα μικροβιολογικά και ιατρικά επιτεύγματα, ιδιαίτερα μάλιστα κατά την πολύ παραγωγική δεκαετία Κορυφαία ανάμεσά τους ήταν η ανάπτυξη εμβολίων κατά του άνθρακα, της λύσσας, και της χολέρας των πουλερικών. Αυτά τα μεγάλα επιτεύγματα στην ιατρική και την κτηνιατρική δεν ήταν μόνο αυτά καθαυτά σπουδαία, αλλά βοήθησαν στην εδραίωση της μικροβιακής θεωρίας για τις ασθένειες, τις αρχές της οποίας ανέπτυσσε ένας σύγχρονος του Pasteur, ο Robert Koch. Ο Koch και η μικροβιακή θεωρία για τις ασθένειες Την αποφασιστικότερη ώθηση στην ανάπτυξη της μικροβιολογίας ως επιστήμης έδωσε η απόδειξη ότι οι μικροοργανισμοί προξενούν ασθένειες. Ήδη από τον 16ο αιώνα είχε γεννηθεί η σκέψη ότι υπάρχει κάτι που μεταδίδεται από τους ασθενείς στους υγιείς και έχει τη δυνατότητα να επάγει την εμφάνιση μιας ασθένειας. Πολλές ασθένειες έμοιαζαν να μεταδίδονται μέσα στον ίδιο τον πληθυσμό, και γι αυτό ονομάστηκαν μεταδοτικές, ενώ ο άγνωστος παράγοντας που ήταν υπεύθυνος για τη μετάδοση ονομάστηκε μολυσμάτιο (contagion).

19 1.5 ΟΙ ΙΣΤΟΡΙΚΕΣ ΡΙΖΕΣ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ 15 Μετά την ανακάλυψη των μικροοργανισμών επικράτησε ευρέως η πεποίθηση ότι οι μολυσματικές ασθένειες πρέπει να οφείλονται σε μικροοργανισμούς, έλειπαν όμως οι αποδείξεις. Οι ανακαλύψεις στον τομέα της υγιεινής από τους Ignaz Semmelweis και Joseph Lister παρείχαν μεν έμμεσες αποδείξεις για τη συμμετοχή των μικροοργανισμών στην πρόκληση ανθρωπονόσων, αλλά χρειάστηκαν οι έρευνες ενός εκπαιδευόμενου γιατρού, του Robert Koch ( ), για να διατυπωθεί με σαφήνεια και να θεμελιωθεί πειραματικά η μικροβιακή θεωρία για τις ασθένειες. Στις πρώιμες μελέτες του, ο Koch μελέτησε τον άνθρακα, μια ασθένεια των βοοειδών που εμφανίζεται περιστασιακά και στον άνθρωπο. Ο άνθρακας προκαλείται από ένα σχετικά μεγάλου μεγέθους σποριογονικό βακτήριο που λέγεται Bacillus anthracis, το οποίο βρίθει στο αίμα των άρρωστων ζώων. Ο Koch, με προσεκτική μικροσκοπική παρατήρηση, διαπίστωσε ότι τα εν λόγω βακτήρια απαντούν πάντοτε στο αίμα των ζώων που πέθαιναν από την ασθένεια. Ωστόσο, η παρουσία του βακτηρίου δεν απεδείκνυε ότι η ασθένεια όντως προκαλείται από αυτόø θα μπορούσε κάλλιστα να πρόκειται για αποτέλεσμα της ασθένειας. Έτσι, ο Koch έδειξε αρχικά ότι είναι δυνατόν, παίρνοντας μικρή ποσότητα αίματος από ένα άρρωστο ποντίκι (το ζώο που χρησιμοποιούσε ως πειραματόζωο) και εγχύοντάς την σε ένα άλλο ποντίκι, να προκαλέσει την ίδια ασθένεια και στο δεύτερο ζώο, το οποίο εν συνεχεία επίσης πέθαινε. Παίρνοντας στη συνέχεια αίμα από το δεύτερο ζώο και εγχύοντάς το σε ένα άλλο, προκαλούσε πάλι τα χαρακτηριστικά συμπτώματα της ασθένειας. Επαναλαμβάνοντας τέτοιου είδους πειράματα και αξιοποιώντας το μικροσκόπιο, ο Koch έδειξε ότι το αίμα των άρρωστων ζώων περιείχε υψηλές συγκεντρώσεις της σποριογονικής μορφής του βακτηρίου. Ο Koch, μάλιστα, προχώρησε αυτά τα πειράματα ακόμη παραπέρα. Βρήκε ότι μπορούσε να καλλιεργήσει τα βακτήρια σε υγρά θρεπτικά υλικά, εκτός του σώματος του ζώου, και ότι ακόμη και ύστερα από επανειλημμένες μεταφορές σε καλλιέργειες, το βακτήριο εξακολουθούσε να προκαλεί την ασθένεια όταν γινόταν έγχυσή του σε ζώα. Επιπλέον, τόσο τα βακτήρια από τα άρρωστα ζώα, όσο και τα βακτήρια από την καλλιέργεια προκαλούσαν τα ίδια παθολογικά συμπτώματα όταν διοχετεύονταν σε υγιή ποντίκια. Με βάση αυτά και άλλα πειράματα, ο Koch διατύπωσε τα ακόλουθα κριτήρια, γνωστά σήμερα ως αξιώματα του Koch, που είναι απαραίτητο να ισχύουν αν θέλουμε να αποδείξουμε ότι μια συγκεκριμένη ασθένεια προκαλείται από συγκεκριμένο είδος μικροοργανισμού: Τα αξιώματα του Koch 1. Ο μικροοργανισμός πρέπει να ανιχνεύεται πάντοτε σε όλα τα ζώα που υποφέρουν από τη νόσο, ενώ δεν πρέπει να ανιχνεύεται στα υγιή άτομα. 2. Ο μικροοργανισμός πρέπει να μπορεί να καλλιεργηθεί σε αμιγή καλλιέργεια εκτός του σώματος του ζώου. 3. Όταν μια τέτοια καλλιέργεια του οργανισμού ενοφθαλμιστεί σε επιδεκτικά ζώα, τότε θα πρέπει να προκαλεί την εμφάνιση των χαρακτηριστικών συμπτωμάτων της ασθένειας. 4. Ο μικροοργανισμός θα πρέπει να απομονώνεται εκ νέου από το δεύτερο πειραματόζωο, να καλλιεργείται ξανά στο εργαστήριο και μετά από αυτό να εξακολουθεί να είναι όμοιος με τον αρχικό οργανισμό. Τα αξιώματα του Koch συνοψίζονται στην Εικόνα Τα αξιώματα αυτά δεν αποτέλεσαν απλώς μια μέθοδο για να αποδεικνύεται η πρόκληση συγκεκριμένων ασθενειών από συγκεκριμένους μικροοργανισμούς, αλλά λειτούργησαν καταλυτικά για την ανάπτυξη της επιστήμης της μικροβιολογίας, καταδεικνύοντας τη σημασία της εργαστηριακής καλλιέργειας. Καθοδηγούμενοι από τα αξιώματα του Koch, οι κατοπινοί ερευνητές ανακάλυψαν τις αιτίες πολλών σημαντικών ασθενειών του ανθρώπου και των ζώων. Με τη σειρά τους, αυτές οι ανακαλύψεις οδήγησαν στην αποτελεσματική πρόληψη και θεραπεία πολλών λοιμώξεων, βελτιώνοντας σημαντικά την επιστημονική βάση της κλινικής ιατρικής. Ο Koch και οι αμιγείς καλλιέργειες Προκειμένου να συνδεθεί μια συγκεκριμένη διαδικασία, π.χ. μια ασθένεια, με έναν συγκεκριμένο μικροοργανισμό, θα πρέπει πρώτα ο οργανισμός να απομονωθεί σε καλλιέργεια, με άλλα λόγια θα πρέπει η καλλιέργεια αυτή να είναι αμιγής. Ο Koch υιοθέτησε αυτή τη θεώρηση όχι μόνο κατά τη διατύπωση των περίφημων αξιωμάτων του (Εικόνα 1.12), αλλά και κατόπιν, αναπτύσσοντας διάφορες ευφυείς μεθόδους για να λαμβάνει βακτήρια σε αμιγείς καλλιέργειες (βλ. ένθετο Στερεά μέσα καλλιέργειας, τρυβλίο Petri, και αμιγείς καλλιέργειες). Ο Koch ξεκίνησε με άγαρμπο τρόπο, χρησιμοποιώντας στερεά θρεπτικά μέσα για την καλλιέργεια των βακτηρίων (π.χ. φέτες πατάτας), αλλά γρήγορα ανέπτυξε πιο αξιόπιστες μεθόδους, πολλές από τις οποίες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται και σήμερα. Παρατήρησε πως όταν επωαζόταν στον αέρα μια στερεή θρεπτική επιφάνεια όπως η φέτα της πατάτας, αναπτύσσονταν βακτηριακές αποικίες, καθεμιά από τις οποίες είχε ιδιαίτερο σχήμα και χρώμα. Συμπέρανε, λοιπόν, ότι κάθε τέτοια αποικία θα πρέπει να προέρχεται από ένα και μόνο βακτηριακό κύτταρο το οποίο φθάνοντας στην επιφάνεια της φέτας έβρισκε κατάλληλα θρεπτικά υλικά για να πολλαπλασιαστείø επομένως, κάθε τέτοια αποικία αναπαριστούσε μια αμιγή καλλιέργεια. Ο Koch συνειδητοποίησε ότι αυτή η ανακάλυψη προσέφερε έναν απλό τρόπο λήψης αμιγών καλλιεργειών. Ωστόσο, αφού δεν μπορούσαν όλοι οι οργανισμοί να αναπτυχθούν στη φέτα της πατάτας, ο Koch χρειάστηκε να

20 16 Kεφάλαιο 1 ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ TA A IøMATA TOY KOCH: ZÒÔ appleô ÓÔÛÂ YÁÈ ÒÔ 1. O appleôappleùô apple ıôáfióô ÌÈÎÚÔÔÚÁ ÓÈÛÌfi appleú appleâè Ó apple Ú ÂÈ ÛÂ Î ıâ ÚÚˆÛÙÔ ÒÔ, ÏÏ Ó appleô ÛÈ ÂÈ applefi Ù ÁÈ Ò. EÚ ıúfi ÈÌÔÛÊ ÚÈÔ Ú Ù ÚËÛË ÙÔ Ì ÙÔ ÙÔ ÈÛÙÔ ÛÙÔ ÌÈÎÚÔÛÎfiappleÈÔ appleôappleùô apple ıôáfióô ÔÚÁ ÓÈÛÌfi EÚ ıúfi ÈÌÔÛÊ ÚÈÔ 2. O appleôappleùô ÔÚÁ ÓÈÛÌfi appleú appleâè Ó ÌappleÔÚÂ Ó appleôìôóˆıâ Î È ÂÓ Û ÓÂ Â Ó Ó appleù ıâ ÛÂ ÌÈÁ Î ÏÏÈ ÚÁÂÈ. Eapple ÛÙÚˆÛË ÂÈÁÌ ÙˆÓ applefi ÙÔ ÓÔÛÔ Ó ÙÔ ÁÈ ÒÔ ÛÂ ÙÚ Ï ÌÂ Á Ú ÂÓ apple Ú ÙËÚÔ ÓÙ È ÔÚÁ ÓÈÛÌÔ AappleÔÈÎ Â appleôappleùô apple ıôáfióô EÓÔÊı ÏÌÈÛÌfi Î ÙÙ ÚˆÓ ÙÔ appleôappleùô apple ıôáfióô ÛÂ ÁÈ ÒÔ 3. K ÙÙ Ú applefi ÙËÓ ÌÈÁ Î ÏÏÈ ÚÁÂÈ ÙÔ appleôappleùô ÔÚÁ ÓÈÛÌÔ appleú appleâè Ó appleúôî ÏÔ Ó ÙËÓ Ûı ÓÂÈ ÛÂ ÁÈ Ò. ZÒÔ appleô ÓÔÛÂ Ë Â ÁÌ ÙÔ applefi ÙÔ Ì ÙÔÓ ÓÔÛÔ ÓÙ ÈÛÙfi Î È apple Ú Ù ÚËÛË ÛÙÔ ÌÈÎÚÔÛÎfiappleÈÔ 4. O ÔÚÁ ÓÈÛÌfi appleú appleâè Ó appleôìôóòóâù È ÂÎ Ó Ô Î È Ó appleô ÂÈÎÓ ÂÙ È fiùè Â Ó È fiìôèô ÌÂ ÙÔÓ Ú ÈÎfi. appleôappleùô apple ıôáfióô EÚÁ ÛÙËÚÈ Î Î ÏÏÈ ÚÁÂÈ AÌÈÁ Î ÏÏÈ ÚÁÂÈ (appleú appleâè Ó Â Ó È Ô ÈÔ ÔÚÁ ÓÈÛÌfi ÌÂ ÙÔÓ appleúôëáô ÌÂÓÔ) Εικόνα 1.12 Τα αξιώματα του Koch για να αποδειχθεί ότι δεδομένη ασθένεια προκαλείται από δεδομένο μικροοργανισμό. Παρατηρήστε ότι δεν αρκεί να απομονωθεί ο ύποπτος παθογόνος μικροοργανισμός σε αμιγή καλλιέργεια. Πρέπει επίσης να αποδειχθεί ότι εργαστηριακή καλλιέργεια του συγκεκριμένου μικροοργανισμού θα πρέπει να προκαλεί την ασθένεια, αλλά και να απομονώνεται εν συνεχεία από το ζώο που νοσεί. Ο προσδιορισμός των κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης του παθογόνου μικροοργανισμού είναι επομένως σημαντικότατος, αφού διαφορετικά μπορεί αυτός να περάσει απαρατήρητος. φτιάξει άλλα, περισσότερο ομοιογενή θρεπτικά διαλύματα καθορισμένης σύνθεσης που μπορούσαν να παρασκευαστούν επακριβώς κατ επανάληψη. Αυτά τα διαλύματα αρχικά τα στερεοποιούσε με ζελατίνη και αργότερα με άγαρ (βλ. ένθετο). Η χρήση του άγαρ ως στερεοποιητικού παράγοντα είναι σήμερα ευρύτατα διαδεδομένη στα μικροβιολογικά εργαστήρια για την παρασκευή και διατήρηση αμιγών καλλιεργειών διαφόρων μικροοργανισμών, ιδιαιτέρως βακτηρίων. Ο Koch και η φυματίωση Το μεγαλύτερο επίτευγμα του Koch στην κλινική βακτηριολογία αφορά τη φυματίωση. Τον καιρό που ο Koch ξεκίνησε τις μελέτες του (1881), το ένα έβδομο