Σχέση με άλλα γνωστικά αντικείμενα

1 Μικροβιολογία

Σχέση με άλλα γνωστικά αντικείμενα

Τι είναι η Μικροβιολογία; Μικρός βίος (ζωή) + λόγος (επιστήμη) Η Επιστήμη, που μελετά τους μικροοργανισμούς, οι οποίοι δεν είναι ορατοί με γυμνό μάτι (διάμετρος μικρότερη του 1mm), καθώς και τις αλληλεπιδράσεις τους με άλλους οργανισμούς και με το περιβάλλον τους. Οι μικροοργανισμοί περιλαμβάνουν: Βακτήρια Ιούς Μύκητες Πρωτόζωα Έλμινθες (σκουλήκια) Φύκη 3

Αντικείμενο Μικροβιολογίας: Ασχολείται με τη δομή, τη θρέψη, την αναπαραγωγή, την κληρονομικότητα, τη χημική δραστηριότητα, τον προσδιορισμό, την αναγνώριση και την κατανομή όλων των μικροοργανισμών. Η μοντέρνα Μικροβιολογία μπορεί να διακριθεί σε ειδικότητες, όπως Ιολογία, Βακτηριολογία, Μυκητολογία, Ανοσολογία, Περιβαλλοντική Μικροβιολογία ή Μικροβιακή Οικολογία, Γεωργική Μικροβιολογία, Μικροβιολογία Τροφίμων κ.α. Μελετάται ως βασική και ως εφαρμοσμένη βιολογική επιστήμη.

Προέλευση των μικροοργανισμών Οργανισμοί όπως τα βακτήρια υπάρχουν στη Γη για περίπου 3,5x10 9 χρόνια. Προκαρυωτικά (χωρίς πυρήνα): απλά κύτταρα Ευκαρυωτικά ( με πυρήνα): σύνθετα κύτταρα 19

Μικροβιακή δομή Δύο τύποι κυττάρων Προκαρυωτικά: μικροσκοπικοί, μονοκύτταροι οργανισμοί, χωρίς πυρήνα και οργανίδια δεσμευμένα στην μεμβράνη Ευκαρυωτικά: μονοκύτταροι (μικροσκοπικοί) και πολυκύτταροι οργανισμοί με πυρήνα και οργανίδια δεσμευμένα στην μεμβράνη Ιοί: ακυτταρικά, παρασιτικά σωματίδια αποτελούμενα από νουκλεϊκό οξύ και πρωτεΐνη 20

Ποικιλότητα της Μικροβιολογίας Cellular Acellular Prokaryotes Eukaryotes Viruses Bacteria and archaea Fungi, algae, and protozoa Viruses and bacteriophage

22 Μικροβιακή ποικιλότητα: 6 τύποι μικροβίων

Αρχαία (Arhaea) Μικροοργανισμοί οξύφιλοι Θερμόφιλοι ή οξυ-θερμόφιλοι με άριστη θερμοκρασία αύξησης 90 ο C ή και υψηλότερη Αλατόφιλοι Μεθανογόνοι (αναερόβιοι ικανοί να παράγουν μεθάνιο από διοξείδιο του άνθρακα)

Βακτήρια (Bacteria) Έχουν κοινό πρόγονο με τα αρχαία. Εμφανίζουν μεταξύ τους μεγάλες μορφολογικές και φυσιολογικές διαφορές. Συχνά διαθέτουν αυτόνομη κίνηση. Μερικά είναι ικανά να φωτοσυνθέτουν (κυανοβακτήρια) ενώ άλλα προσλαμβάνουν την απαραίτητη για την αύξησή τους ενέργεια από την οξείδωση ανόργανων ή (συνηθέστερα) οργανικών ενώσεων. Αποδομούν μια τεράστια ποικιλία οργανικών ενώσεων Μερικά είναι συμβιωτικά, άλλα παθογόνα των ανώτερων οργανισμών.

Βακτήρια (κόκκοι)

Βακτήρια (ραβδία)

Βακτήρια (σπειροειδή)

Βακτήρια (πολυμορφικά)

Κυανοβακτήρια του γένους Nostoc (φωτοσυνθέτοντα)

Μύκητες (Fungi) Ευκαρυωτικοί ετερότροφοι μ/ο. Εξελικτικά είναι περισσότερο κοντά στα αρχαία παρά στα βακτήρια. Τα κύτταρά τους προστατεύονται από κυτταρικό τοίχωμα που αποτελείται από χιτίνη (chitin) ή άλλους πολυσακχαρίτες. Παράγουν εξειδικευμένα κύτταρα (σπόρια), μέσω των οποίων αναπαράγονται και τα οποία τους βοηθούν να επιβιώνουν σε περιβαλλοντικά αντίξοες συνθήκες.

Μύκητες : ζύμες (yeast) ή μυκηλιακοί (νηματοειδείς - filamentous)

Πρωτόζωα (Protozoa) Ευκαρυωτικοί μ/ο οι οποίοι μέσω διάφορων μηχανισμών είναι ικανοί να κινούνται Πολλά από αυτά είναι θηρευτές μικρότερων σε μέγεθος οργανισμών Τα περισσότερα δεν είναι ικανά να φωτοσυνθέτουν

Πρωτόζωα : Μαστιγοφόρο & Βλεφαριδωτό

Φύκη (Algae) Ευκαρυωτικοί, μονο- ή πολυκύτταροι μ/ο ικανοί να φωτοσυνθέτουν Παλαιότερα τα κυανοβακτήρια θεωρούνταν φύκη (blue-green algae), προφανώς εσφαλμένα δεδομένου ότι είναι προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί Τα καφέ και κόκκινα φύκη σήμερα θεωρούνται φυτά επειδή διαθέτουν διαφοροποιημένους ιστούς

Μονοκύτταρο φύκος

Ιοί (Viruses) Θεωρούνται μ/ο παρόλο που δε διαθέτουν ουδεμία κυτταρική οργάνωση. Αποτελούνται από ένα μόριο DNA ή RNA το οποίο περιβάλλεται από πρωτεϊνικό περίβλημα. Όταν ένα σωματίδιο ιού εισέλθει σε κάποιο κύτταρο είναι ικανό να τροποποιήσει το μεταβολισμό του κυττάρου-ξενιστή και να αναπαραχθεί.

38 Διαστάσεις μικροβίων

Μικροοργανισμοί: Μονοκύτταροι & Πολυκύτταροι Οι μ/ο μπορεί να αποτελούνται από ένα ή από περισσότερα κύτταρα Τα μικροβιακά κύτταρα είναι ικανά να φέρουν σε πέρας όλες τις βιολογικές λειτουργίες, όπως τα κύτταρα των ζώων και των φυτών. Οι μ/ο όμως είναι απλούστεροι οργανισμοί. Δεν διαθέτουν διαφοροποιημένους ιστούς, γεγονός που τους κάνει να διαφέρουν από τα ζώα και τα φυτά.

Τα μικρόβια στη ροή ενέργειας και θρεπτικών Η ροή ενέργειας και τροφής μέσα από το οικοσύστημα της Γης Φωτοσύνθεση (φύκη και πράσινα/μωβ φωτοσυνθετικά βακτήρια): Χρήση της φωτεινής ενέργειας για τον μετασχηματισμό του CO 2 σε οργανική ύλη Αποσύνθεση (βακτήρια και μύκητες): Διάσπαση της νεκρής ύλης και αποβλήτων σε απλούστερες ενώσεις 42

Η φυσική μικροχλωρίδα δεν είναι επιβλαβής και σε μερικές περιπτώσεις θεωρείται ωφέλιμη, συνίσταται κυρίως από δυνητικά παθογόνους μικροοργανισμούς, οι οποίοι όταν υπερβούν κάποια όρια δύνανται να προκαλέσουν σοβαρές ασθένειες των ανθρώπων, των φυτών και των ζώων. Η παρουσία των παθογόνων μικροοργανισμών συσχετίζεται άμεσα με την πρόκληση λοιμώξεων Η καταπολέμηση των μολυσματικών ασθενειών βασίζεται στην μεγαλύτερη κατανόηση του τρόπου δράσης των παθογόνων μικροοργανισμών

Χρήσιμοι μικροοργανισμοί Παίζουν σημαντικό ρόλο στη γονιμότητα του εδάφους, στην ανάπτυξη των φυτών, στην πέψη και στην παραγωγικότητα των ζώων, ενώ εξίσου σημαντική είναι η παρουσία τους στη βιομηχανία τροφίμων. Συμβάλλουν στην παραγωγή τροφίμων (π.χ. γαλακτοκομικών, ζύθου, κρασιού, άρτου κ.α.) και στη βελτίωση των οργανοληπτικών τους χαρακτηριστικών κατά τη συντήρηση (πχ ζύμωση), Συμμετέχουν στην αποικοδόμηση της νεκρής οργανικής ύλης και συμβάλλουν στην ανακύκλωση των θρεπτικών στοιχείων.

Περιβαλλοντική Μικροβιολογία Η Επιστήμη που μελετά τους μικροοργανισμούς, οι οποίοι βρίσκονται σε συγκεκριμένα φυσικά ή τεχνητά περιβάλλοντα (οικοσυστήματα), όπως π.χ. στο έδαφος, στο νερό, στην θάλασσα, στον αέρα κ.α. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξή της ως βασικής επιστήμης εντοπίζεται κυρίως στο πεδίο μικροβιολογίας του υδάτινου περιβάλλοντος (νερό λύματα) και αφορά στην προάσπιση της Δημόσιας Υγείας και την προστασία του περιβάλλοντος, καθώς οριοθετούνται οι ανθρώπινες ενέργειες και υποδεικνύονται τρόποι εξυγίανσης περιπτώσεων μολύνσεων (π.χ. κοπρανώδης μόλυνση του υδάτινου περιβάλλοντος διάκριση προέλευσής της).

Βιοτεχνολογία Η Βιοτεχνολογία είναι η επιστήμη που μελετά την εφαρμογή βιολογικών διεργασιών (μέσω μικροοργανισμών, ευκαρυωτικών κυττάρων ή ενζύμων) στην παραγωγή βιολογικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην φαρμακοβιομηχανία όπως π.χ. αντιβιοτικών, πρωτεϊνών, ενζύμων, βιοχημικών ουσιών κ.α.

Η ανάπτυξη και συμβολή των μεθόδων της γενετικής μηχανικής στο γενετικό υλικό των μικροοργανισμών, που χρησιμοποιούνται στις βιολογικές διεργασίες, έδωσε καινούργιες δυνατότητες και ώθηση στη βιοτεχνολογία. 1. Παραγωγή βιοχημικών ουσιών / φαρμάκων σε μεγάλες ποσότητες 2. Παραγωγή εμβολίων και αντισωμάτων 3. Παραγωγή καλύτερων φυτών ή σπόρων 4. Παραγωγή μικροοργανισμών με υψηλές ικανότητες βιοαποικοδόμησης αποβλήτων. 5. Θεραπεία γονιδίων (Gene therapy)

Ανθρώπινη χρήση των μικροοργανισμών Βιοτεχνολογία: Παραγωγή τροφών, φαρμάκων και εμβολίων χρησιμοποιώντας ζωντανούς οργανισμούς Γενετική μηχανική: Χειρισμός των γονιδίων των οργανισμών για την παραγωγή νέων προϊόντων Βιοαποκατάσταση: Χρήση ζωντανών οργανισμών για τη θεραπεία ενός περιβαλλοντικού προβλήματος 48

Τρόπος ζωής των μικροοργανισμών Στην πλειοψηφία τους είναι ελεύθερες υπάρξεις, σχετικά ακίνδυνοι και συχνά χρήσιμοι Κάποιο μικροοργανισμοί έχουν στενούς δεσμούς με άλλους οργανισμούς Παράδειγμα: τα παράσιτα ζουν επάνω ή μέσα στο σώμα άλλου οργανισμού που καλείται ξενιστής και τον καταστρέφουν 50

Μικρόβια και μεταδοτικές ασθένειες Παθογόνα: βλαβερά μικρόβια Περίπου 2,000 διαφορετικά μικρόβια προκαλούν ασθένειες 10 δισ. νέες μολύνσεις/χρόνο παγκοσμίως 12 εκ. θάνατοι από μολύνσεις/χρόνο παγκοσμίως 51

52 Κυριότερες αιτίες θανάτου στις ΗΠΑ και παγκοσμίως

Ιστορικά καθοριστικά σημεία για την μικροβιολογία Χιλιάδες μικροβιολόγων για πάνω από 300 χρόνια Σημαντικές ανακαλύψεις περιλαμβάνουν: Μικροσκοπία Επιστημονική μέθοδο Ανάπτυξη της ιατρικής μικροβιολογίας για τη θεραπεία ασθενειών Μικροβιολογικές τεχνικές ταξινόμηση και ταυτοποίηση μικροβίων 54

Αυτόματη γένεση Η Αυτόματη γένεση είναι μια πρώιμη αντίληψη ότι ορισμένες μορφές ζωής μπορούσαν να προκύψουν από ζωτικές δυνάμεις που παρουσιάζονταν σε μη ζώσα ή αποσυντιθέμενη ύλη (π.χ. μύγες από κοπριά) Ο Louis Pasteur τελικά διέψευσε την αυτόματη γένεση και απέδειξε τη θεωρία της Βιογένεσης την ιδέα ότι ζώντες οργανισμοί μπορούν να προέλθουν μόνο από άλλους ζώντες οργανισμούς. 55

Antoine van Leeuwenhoek (1632-1723) Ολλανδός έμπορος λινών Παρατήρησε πρώτος ζωντανά μικρόβια animalcules Απλοί φακοίμεγέθυνση έως 300x 56

57 Η δουλειά του Leeuwenhoek

Επιστημονική μέθοδος Μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε από τους επιστήμονες για να εξηγήσουν ένα συγκεκριμένο φυσικό φαινόμενο Διατύπωση μιας υπόθεσης μια δυνητική εξήγηση που μπορεί να υποστηριχθεί ή να απαρνηθεί Εάν η υπόθεση υποστηρίζεται από ένα αναπτυσσόμενο σώμα αποδείξεων και επιβιώσει αυστηρού αλέγχου, περνάει στο επόμενο στάδιο εμπιστοσύνης γίνεται θεωρία 58

Ανακάλυψη των σπορίων και της αποστείρωσης Οι John Tyndall και Ferdinand Cohn απέδειξαν ο καθένας την ύπαρξη θερμο-ανθεκτικών μορφών μερικών μικροβίων Ο Cohn προσδιόρισε τις θερμο-ανθεκτικές αυτές μορφές ως βακτηριακά ενδοσπόρια Ενδοσπόρια ανθεκτικές, αδρανείς, ανθιστάμενες δομές που παράγονται από συγκεκριμένους μικροοργανισμούς σε ακραίες συνθήκες Η αποστείρωση απαιτεί την εξουδετέρωση όλων των μορφών ζωής συμπεριλαμβανομένων των ενδοσπορίων και των ιών 59

Ανάπτυξη ασηπτικών τεχνικών Το ανθρώπινο σώμα είναι μια πηγή μολύνσεων: Ο Dr. Oliver Wendell Holmes παρατήρησε ότι οι μητέρες που γεννούσαν στο σπίτι είχαν λιγότερες μολύνσεις από αυτές που γεννούσαν στο νοσοκομείο Ο Dr. Ignaz Semmelweis συσχέτισε τις μολύνσεις με γιατρούς που έρχονταν κατευθείαν από το νεκροτομείο στο μαιευτήριο Ο Joseph Lister εισήγαγε τις ασηπτικές τεχνικές για να μειώσει τα μικρόβια στον ιατρικό εξοπλισμό και να εμποδίσει την μόλυνση των πληγών Εισήγαγε την απολύμανση των χεριών με χημικά πριν το χειρουργείο Χρησιμοποίησε τη θέρμανση για αποστείρωση 60

Louis Pasteur (1822-1895) Απέδειξε ότι τα μικρόβια προκαλούν ζύμωση και αλλοίωση Αναφέρεται ως ο πατέρας της μικροβιολογίας Διέψευσε της αυτόματη γένεση των μικροοργανισμών Ανάπτυξε την παστερίωση Καθιέρωσε τη θεωρία των σπορίων για τις ασθένειες 61

Robert Koch (1843-1910) Καθιέρωσε το αξίωμα Koch-μια σειρά πειραματικών σταδίων για την απόδειξη της θεωρίας των σπορίων Προσδιόρισε την αιτία του άνθρακα, της χολέρας και της φυματίωσης Ανέπτυξε μεθόδους καθαρών καλλιεργειών 62

Συστηματική ταξινόμηση Συστηματική ταξινόμηση: οργανώνει, κατηγοριοποιεί και ονοματίζει τους ζωντανούς οργανισμούς Η μορφή του συστήματος προήλθε από τον Cari von Linne Ασχολείται με: Κατηγοριοποίηση οργανωμένη διάταξη των οργανισμών σε ομάδες Ονοματολογία αποδίδει ονομασίες Ταυτοποίηση προσδιορίζει και καταγράφει χαρακτηριστικά των οργανισμών για την τοποθέτησή τους σε ταξινομικά σχήματα. 63

64 Επίπεδα κατηγοριοποίησης

Παράδειγμα Ταξινόμησης Kings Play Chess On Fine Green Satin Binomial nomenclature 65

Αποδίδοντας συγκεκριμένα ονόματα Διωνυμική (επιστημονική) ονοματολογία Αποδίδει σε κάθε μικρόβιο 2 ονόματα: Γένος με κεφαλαίο το πρώτο γράμμα Είδος μικρά γράμματα Και τα δύο πλάγια ή υπογραμμισμένα Staphylococcous aureus (S. Aureus) Η έμπνευση για τα ονόματα ποικίλει αφάνταστα και συχνά είναι ευφάνταστη 66

Προέλευση και εξέλιξη των μικροοργανισμών Φυλογένεια: φυσική συγγένεια μεταξύ ομάδων οργανισμών Εξέλιξη: Όλα τα νέα είδη προέρχονται από προϋπάρχοντα είδη Στενά συσχετιζόμενοι οργανισμοί έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά γιατί έχουν εξελιχτεί από κοινές προγονικές μορφές Η εξέλιξη συνήθως οδηγεί σε μεγαλύτερη πολυπλοκότητα 67

Το σύστημα των τριών επικρατειών Βακτήρια - αληθινά βακτήρια Αρχαία παράξενα βακτήρια που ζουν σε ακραίες περιβάλλοντα υψηλής αλατότητας, θερμοκρασίας κλπ. Ευκάρυωτικά έχουν πυρήνα και οργανίδια 68

69 Three domains of life Carl Woese (1980 90)