30.9.2008

fzp.ujep.cz

30.9.2008

1 ÚVODMikrobiologie je věda, zabývající se zejména mikroskopickými organismy, mezi které patří např.bakterie, viry nebo mikroskopické houby. Název mikrobiologie pochází z řečtiny, mikros znamenámalý, bios znamená život a logos znamená slovo. Historicky se mikrobiologie zabývala zejména těmiorganismy, které nebyly vidět pouhým okem, moderní mikrobiologie už se tak striktního vymezenínedrží.Mikrobiologie má mnoho podoborů, např. virologie zkoumá viry (nebuněčné parazity buněk),bakteriologie bakterie, algologie prokaryotické řasy, mykologie zejména houby atd. Mikrobiologiejako biologická věda využívá poznatků dalších věd, např. molekulární biologie, ekologie či biochemie.Naopak mnoho aplikovaných oborů využívá mikrobiologických poznatků, např. biotechnologie,lékařská mikrobiologie nebo mikrobiologie potravin.1.1 STRUČNÁ HISTORIE MIKROBIOLOGIEHistorii mikrobiologie můžeme datovat už do starověku. Např. římský filozof Lucretius se domníval,že nemoci jsou způsobovány neviditelnými organismy. Těžko říci, jak se dobral tohoto závěru,nicméně je obecně správný. Středověk pak znamenal pro mikrobiologii, stejně jako pro většinuostatních věd období temna. Z hlediska mikrobiologického je tak středověk zajímavý jen častýmivýskyty epidemií nejrůznějších smrtelných chorob, nejničivější byly zejména mor a cholera.Za začátek novodobé mikrobiologie lze považovat práci Roberka Hooka „Micrographia“ (1665) vekteré poprvé použil termínu buňka v dnes chápaném významu základní jednotky živé hmoty.Skutečnou revoluci v mikrobiologii pak přinesl vynález mikroskopu Antonym van Leeuwenhoekemv roce 1673. Leeuwenhoek byl pravděpodobně prvním člověkem, který spatřil na vlastní oči bakterie.Od tohoto okamžiku se začala mikrobiologie rozvíjet jako skutečná věda, která shromažďovala,utřiďovala a zobecňovala získané poznatky. Z doby po Leuwenhoekovi pak pocházejí nejznámějšímikrobiologická jména minulosti. Německý biolog Ferdinand Cohn (1828-1898) navrhl prvnísystém klasifikace bakterií a objevil bakteriální spory (u rodu Bacillus). Jeho současník Louis Pasteur(1822-1895) se zapsal do dějin mikrobiologie velmi výrazně např. objevem techniky likvidace bakteriíteplem, která dodnes nese jeho jméno – pasterace. Pomocí pasterace se mu také podařilo vyvrátit do tédoby uznávanou teorii samoplození a upevnit tak jeden základní biologický zákon, že živé vznikávždy jen z živého. Pasteurův přínos mikrobiologii byl i v oblasti metodické, zavedl např. očkovánímikroorganismů dodnes používaným způsobem.Další mohutnou vlnou rozvoje mikrobiologie byl přelom 19. a 20. století. V roce 1892 popsal DmitrijIvanovský první virus (tabákové mozaiky), čímž fakticky založil další podobor mikrobiologie. Dotohoto období spadá pravděpodobně i nejslavnější mikrobiologický objev všech dob. V roce 1929objevil Alexander Fleming první antibiotikum – penicilin. Milióny lidí vděčí penicilinu za svůj život,farmaceutické firmy na něm vydělaly miliardy dolarů, paradoxem ale zůstává, že za objevem stojízejména Flemingova nepořádnost. Kdyby Flemingovi v průběhu dovolené nezplesnivěly misky sestafylokoky, které před dovolenou nezlikvidoval, možná bychom na tento objev ještě dlouho čekali.Začátek 20. století také přinesl významné objevy na poli biochemie. Biochemici se pomalu přestávalzabývat jen složením živé hmoty, ale začali se intenzivně zabývat také pochody, které v živýchorganismech probíhají. Intenzivně byly zkoumány zejména enzymy, byly objeveny první biochemickédráhy a také zkoumána vnitřní struktura buněk.Skutečnou revoluci, která biologické vědy opanuje dodnes, znamenal objev strukturydeoxyribonukleové kyseliny (DNA) Jamesem Watsonem, Francisem Crickem a MauricemWilkinsonem (1953). Dvojšroubovicový model otevřel vědcům oči a vysvětlení základníchgenetických pochodů na úrovni molekul na sebe nenechalo dlouho čekat. V roce 1966 byl pakkompletně rozluštěn genetický kód. Rozvoj genetiky vedl i ke snaze využít poznatků k zásahům dogenetického vybavení. V roce 1973 tak spatřila světlo světa první geneticky modifikovaná bakterieEscherichia coli, nesoucí v sobě žabí geny. V roce 1995 byl úspěšně dokončen první projektsekvenace kompletního genomu bakterie Haemophilus influenzae. Dnes je znám kompletní genom ustovek bakterií, další stovky jsou pravděpodobně osekvenované, ale vědecké veřejnosti nepřístupné uřady biotechnologických a farmaceutických firem.1-1


1.2 POSTAVENÍ MIKROORGANISMŮ V PŘÍRODĚ A ŽIVOTNÍMPROSTŘEDÍMikroorganismy patří mezi tzv. živé soustavy. Ty se od neživých soustav odlišují několika základnímicharakteristikami:• Schopnost rozmnožovat se• Schopnost předat dědičnou informaci na potomstvo• Schopnost udržet uspořádaný stav• Schopnost látkové přeměny (metabolismu) ku vlastnímu prospěchu• Časově omezená existenceNěkteří autoři uvádějí i další charakteristiky živé hmoty, např. obsah bílkovin a nukleových kyselin(které nacházíme u všech dosud známých živých organismů) nebo buněčná stavba těla. Akademickéspory se vedou o zařazení virů, které nejsou schopné samostatného rozmnožování a napadají za tímtoúčelem hostitelské buňky.Mikroorganismy, ačkoliv mikroskopické, zaujímají významné až dominantní postavení v životnímprostředí a mají v něm nezastupitelné úlohy.Mikroorganismy jsou schopnými rozkladači zejména organické hmoty rozkládající např. těla jinýchorganismů (mrtvá i živá), jejich odumřelé součásti (např. listy ze stromu), látky vyloučené jinýmiorganismy (trus apod.), mnohé horniny a nerosty nebo látky vytvořené člověkem.Mikroorganismy jsou důležitými producenty chemických látek. Kromě vlastní biomasy produkujínapř. látky určené k boji proti jiným organismům (antibiotika, toxiny apod.), ochranné látky (např.polysacharidová pouzdra), enzymy katalyzující rozklad látek či odpadní produkty metabolismu, častodále využitelné jinými organismy či člověkem (ethanol, vodík, methan apod.).Svou činností mají mikroorganismy nezastupitelnou úlohu při tvorbě půdy, čištění vod a v tzv.geochemických cyklech, tj. koloběhu základních chemických prvků v přírodě.Mikroorganismy jsou součástí přirozených společenstev organismů v přírodě. Jejich vztahy k ostatnímčlenům společenstva mohou být pozitivní, neutrální i negativní. Mnohé mikroorganismy žijív symbióze s makroorganismy a toto spojení bývá často výhodné či dokonce nezbytně nutné.V podobném vztahu jsou mikroorganismy i vůči člověku. Člověk hostí ve svém těle bilióny a triliónybakterií, bez kterých by např. nebyl schopen správně trávit potravu. Mikroorganismy ale ovlivňujíčlověka i v jeho činnosti. Člověk mikroorganismy využívá ke svému prospěchu jako producentyžádaných látek, při likvidacích odpadu nebo produkci potravin. Naopak mikroorganismy člověkav mnoha ohledech škodí, ať už jako patogeny způsobující choroby či rozkladači potravin a jinýchužitečných výrobků.1.3 VÝSKYT MIKROORGANISMŮVýskyt organismů se dá charakterizovat velice jednoduše: mikroorganismy jsou prakticky všude. Tzv.aseptické prostředí (tj. prostředí bez mikroorganismů) se na Zemi přirozeně vyskytuje velmi zřídka aobvykle je jen dílem člověka. Příkladem jsou aseptická prostředí v nemocnicích a vědeckých ústavecha pak lokality s opravdu extrémními podmínkami (rozžhavená láva apod.).Variabilita a odolnost mikroorganismů je podstatně větší než makroorganismů a mnohémikroorganismy osidlují i prostředí, kde panují z lidského pohledu extrémní podmínky, např. polárníkraje, jícny podmořských sopek či extrémně slané vody, např. Mrtvé moře. Všude tam nacházímeunikátní mikroorganismy dobře přizpůsobené pro dané prostředí.I vzhledem ke své velikosti se mikroorganismy počítají obvykle v tisících, miliónech či miliardách,viz. tabulka:1-2


ProstředíOrientační množství bakteriíStolice zdravého člověka 10 9 /gZemědělská půda 10 8 /gBachorová šťáva přežvýkavcůLidská slinaJezera a rybníky10 10 / ml10 8 /ml10 6 /mlJogurt >10 9 /gPitná voda10 2 /mlVzduch 10 3 /m 31.4 VÝVOJ ŽIVOTA NA ZEMIDnes nejrozšířenější názor na vznik života je ten, že život na Zemi vznikl samovolně z neživé hmoty apostupným vývojem se rozvinul až do dnešní bohaté podoby. Tato evoluční teorie má nicméně mnohonejasností, bílých míst a fakty málo podložených hypotéz. I díky nemalému rozšíření nejrůznějšíchnáboženství tak existuje mnoho odpůrců evoluční teorie. Kreacionisté věří, že život byl stvořenbohem, eternitisté věří tomu, že život je věčný a vzniknout tak ani nemusel. Neobvyklý není ani tennázor, že život vznikl na jiné planetě a byl na Zemi zanesen. Většina vědců nicméně věří, že nejasnostise podaří časem vysvětlit a tato víra byla v minulosti mnohokrát podpořena novými objevy. Novéobjevy pak také vedou k upřesnění časového vývoje, následující řádky proto možná nebudou za pár letplatit.Země vznikla pravděpodobně přibližně před 4,5 miliardami let a byla výrazně jiná než dnes.Atmosféra byla pravděpodobně redukční a sestávala zejména z methanu, amoniaku, vodíku, vodníchpar, dusíku, amoniaku a oxidu uhličitého. Vlivem slunečního záření (zejména ultrafialového) a vlivemčastých bouří docházelo v atmosféře k chemickým reakcím, které daly vzniknout složitějšímchemickým látkám, např. aminokyselinám (součást bílkovin), purinům (součást DNA) a mnohýmdalším. Tuto fázi vývoje života nazýváme obvykle chemickou evolucí a její stěžejní reakce sepodařilo nasimulovat v laboratořích. Kumulací a vysycháním těchto jednoduchých organických látekvznikaly pravděpodobně polymery (jakési prabílkoviny a pranukleové kyseliny), které se za určitýchnejasných okolností shlukovaly za vzniku přibližně kulatých útvarů. S velmi malou ale nenulovoupravděpodobností byl některý z těchto útvarů natolik organizovaný, že měl schopnost rozmnožování adal tak fakticky vzniknout první živé buňce. Primitivní život byl pravděpodobně založen zejména naribonukleové kyselině (RNA), která vykonávala nejen funkci informační molekuly, ale též funkcistavební a katalytickou. Pravděpodobným pozůstatkem této fáze praživota jsou funkční ribozomální atransferové RNA, které hrají hlavní roli v syntéze bílkovin.Biologická evoluce začíná vznikem genetického kódu a proteosyntézy. Genetický kód všech dnešníchorganismů je univerzální (tj. pro všechny stejný) a je tedy zjevné, že mají jednoho společného předka.Vývoj od tohoto předka se pak ubíral dvěma hlavními směry, první větev zůstala na nižší buněčnéúrovni a dala vzniknout dnešním bakteriím. Druhá větev se později rozdělila na další dvě. Z první sevyvinuly organismy jejichž stavba buněk zůstala primitivní podobná bakteriím, ale s některýmipokročilejšími vlastnostmi. Tyto organismy byly nazvány archea*. Druhá větev se vyvinulak pokročilejší stavbě buňky a dala vzniknout dnešním eukaryotickým organismům – rostlinám,živočichům, houbám a prvokům.1-3


RostlinyHoubyBacteriaArcheaŽivočichovéEukaryaSpolečný předekObr. 1 Univerzální fylogenetický strom a základní vývojové větve života na Zemi.Společný vývoj archeí a eukaryot je doložen např. genetickými mechanismy, které jsou u obou skupinvelice podobné a proti genetickým mechanismům bakterií výrazně pokročilejší. Samostatný vývojarcheí je pak doložen některými unikátními metabolickými drahami (např. methanogenezí) čiunikátními prvky ve stavbě buněk (např. buněčné membrány).Otázkou zůstává, jakým způsobem se vyvinula pokročilá eukaryotická buňka. Tak je totiž, na rozdílod bakteriálních a archeálních buněk, vnitřně rozdělená membránami na různé kompartmenty aorganely. Některé z těchto organel (mitochondrie a chloroplasty) jsou přitom částečně autonomní amají i vlastní genetickou informaci (podobnou bakteriální). Dnes se předpokládá tzv.endosymbiotická teorie, podle které pohltila primitivní eukaryotická buňka purpurové bakterie. Tatosymbióza posléze přešla v závislost a specializaci a z původní purpurové bakterie se stalamitochondrie. K tomuto jevu došlo pravděpodobně několikrát. Předpokládá se, že rostlinnéchloroplasty vznikly podobným mechanismem pohlcením zelené fotosyntetizující bakterie. Dnešnírostlinná buňka (nesoucí jak mitochondrie, tak chloroplasty) pravděpodobně vznikla splynutím dvoubuněk, jedné nesoucí chloroplasty, druhé nesoucí mitochondrie.1.5 EVOLUCE A TAXONOMICKÝ SYSTÉM MIKROORGANISMŮZákladem každé vědy je systematika získaných poznatků a biologické vědy nejsou pochopitelněžádnou výjimkou. Biologové se odjakživa snažili známé organismy nějakým způsobem zatřídit dosystému. Vznikl tak podobor biologie nazývaný taxonomie. Základy dnes používanéhotaxonomického systému položil už v 18. století švédský biolog Carl Linné. Ten ve svém díleSystematica nature (Soustava přírody) z roku 1735 stručně popsal všechny tehdy známé biologickédruhy a každému přiřadil dvojslovný název – rodové a druhové jméno. Vznikla tak tzv. binomickánomenklatura, kterou biologie využívá dodnes. Rodové a druhové jméno se v odborných publikacíchpíše tradičně proloženě (kurzívou).Základní taxonomickou jednotkou je druh. U vyšších organismů je jeho vymezení jednoduché, jedincistejného druhu jsou ty, kteří jsou schopni se vzájemně rozmnožovat za vzniku plodního potomstva.V mikrobiologii ale tato definice naráží, protože naprostá většina mikroorganismů se rozmnožujepouze nepohlavně, popř. střídavě pohlavně a nepohlavně. U těchto organismů (zejména bakterií) protodáváme přednost definici druhu založené na dostatečné vzájemné podobnosti organismů, obvykle seuvažuje 95% shoda. U bakterií pak narážíme na další problém a tím je poměrně velká morfologickáuniformita. Tvary bakteriálních buněk nejsou příliš rozmanité, jejich pozorování je vzhledem1-4


Česky Latinsky Anglicky Příponadoména regio domainříše regnum kingdomkmen phyllum phylumoddělení division divisiontřída classis classřád ordo order -alesčeleď familia family -aceaerod genus genusdruh species speciesObjektivně je ale třeba dodat, že v mikrobiologii nenašly tyto taxony velkého uplatnění. Díky absencipohlavního rozmnožování u většiny mikroorganismů bývá totiž obvykle problematické určitě správněrod a druh, natož pak vyšší taxony. Systematická mikrobiologie se proto obvykle drží spíše tradičního,ale praktičtější členění založeného zejména na biochemii a morfologii (viz kapitola 12).V mikrobiologii mají naopak daleko větší uplatnění nižší taxony. Zejména u bakterií se často definujetzv. kmen, který představuje bližší charakteristiku zástupců druhu. Tato charakteristika může být např.místo, ze kterého byl daný kmen izolován. Zástupci kmene pak obvykle představují potomky (klony)jediné konkrétní bakterie. Jiná charakteristika může být např. konkrétní mutace nebo přítomnost čiabsence některých genů. Kmen se obvykle vyznačuje kratší sekvencí písmen, kterou určuje ten, kdokmen izoloval a který se nepíše kurzívou. Přítomnost či absence genů se pak obvykle vyznačujekrátkými třípísmenými zkratkami biochemických drah s označením + či -, které se naopak kurzívoupíší. Ilustračním příkladem mohou být čtyři kmeny bakterie Pseudomonas fluorescens některégeneticky modifikované:Pseudomonas fluorescens 5R nah + sal + lux -Pseudomonas fluorescens 5RL nah + sal - lux +Pseudomonas fluorescens HK9 nah + sal + lux -Pseudomonas fluorescens HK44 nah + sal + lux +První kmen představuje přirozený izolát který má funkční geny pro odbourávání naftalenu (nah + ) isalicylové kyseliny (sal + ), ale nemá geny pro luminiscenci. Druhý kmen představuje genetickoumodifikaci předchozího kmenu, do kterého byly přidány luminiscenční geny (lux + ). Vložení těchtogenů ale poškodilo geny pro odbourávání salicylové kyseliny a proto je tento kmen sal - . Třetí kmen jepak opět přirozený izolát a poslední kmen je konečně kýžená luminiscenční bakterie se schopnostíodbourávání jak naftalenu, tak salicylové kyseliny a zároveň schopná luminiscence.U patogenních mikroorganismů je někdy určován ještě tzv. sérotyp nebo sérovar podle toho, jakýmiprotilátkami na ně reaguje imunitní systém.Jak vyplývá z předchozích kapitol, současná biologie zná tři domény – Bacteria, Archea a Eukarya.Ještě nedávno se v biologii učilo (a není vyloučeno, že někde se učí dodnes), třídění života na dvě tzv.nadříše – prokaryota a eukaryota. Toto členění živých organismů už je dnes překonané. Termínyprokaryotický a eukaryotický nicméně biologie nadále používá, ale pro označování typu buňky.Bacteria a Archea mají buňky prokaryotické stavby, Eukarya mají buňky eukaryotické stavby. Stavběbuněk se věnuje detailně kapitola 2.1-6


Hlavní rozdíly mezi doménami jsou shrnuty v následující tabulce. Některé termíny jsou vysvětleny ažv dalších kapitolách a proto lze doporučit návrat k tabulce po prostudování příslušných kapitol. Tučnějsou vždy vyznačené shody mezi doménami.Bakteria Archea EukaryaStavba buňky Prokaryotická Prokaryotická EukaryotickáOperony Ano Ano NeIntrony Ne Ano AnoVazba v membr.lipidechEsterová Éterová EsterováRNA polymeráza Jednoduchá Složitá SložitáDNA polymerázy Odlišné Podobné Podobnévelikost maléribozomálnípodjednotky16S 16S 18S1.6 TAXONOMICKÉ SKUPINY ORGANISMŮ STUDOVANÝCHMIKROBIOLOGIÍJak už bylo řečeno v úvodu, tradiční charakteristika organismů, které jsou zájmem objektumikrobiologů, je velikost organismu. Tyto hranice jsou ale velmi vágní. Tradičně jsou studovány tytoskupiny organismů1.6.1 BAKTERIE (BACTERIA)Bakterie jsou jednobuněčné prokaryotické organismy s výhradně nepohlavním rozmnožováním. Jsouvelmi variabilní (proměnlivé) zejména v metabolismu (pro získání energie a stavebních látek jsouschopné využít podstatně širší skupinu látek a reakcí než vyšší organismy) a fyziologii (adaptace nanejrůznější, i extrémní podmínky). V optimálních podmínkách jsou schopné daleko rychlejšíhorozmnožování ve srovnání s vyššími organismy, podobně rychlejší je i jejich metabolismus.Všechny bakterie jsou zařazeny do domény Bacteria.1.6.2 MIKROSKOPICKÉ HOUBY (FUNGI)Houby (fungi) jsou eukaryotické organismy mnohobuněčné či jednobuněčné, obvykle s vláknitoustavbou těla. Jejich rozmnožování může být pohlavní i nepohlavní, obvykle se obě fáze střídají.Metabolismus je poměrně uniformní, houby nejsou schopné fotosyntézy a energii získávají oxidacíorganických látek kyslíkem (aerobní respirací). Některé houby jsou schopné získávat energii i bezkyslíku (anaerobně) tzv. kvašením (viz kapitola 4).Houby tvoří samostatnou říši domény Eukarya, rozdělenou na 5 oddělení (blíže viz kapitola 12).Většina hub není mikroskopická. V rámci mikrobiologie jsou tradičně zkoumány kvasinky(jednobuněčné houby obvykle s kvasnými schopnostmi) a plísně. Ty nejsou přesně vymezenouskupinou hub a jsou chápány spíše technologicky jako mikroskopické vláknité houby s negativnímdopadem.1-7


1.6.3 PRVOCI (PROTOZOA)Prvoci jsou obvykle jednobuněčné eukaryotické organismy. Vývojově se jedná o samostatné menšívývojové větve. Jejich rozmnožování je obvykle nepohlavní, ve výjimečných případech i pohlavní.Jejich buňky jsou obvykle složité a mají vyvinuté speciální organely, nahrazující orgány, např.buněčná ústa či buněčnou řiť. Jejich metabolismus je obvykle založen na oxidaci potravy kyslíkem,ale známe i fotosyntetizující prvoky.Prvoci tvoří samostatnou říši domény Eukarya, nicméně tato říše je typickým příkladempolyfyletického taxonu, protože prvoci nemají společného předka „praprvoka“. Exaktně by každáskupina prvoků měla být vlastně samostatnou říší, ale tyto říše by ve srovnání s těmi hlavními(rostliny, živočichové, houby) měly neporovnatelně méně druhů a zároveň by jich bylo příliš mnoho.Proto jsou prvoci sdruženy do jedné samostatné „nepřirozené“ říše.1-8

More magazines by this user
Similar magazines