میکروبیولوژی چیست؟ آشنایی کامل با علم میکروبیولوژی

مقدمه‌ای بر علم میکروبیولوژی

میکروبیولوژی علم مطالعه میکروب‌ها و میکروارگانیسم‌هایی است که با چشم غیرمسلح انسان دیده نمی‌شود مانند باکتری‌ها، تک سلولی‌ها، آرکی‌ها، قارچ‌ها و ویروس‌ها.

در هرچیزی که می‌شناسیم، جوانب مثبت و منفی وجود دارد، و این امر در مورد این میکروارگانیسم‌ها نیز صدق می‌کند. برخی از میکروب‌ها برای سلامت سیاره و زندگی ما بسیار کشنده هستند، در حالی که برخی دیگر به سلامت این سیاره کمک می‌کنند.

به عنوان مثال، مطالعه میکروب‌ها در بخش پزشکی برای درک چگونگی ایجاد بیماری‌ها و تشخیص و درمان آن توسط این میکروارگانیسم‌ها ضروری است. علاوه بر این، درک این موجودات منجر به کشف کاربردها و فایده‌های آنها برای سلامت انسان می‌شود و مانند تغذیه یا دارو و مراقبت از محصولات کشاورزی.

این مقاله همه چیز را در مورد علم میکروبیولوژی، شاخه‌های مربوط به آن، مطالعه میکروب‌ها و اهمیت میکروبیولوژی در زندگی ما خلاصه می‌کند.

شاخه‌های میکروبیولوژی

تحصیل‌کردگان در شاخه میکروبیولوژی، میکروب‌ها را در مجموعه‌ای از سطوح یا شاخه، از جمله شاخه مولکولی (ژن و پروتئین)، شاخه سلولی (سلول و فیزیولوژی)، و شاخه جامعه (اکولوژی، اپیدمیولوژی و بهداشت عمومی) مطالعه می‌کنند.

برای مطالعه آسان میکروب‌ها – که ممکن است در تعداد، بی‌نهایت باشند – و به دلیل اهمیت میکروب شناسی در زندگی، آنها را به چندین شاخه مانند قارچ شناسی، انگل شناسی، ویروس شناسی، باکتری شناسی و ژنتیک میکروبی تقسیم می‌کنند.

قارچ شناسی

علم مطالعه قارچ‌ها، طبقه بندی آنها، مطالعات مولکولی، مطالعات ژنتیکی تا خواص بیوشیمیایی این موجودات است. همچنین به کاربردهای آنها در زندگی انسان به عنوان منبعی برای غذا، آنتوژن‌ها و طب سنتی و همچنین خطرات بالقوه آنها مانند مقدار سمی بودن و ابتلا به عفونت برای دیگر موجودات می‌پردازد.

انگل‌شناسی

مطالعه انگل‌ها، بیماری‌های انگلی، ویژگی زیست‌شناسی آن‌ها شامل پراکندگی، فیزیولوژی، بیوشیمی، اکولوژی، تکامل، زیست‌شناسی مولکولی و جنبه‌های بالینی و همچنین پاسخ آن‌ها به میزبان‌ها است.

ویروس‌شناسی

مطالعه ویروس‌ها و عوامل مشابه ویروس است. این موضوع شامل یافته‌های مربوط به طبقه‌بندی، تکامل، ویژگی‌های بیماری‌زا، کشت، ژنتیک و کاربرد آنها در تحقیق و درمان است.

باکتری شناسی

شاخه‌ای از میکروبیولوژی است که به مطالعه باکتری‌ها می پردازد. این شاخه خصوصا شامل مطالعه مورفولوژی باکتری‌ها، اکولوژی، ژنتیک و بیوشیمی می شود.

ژنتیک میکروبی

در علم مطالعه ژنتیک میکروبی، مکانیسم‌های مرتبط با انتقال اطلاعات ارثی در میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها، آرکی‌ها، ویروس‌ها، تک یاخته‌ها و قارچ‌ها را بررسی می‌کنیم.

انواع میکروارگانیسم‌ها

میکروبیولوژی شامل مطالعه جمعیت‌های میکروبی مختلف از جمله ویروس‌ها، باکتری‌ها، قارچ‌ها، جلبک‌ها، تک یاخته‌ها، گلسنگ‌ها و کپک‌های لجنی است.

1. باکتری

باکتری‌ها در همه جا حضور دارند و یکی از اولین نشانه‌های حیات روی زمین هستند. آنها در زیستگاه‌های مختلف مانند خاک، زیر آب، عمق پوسته زمین، و حتی در محیط هایی با شرایط شدیدا سخت مانند چشمه‌های آب گرم اسیدی و زباله‌های رادیواکتیو وجود دارند. همچنین، در دریاچه‌ها و اقیانوس‌ها، در یخ‌های قطب شمال و چشمه‌های زمین گرمایی نیز در دسترس هستند.

مطالب مرتبط:

• میکروارگانیسم چیست؟

باکتری‌ها عموماً موجوداتی آزاد زی، تک سلولی و میکروسکوپی (طول چند میکرومتر) هستند. طیف گسترده‌ای از اندازه‌ها و شکل‌ها را دارند. اکثر آنها میله‌ای شکل (به نام باسیل) یا کروی شکل (به نام کوکسی) هستند و در اندازه های مختلف از 0.5 تا 5.0 میکرومتر طول دارند.

اشکال مختلف باکتری

سلول‌های باکتریایی توسط یک دیواره سلولی احاطه شده‌اند، با غشای پلاسمایی که عمدتاً از فسفولیپیدها تشکیل شده است.

دیواره سلولی باکتری از پپتیدوگلایکن تشکیل شده است که توسط زنجیره‌های پلی ساکارید به هم پیوسته توسط اسیدهای آمینه D، حاوی پپتیدها تشکیل شده است. علاوه بر این، باکتری‌ها بر اساس ضخامت لایه پپتیدوگلایکن خود به دو گروه تقسیم می‌شوند: باکتری‌های گرم مثبت و باکتری‌های گرم منفی.

مطالب مرتبط:

• باکتری چیست؟

تفاوت بین این دو باکتری در جدول زیر توضیح داده شده است.

شماره	ویژگی‌ها	باکتری گرم مثبت	باکتری گرم منفی
1	دیواره سلولی	دارای ضخامت دیواره سلولی صاف تک لایه در اندازه 20 تا 80 نانومتر هستند.	دارای ضخامت دیواره سلولی دولایه و مواج بین 8 تا 10 نانومتر هستند.
2	لایه پپتیدوگلایکن	ضخیم است و می‌تواند در چند لایه وجود داشته باشد.	نازک است و فقط در یک لایه وجود دارد.
3	غشای خارجی	وجود ندارد	در اکثر موارد وجود دارد
4	مورفولوژی	کوکسی‌ها یا باسیل‌های هاگ ساز.	باسیل‌های غیر اسپور ساز
5	محتوای لیپید و لیپوپلی ساکارید	محتوای چربی کمی دارند و لیپوپلی ساکارید وجود ندارد.	دارای 20-30٪ محتوای چربی هستند و لیپوپلی ساکارید موجود است.
6	مقاومت در برابر آنتی بیوتیک‌ها	نسبت به آنتی بیوتیک‌ها حساس‌تر هستند.	نسبت به آنتی بیوتیک‌ها مقاومت بیشتری دارند
7	رنگ آمیزی گرم	پس از رنگ آمیزی گرم، زیر میکروسکوپ بنفش به نظر می‌رسند.	پس از رنگ آمیزی گرم، لکه را حفظ نمی‌کنند و در زیر میکروسکوپ صورتی به نظر می‌رسند.
8	مثال‌ها	استافیلوکوک و استرپتوکوک	اشریشیا و سالمونلا

برخلاف یوکاریوت‌ها، پروکاریوت‌ها حاوی اندامک‌های متصل به غشاء مانند میتوکندری، کلروپلاست و هسته نیستند. مواد ژنتیکی آنها در یک جسم نامنظم به نام نوکلوئید به شکل یک کروموزوم دایره‌ای منفرد (به نام پلاسمید) ذخیره می‌شود. کروموزوم موجود در نوکلوئید نیز با پروتئین ها و RNA مرتبط است و با نوعی تولید مثل غیرجنسی به نام تقسیم دوتایی تکثیر می‌شوند.

گونه‌های آن‌ها برهمکنش‌های متفاوتی با دیگر ارگانیسم‌ها دارند – می‌تواند متقابل، همزیست، رابطه شکارچی یا بیماری‌زا باشد. و این مورد بستگی به گونه های ‌باکتریایی دارد.

گروه بسیاری از کلنی‌های باکتریایی نیز به طور مثبت به نیازهای انسان کمک می‌کنند. برخی از کاربردهای آن عبارتند از:

باکتری‌هایی مانند لاکتوباسیلوس برای تهیه غذاهای تخمیر شده مانند پنیر، ماست، سس سویا و شراب همراه با مخمرها و کپک‌ها استفاده می‌شود.

برخی از گونه‌های باکتری که می‌توانند هیدروکربن‌های موجود در نفت را تجزیه و هضم کنند، و از آنها برای تمیز کردن نشت نفت استفاده می‌شود و در پاکسازی زیستی پسماندهای سمی صنعتی نیز کاربرد دارند.

برخی از گونه‌های باکتری برای تولید پروتئین‌های درمانی مانند انسولین، فاکتورهای رشد یا آنتی‌بادی‌ها مهندسی شده‌اند.

2. قارچ

قارچ‌ها یوکاریوت‌های چند سلولی پیچیده‌ای هستند (به جز مخمر که تک سلولی است) و شامل میکروارگانیسم‌هایی مانند مخمرها، کپک‌ها و قارچ‌ها می شود. آنها عمدتاً در زمین، خاک یا مواد گیاهی ساکن هستند. برخی در محیط‌هایی با شرایط سخت مانند بیابان‌ها، مناطقی با غلظت نمک بالا یا تشعشعات یونیزاسیون بالا، و رسوبات اعماق دریا یافت می‌شوند.

از نظر مورفولوژی، قارچ‌ها ساختار نخ مانندی به نام هیف (hyphae) دارند. آنها با انشعاب به ساختاری به نام میسلیوم، بسیاری از ساختارهای دیگر را به وجود می آورند.

تاکسونومیست‌ها تا سال 2020 حدود 148000 گونه قارچ را توصیف کرده اند و آنها را می‌توان به دسته‌های مختلفی بر اساس اندازه، شکل، اندام باردهی و خصوصیات بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی طبقه بندی کرد.

آنها بر اساس چرخه زندگی و آرایش هاگ و انواع هاگ تولید شده به گروه‌های زیر طبقه بندی می شوند:

• کپک‌های قارچی رشته‌ای چند سلولی
• قارچ‌های رشته‌ای ماکروسکوپی با بدنه‌های بارده بزرگ
• مخمرهای میکروسکوپی تک سلولی

قارچ‌ها ویژگی‌های مشترک با یوکاریوت‌ها، گیاهان و حیوانات دیگر دارند و این موارد عبارتند از:

ویژگی‌های مشابه گیاهان: دارای دیواره سلولی و واکوئل مشابه گیاهان هستند و مانند خزه و سرخس هاگ نیز تولید می‌کنند. علاوه بر این، آنها همچنین می‌توانند به دو روش جنسی و غیرجنسی تولید مثل کنند.

ویژگی‌های مشابه حیوانات: حیوانات و قارچ‌ها هر دو فاقد کلروپلاست و هتروتروف هستند، بنابراین به ترکیبات آلی به عنوان منبع انرژی نیاز دارند.

ویژگی مشابه سایر یوکاریوت‌ها: قارچ‌ها نیز مانند سایر یوکاریوت‌ها دارای هسته‌های متصل به غشاء (حاوی مواد ژنتیکی) و سایر اندامک‌ها مانند میتوکندری هستند. علاوه بر این، آنها دارای طیف گسترده ای از کربوهیدرات‌های محلول و ترکیبات ذخیره سازی مانند الکل‌های قند و پلی ساکاریدها هستند.

بیشتر گونه‌های قارچی باعث ایجاد بیماری در گیاهان و حیوانات می شوند، اما برخی از آنها در مناطق مختلف کاربرد مفید دارند، به عنوان مثال:

از قارچ‌ها در فرآوری، آماده سازی و نگهداری مواد غذایی استفاده می‌شود. آنها همچنین برای تخمیر مواد غذایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال مخمر نانوایی برای تهیه نان و سایر محصولات مبتنی بر گندم استفاده می‌شود.

برخی از گونه‌های قارچی در شیمی درمانی مدرن و طب سنتی کاربرد دارند. به عنوان مثال، پنی سیلین G یک آنتی بیوتیک است که از Penicillium chrysogenum به دست می آید.

گریزئوفولوین از Penicillium griseofulvum  (برای درمان عفونت‌های قارچی استفاده می شود) جدا شده است. ترکیب پلی ساکارید-K جدا شده از Trametes versicolor  برای درمان سرطان بعنوان ماده کمکی در اروپا و ژاپن استفاده می‌شود.

برخی از قارچ‌ها، مانند قارچ‌های پوسیدگی سفید، در فرآیندهای زیست پالایی به خوبی عمل می‌کنند.

3. جلبک

جلبک‌ها گروه بزرگی از موجودات فتوسنتزی عمدتاً آبزی هستند. آنها از ریزجلبک‌های تک سلولی، مانند کلرلا و دیاتوم‌ها، تا جلبک‌های چند سلولی، مانند کلپ غول‌پیکر و جلبک‌های قهوه‌ای متغیر هستند. بیشتر جلبک‌ها مانند گیاهان اتوتروف هستند، اما فاقد سلول‌ها و بافت‌های مهم موجود در گیاهان مانند روزنه، آوند چوبی و آبکش هستند.

جلبک‌ها به روش‌های مختلفی و بر اساس ویژگی‌های متفاوتی طبقه بندی می‌شوند. و بسته به رنگدانه‌هایی که دارند، جلبک‌ها به سه گروه تقسیم می‌شوند:

• جلبک سبز (کلروفیت)
• جلبک قرمز (رودوفیت)
• جلبک قهوه ای (فئوفیت)

برخی از گونه‌های جلبک در همزیستی با سایر موجودات زنده زندگی می‌کنند. میزبان نیازهای غذایی خود را از جلبک‌ها می گیرد و در ازای آن از آنها محافظت می‌کند. مانند:

گلسنگ: شکل پیچیده‌ای از موجود زنده است که توسط قارچ و جلبک که به صورت همزیستی به هم مرتبط هستند، تشکیل شده است. در این همزیستی، قارچ‌ها شرکای غالبی هستند که ویژگی‌های فیزیکی بیشتری به گلسنگ‌ها می‌دهند و جلبک‌هایی که عمدتاً با ساخت گلسنگ‌ها مرتبط هستند، جلبک‌های سبز یا جلبک‌های سبز آبی هستند. چند نمونه از گلسنگ‌ها Graphis scripta و Ochrolechia parella و macrolichen هستند.

صخره‌های مرجانی: ساختارهای بزرگ زیر آب هستند که از اسکلت بی‌مهرگان دریایی به نام مرجان تشکیل شده‌اند. برخی از مرجان‌ها با استخراج کربنات کلسیم از آب دریا، صخره‌ها را می‌سازند و با نام مرجان‌های سخت شناخته می‌شوند. این گونه، اغلب در سلول‌های خود دارای جلبک‌های داینوفلاژل هستند که به آنها کمک می‌کند سالم زندگی کنند.

اسفنج‌های دریایی: چند گونه از جلبک‌ها، روی سطح اسفنج‌های دریایی زندگی می‌کنند و در آنجا قند و اکسیژن را برای رشد خود تامین و از میزبان خود در برابر شکارچیان، محافظت می‌کنند.

برخی از مزایای عملی جلبک در زندگی انسان عبارتند از:

• از جلبک‌ها برای استخراج آگار در مواد غذایی و در آزمایشگاه‌ها برای رشد گیاهان و میکروارگانیسم‌ها استفاده می‌شود
• آلژینات استخراج شده از جلبک‌های قهوه‌ای در برخی مواد غذایی و پانسمان‌های پزشکی استفاده می‌شود
• از برخی گونه‌های جلبک نیز در تهیه کود، تهویه خاک و خوراک دام استفاده می‌شود
• از کلرلا و اسپیرولینا در برخی کشورها به عنوان مواد غذایی تغذیه‌ای استفاده می شود

برخی گونه های جلبک آبزی

4. تک سلولی ها

تک سلولی ها موجودات یوکاریوتی تک سلولی هستند که در گستره وسیعی از زیستگاه‌ها از جمله آب شیرین، محیط‌های دریایی گرفته تا خاک زندگی می‌کنند. بیشتر آنها انگلی هستند که در گیاهان یا جانوران زندگی می‌کنند و باعث بیماری‌های شدیدی در موجودات دیگر می‌شوند. آنها می‌توانند به دو روش جنسی یا غیرجنسی تولید مثل کنند و فاقد دیواره سلولی هستند. تک سلولی ها دارای تاژک و مژک هستند که به حرکت آنها در آب کمک می‌کند.

• درباره تک سلولی ها بیشتر بخوانید

برخی از بیماری‌های ناشی از تک سلولی ها عبارتند از:

شماره	بیماری	تک سلولی عامل
1	آمیبیازیس	انتامبا هیستولیتیکا
2	تریکومونیازیس	تریکوموناس واژینالیس
3	بیماری خواب آفریقایی	تریپانوزوما بروسی
4	لیشمانیوز	گونه های لیشمانیا
5	مالاریا	پلاسمودیوم spp

تصویر گونه‌های مختلف تک سلولی

5. ویروس‌ها

ویروس‌ها عوامل عفونی و بیماری زا هستند که فقط در موجودات و میزبان زنده، قادر به ادامه حیات می‌باشند. اولین ویروس، ویروس موزاییک تنباکو، در سال 1898 توسط Martinus Beijerinck کشف شد و از آن زمان تاکنون، حدود 9000 گونه از ویروس‌ها توسط دانشمندان کشف و مورد مطالعه قرار گرفته است.

ویروس‌ها بسیار کوچکتر از باکتری‌ها هستند و دارای گستره وسیعی از اشکال و اندازه‌ها هستند. با این حال، پنج شکل اصلی ویروس‌ها عبارتند از: مارپیچ، ایکوسادرال، پرولات، پوششی و پیچیده.

بر خلاف سایر موجودات زنده که فقط حاوی DNA به عنوان ماده ژنتیکی هستند، ویروس ها DNA یا RNA ( تعداد بیشتری نسبت به DNA) دارند. ویروس‌های مختلف می‌توانند RNA تک رشته‌ای، RNA دو رشته‌ای، DNA تک رشته‌ای یا DNA دو رشته‌ای داشته باشند.

ویروس‌ها میکروارگانیسم‌های فاقد سلولی هستند که برای تولید و تکثیر به دستگاه سلول میزبان خود نیاز دارند. آنها باعث ایجاد طیف وسیعی از بیماری در انسان، حیوان، پرندگان، باکتری‌ها و حتی آرکی‌ها می‌شوند.

اهمیت میکروبیولوژی

میکروارگانیسم‌ها به روش‌های بی‌شماری به زندگی بهتر کمک می‌کنند. به غیر از مواردی که باعث آسیب می‌شوند، موارد دیگری نیز وجود دارند که اهمیت بسیار زیادی در اکوسیستم و سیستم سلامت ما دارند. برخی از این مزایا در زیر توضیح داده شده است.

کشاورزی

​​میکروب‌ها با تجزیه ترکیبات پیچیده به اشکال ساده‌تر به گیاهان کمک می‌کنند تا مواد مغذی مورد نیاز خود را دریافت کنند. آنها همچنین خاک را غنی از مواد مغذی و مواد معدنی (مانند نیترات) می‌کنند که می‌تواند عملکرد محصول را افزایش دهد. میکروب‌ها به گیاهان کمک می‌کنند تا نیتروژن را تثبیت کنند و برخی از آنها به عنوان کودهای زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرند و در نتیجه به خروجی بهتر و باکیفیت تر مواد غذایی کمک می‌کنند.

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک

مطالعات میکروبی به دانشمندان این امکان را داده است تا مکانیسم‌های موجود زنده را درک کرده و آنها را به گونه‌ای مهندسی کنند که به افزایش تولید ترکیبات دارویی کمک کند. آنها بر این باورند که قرار دادن ژن‌های خارجی در برخی از گونه‌های باکتریایی ممکن است منجر به ایجاد یک سویه از باکتری شود که می‌تواند راه‌حل‌هایی برای چالش‌های بی‌شمار، از جمله آلودگی، کمبود مواد غذایی و انرژی، و درمان و کنترل بیماری ارائه دهد.

تولید ترکیبات خاص

از باکتری‌ها برای تولید محصولات از مواد اولیه جدید تهیه شده، استفاده می‌شود. آنها می‌توانند یک واکنش متابولیک را به سرعت در مقیاس بزرگ انجام دهند و نیاز مردم به دارو، مواد غذایی یا سایر ترکیبات شیمیایی مانند انسولین و سایر هورمون‌های رشد را برآورده کنند.

مبارزه با بیماری‌ها

مطالعه میکروب‌ها پتانسیل آنها را در درمان چندین بیماری کشنده آشکار کرده است. به عنوان مثال، از چندین گونه باکتری برای جداسازی ترکیبات دارویی مانند آنتی بیوتیک‌ها و تولید واکسن استفاده می‌شود.

سالم نگه داشتن سیاره زمین

میکروب‌ها نقش اساسی در بازیافت مواد معدنی مانند نیتروژن و کربن برای دسترسی آسان به سایر موجودات، حفظ اکسیژن محیط و تجزیه فعال مواد آلی، دارند.

فرآوری غذا

مطالعه در حیطه علم میکروبیولوژی، ما را در مورد استفاده از میکروب‌ها به عنوان منبع ضروری مواد مغذی، بسیار آگاه کرده است. به عنوان مثال، برخی از گونه‌های جلبک و قارچ، بخشی از وعده غذایی مردم هستند، مانند قارچ، کلرلا، اسپیرولینا و از برخی میکروب‌ها نیز در فرآوری مواد غذایی، تخمیر، پخت و تولید خوراک دام استفاده می‌شود.

سخن پایانی

میکروبیولوژی علم مطالعه تنوع میکروب‌ها در طبقه‌بندی، تکامل، مورفولوژی، فرآیندهای متابولیک، مکانیسم‌های مولکولی، مواد ژنتیکی، مکانیسم ایجاد بیماری، پاسخ به میزبان و اهمیت میکروبیولوژی در ایجاد سیاره‌ای بهتر و سالم‌تر است.

این موضوع در مورد همه میکروب‌ها، از جمله باکتری‌ها، ویروس‌ها، قارچ‌ها، جلبک‌ها، تک سلولی‌ها، کپک‌های لجنی، گلسنگ‌ها و بسیاری دیگر صحبت می‌کند. درک بهتر این موجودات نقش بسزایی در بخش پزشکی نیز دارد. با استفاده از دانش میکروبیولوژی، می‌توان عوامل ایجاد بیماری، تشخیص‌های احتمالی و رویکردهای درمانی را بهتر درک کرد.

این رشته، پر از فرصت‌هایی است که در آن دانشمندان جوان می‌توانند از پتانسیل و ویژگی این میکروب‌ها به نفع سلامت انسان و محیط زیست استفاده کنند. محققان در حال حاضر در حال تحقیق و مطالعه گسترده درباره برخی گونه‌های میکروبی و نقش آنها در مبارزه با مشکلاتی مانند آلودگی، ایجاد روش‌های درمانی بهتر، تولید دارو، افزایش تولید محصول و تولید مواد غذایی غنی از مواد مغذی هستند.

همچنین از صفحات زیر دیدن فرمایید:

دوره مهارت‌آموزی میکروبیولوژی ژنیران

خدمات بخش میکروبیولوژی ژنیران

منبع

مترجم: حنانه بریمانی