Microbiologia

Obiectul microbiologiei

Microbiologia este o ştiinţă fundamentală care studiază morfologia, fiziologia şi sistematica microorganismelor, originea şi evoluţia lor, fenomenele de ereditate şi variabilitate microbiană. Etimologia cuvântului provine din limba greacă: micros = mic; bios = viaţă; logos = ştiinţă.

Microorganismele sunt sisteme cu organizare complexă, monocelulare sau pluricelulare, cu metabolism propriu şi continuitate genetică, cu o infinită diversitate a caracterelor morfologice şi fiziologice. În sensul acestei definiţii din imensul grup al microorganismelor fac parte fungii (drojdii – levuri şi mucegaiuri – fungi filamentoşi), bacterii, alge microscopice, protozoare etc.

În funcţie de natura microorganismelor şi caracterul lor aplicativ, s-au dezvoltat în timp, următoarele ştiinţe microbiologice independente:

Microbiologia generală studiază legile de dezvoltare a tuturor grupelor de microorganisme şi a rolului lor în circuitul substanţelor în natură. Fiind o ştiinţă de sinteză, în funcţie de natura microorganismelor studiate s-au desprins următoarele discipline:

Virusologia (inframicrobiologia) studiază virusuri – entităţi acelulare cu dimensiuni submicroscopice, agenţi ai bolilor virale la om, animale, plante, insecte, microorganisme (bacterii, fungi).

Bacteriologia studiază bacteriile, celule monocelulare de tip procariot, care pot produce îmbolnăviri ale omului, animalelor, plantelor.

Micologia studiază fungi cu celule monocelulare sau pluricelulare de tip eucariot. Dintre ştiinţele microbiologice cu caracter aplicativ fac parte:

• microbiologia chimică – este o ramură a microbiologiei generale care s-a dezvoltat în ultimii 50 de ani, are ca obiect de studiu chimia şi biochimia microorganismelor (compoziţia chimică, structura, topologia, funcţia moleculelor libere şi asociate, metabolismul substanţelor în celula microbiană;

• microbiologia solului, a apei, microbiologia geologică, fitopatologia, microbiologia sanitară, agricolă, ecologică, cosmică, genetica microbiană, biologia moleculară ;

• microbiologia produselor alimentare are drept obiect de studiu cunoaşterea naturii şi activităţii metabolice a microorganismelor care pot contamina întregul lanţ alimentar, de la materiile prime la produsele finite, în scopul prevenirii alterării lor şi pierderea valorii alimentare sau a îmbolnăvirii prin consum de alimente, contaminate cu microorganisme patogene-toxicogene;

• microbiologia industrială (tehnică) reprezintă ştiinţa de investigare şi control al fermentaţiilor, respectiv de folosire a microorganismelor în calitate de reactivi, în scopul obţinerii industriale a unor produse cu valoare economică. Prin dezvoltarea microbiologiei industriale, cu ajutorul microorganismelor se obţin avantajos aproximativ 200 de produse, printre care: alcoolul etilic şi butanolul, acetona, acidul citric, acidul lactic, aminoacizi, enzime, proteine, vitamine, insecticide biologice, produse de biosinteză ce se obţin pe plan mondial în cantităţi mari (milioane tone per an) sau vaccinuri, vitamine şi enzime purificate, hormoni de creştere, interferonul, antibiotice, în cantităţi mici. Primul patent înregistrat pentru un produs de biosinteză microbiană datează din 1882 pentru enzime proteolitice folosite la tăbăcirea pieilor;

• biotehnologia reprezintă un domeniu multidisciplinar al ştiinţei, tehnicii, tehnologiei şi al producţiei industriale ce se bazează pe potenţialul microorganismelor rezultate prin tehnici de inginerie genetică şi a enzimelor microbiene, în scopul obţinerii de bunuri industriale, energetice, agricole, farmaceutice, alimentare şi protecţia mediului.

Istoricul Microbiologiei

Dacă apariţia vieţii pe pământ se aproximează că a avut loc cu 3,8-4 miliarde de ani în urmă, cele mai vechi celule aparţinând bacteriilor metanogene şi bacterii ale genului Clostridium descoperite în lave vulcanice pietrificate, au existat de cel puţin 2 miliarde de ani. Celulele eucariote s-au transformat cu 1500 milioane de ani în urmă şi diversificarea acestora acum 400 milioane de ani, a condus la apariţia într-o lungă perioadă de timp a strămoşilor plantelor de astăzi.

În contrast cu dimensiunile atât de mici ale microorganismelor, rolul lor în natură este imens. Implicate direct în uriaşele transformări ale materiei organice nevii, prin procese de putrefacţie-putrezire, fermentaţii etc., microorganismele asigură în natură un circuit al principalelor elemente universale ce intră în structura organismelor vii şi au rol vital în menţinerea ecosistemelor, deoarece fără activitatea lor „pământul s-ar transforma într-un uriaş cimitir”.

Deşi procesele microbiene sunt cunoscute de la începutul omenirii, explicaţia ştiinţifică a cauzelor care le determină, a fost posibilă numai odată cu descoperirea microscopului. Cel care a utilizat pentru prima dată microscopul pentru studiul microorganismelor a fost Anthonie van Leeuwenhoek.

Microbiologia apare ca ştiinţă în a doua jumătate a secolului XVII şi debutează cu o perioadă lungă de observaţii morfologice când se acumulează un material vast privind caracterele şi răspândirea în natură a microorganismelor.

Cea de a doua perioadă în dezvoltarea microbiologiei este perioada fiziologică, inaugurată de lucrările marelui savant, chimist şi medic, Louis Pasteur care a stabilit principiile de bază ale microbiologiei prin descoperiri de importanţă fundamentală.

Louis Pasteur studiază condiţiile de distrugere a microorganismelor stabilind procedee de sterilizare. Studiază bolile microbiene ale vinului şi berii produse de microorganisme – agenţi ai fermentaţiei lactice şi butirice şi care pot să trăiască şi în absenţa aerului. Pasteur stabileşte modalitatea de tratare a vinului prin încălzire la 60°C care îi asigură conservabilitatea, operaţie denumită în prezent pasteurizare şi este pe drept cuvânt, considerat părintele microbiologiei industriale.

Visul lui Pasteur era să descopere microorganismele care provocau îmbolnăviri ale omului şi animalelor. A studiat boli ca holera găinilor, infecţia cărbunoasă, rabia etc. şi a realizat vaccinurile antiholeric şi antirabic, dovedind că unul şi acelaşi microb este cel care poate produce moartea, în schimb după un tratament adecvat poate da doar forme uşoare de boală şi concomitent o imunitate organismului vaccinat. Până în ultima clipă a vieţii a muncit neobosit pentru binele omenirii. Impresionant este crezul vieţii lui, exprimat simplu în cuvintele:

Voinţa, munca şi succesul sunt cuprinsul vieţii omeneşti. Voinţa deschide porţile, munca te trece prin ele, iar la sfârşitul drumului vine succesul ca o încoronare a tuturor eforturilor.

Robert Koch considerat părintele şcolii germane de microbiologie stabileşte că microbii sunt cauzele bolilor infecţioase şi descoperă vibrionul holerei, agentul tuberculozei etc., studii ce-i aduc în 1905 premiul Nobel pentru fiziologie şi medicină. Koch introduce în practica de laborator mediile de cultură solidificate ceea ce a permis izolarea în culturi pure a microorganismelor din natură. Folosirea culturilor pure s-a extins odată cu realizarea de aparatură destinată sterilizării mediilor necesare pentru cultivare.

Un rol important în introducerea culturilor pure în industrie aparţine savantului german E.H. Hansen care a utilizat microorganismele drept inocul ai fermentaţiilor, fapt ce a condus la microbiologia industrială modernă.

Descoperirea primului antibiotic, penicilina de către A. Fleming şi stabilirea tehnologiei de producere şi purificare a acestui antibiotic de către Florey şi Chain reprezintă una dintre cele mai importante realizări ale începutului de secol XX. Omenirea devine astfel posesoarea unei noi arme împotriva microorganismelor patogene şi sunt intens stimulate cercetările de descoperire şi aplicare în terapeutică a noi antibiotice cu spectru specific de acţiune.

Fondatorul microbiologiei româneşti este Victor Babeş, care a condus prima catedră de învăţământ medical de anatomie patologică şi bacteriologică. Împreună cu francezul V. Cornil este autorul primului tratat de bacteriologie apărut în lume: „Les bactéries”, în anul 1885. Victor Babeş a studiat boli ca turbarea, morva, lepra, holera, tuberculoza, parazitoze şi a introdus pentru prima dată în ţara noastră tratamentul prin serotapie – imunizare cu serul provenit de la animale în prealabil vaccinate. Este considerat unul dintre cei mai mari savanţi, a rămas în microbiologie prin numeroasele sale descoperiri.

Ioan Cantacuzino a creat o şcoală de microbiologie având ca centru institutul care îi poartă numele, organizând şi dezvoltând activitatea de producţie a serurilor şi vaccinurilor folosite în combaterea bolilor infecţioase.

În domeniul imunologiei, virusologiei şi microbiologiei generale, se remarcă savanţii: C. Lavaditi, D. Combiescu, M. Ciucă, Şt. Nicolau etc. care şi-au consacrat activitatea ştiinţifică, combaterii şi eradicării unor boli, pentru formarea şi dezvoltarea şcolii contemporane de microbiologie.

Clasificarea generala a microorganismelor

Variabilitatea extraordinară a microorganismelor şi capacitatea lor de adaptare la cele mai diferite condiţii ale mediului ambiant, fac ca lumea microbiană la nivel planetar să fie deosebit de numeroasă şi greu de clasificat.

Clasificarea biologică a lumii vii propusă de Whittaker (1969), acceptată de numeroşi taxonomişti cuprinde un sistem de cinci regnuri în funcţie de modul de organizare celulară şi modalităţi de nutriţie, având următoarea structură:

• regnul Monera include organisme monocelulare de tip procariot cu nutriţie de tip absorbtiv, cu metabolism fotosintetic sau chimiosintetic şi reproducere prin diviziune asexuată;
• regnul Protista include organisme monocelulare de tip eucariot (inclusiv drojdii). Modul de nutriţie este diferit de la un grup la altul, prin absorbţie sau ingestie şi reproducere sexuată/asexuată;
• regnul Fungi cuprinde organisme multinucleate de tip eucariot (mucegaiuri) cu nuclei dispersaţi în citosolul hifelor adesea septate, lipsite de plastide şi pigmenţi fotosintetici, cu nutriţie de tip absorbtiv şi reproducere pe cale sexuată şi asexuată;
• regnul Plantae , cu organisme multicelulare de tip eucariot, cu perete celulozic, vacuole în citoplasmă şi pigmenţi fotosintetici în plasmide. Modul principal de nutriţie este cel fotosintetic şi reproducerea predominant sexuată;
• regnul Animalia , cu organisme multinucleate de tip eucariot fără perete celular, cu nutriţie predominant prin ingestie şi reproducere sexuată.

Celula de tip procariot ce aparţine primelor forme de viaţă pe Pământ, prezintă un nucleoid nediferenţiat, lipsit de membrană nucleară. Molecula de ADN conţine întreaga informaţie genetică; celula procariotă nu conţine în citozol organite libere (cu membrană) şi ribozomii au dimensiuni mici. Sunt puţin diferenţiate din punct de vedere morfologic.

Celula de tip eucariot , mai evoluată, prezintă un nucleu bine diferenţiat în care este inclusă partea predominantă a genomului alcătuit dintr-un set de cromozomi, care în timpul procesului de înmulţire se divizează şi se repartizează între celulele rezultate. În cromozomi, ADN-ul este cuplat cu proteine de tipul histonelor. În celula eucariotă există organe simple prevăzute cu membrană, iar ribozomii au dimensiuni mai mari decât la procariote.

Pentru sistematizarea microorganismelor, se studiază întotdeauna caracterele morfologice, fiziologice, biochimice etc. ale culturii pure, cultură ce rezultă prin înmulţire dintr-o singură celulă (sau unitate formatoare de colonie), în mediu nutritiv steril şi deci cuprinde celule aparţinând unei singure specii.

În clasificări, pe bază de criterii morfologice şi fiziologice riguroase, stabilite de la general la particular, principalele grupe de microorganisme componente ale regnurilor citate sunt clasate în diviziuni, clase şi subclase, ordine, familii, triburi, genuri şi specii.

La baza tuturor clasificărilor este situată specia, produs al evoluţiei materiei vii, ca rezultat al adaptării la condiţiile existente ale mediului ambiant.

Specia corespunde populaţiei de indivizi cu numeroase proprietăţi comune, denumite caractere cu specificitate de specie, care le disting de alte specii. Microorganismele aparţinând unei specii au aceeaşi origine, sunt adaptate la un anumit mediu de viaţă, au metabolism asemănător şi sunt apropiate între ele prin caractere genetice.

Specia la microorganisme este denumită din două cuvinte, primul fiind numele genului, care include mai multe specii. Cel de al doilea cuvânt scris întotdeauna cu literă mică, de obicei defineşte un caracter specific. În cadrul speciei se diferenţiază prin caractere distinctive limitate, subspecii, tulpini, varietăţi.

Genul cuprinde una sau mai multe specii pe baza unor caractere comune, specifice de gen. Denumirea genului este în limba latină.

Tribul reprezintă un grup de genuri înrudite.

Familia este un grup de triburi sau genuri înrudite.

Ordinul reprezintă un grup de familii înrudite.

Clasa reprezintă gruparea ordinelor înrudite.