1 Przegląd mikrobiologii - podstawyEugenia Gospodarek-Komkowska, Małgorzata Prażyńska
Mikrobiologia (gr. mikros - mały, bios - życie, logos - nauka) obejmuje i integruje wiele dziedzin, a szczególnie wirusologię, bakteriologię, mykologię, parazytologię i immunologię. Zajmuje się opisem drobnoustrojów, tj. wirusów, bakterii, archeonów, grzybów, pasożytów, cechujących się zróżnicowanym występowaniem, budową, fizjologią, metabolizmem, genetyką, czynnikami wirulencji, patomechanizmem i epidemiologią.
Mikrobiologia wnosi wartości teoretyczno-poznawcze i zastosowania praktyczne do wielu dziedzin działalności człowieka. Obejmuje takie działy, jak: mikrobiologia ogólna - charakteryzuje najbardziej podstawowe pojęcia związane z drobnoustrojami (budowa, fizjologia, rozmnażanie, środowisko życia, wpływ na ich środowisko życia i inne organizmy); mikrobiologia szczegółowa - zajmuje się systematyką drobnoustrojów i charakterystyką poszczególnych taksonów klasyfikacji (królestwo, dział, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek, szczep), aktualizowaniem powyższych danych o osiągnięcia najnowszych badań systematycznych; mikrobiologia medyczna - związana z medycyną, zajmuje się badaniem wpływu drobnoustrojów na organizmy żywe - głównie człowieka, a także zwierzęta, opisuje czynniki etiologiczne chorób, ich przebieg, sposoby leczenia i profilaktyki; mikrobiologia weterynaryjna - zajmuje się badaniem oddziaływania drobnoustrojów chorobotwórczych na zwierzęta; mikrobiologia środowiskowa - dotyczy współoddziaływania drobnoustrojów i elementów środowiska, zajmuje się badaniem środowisk występowania drobnoustrojów, w tym tych najbardziej wymagających (słone i gorące jeziora, głębiny oceaniczne, pustynie, itp.) i opisywaniem właściwości, które umożliwiają im bytowanie w tych często niesprzyjających warunkach, dostarcza wiedzy, jak wykorzystywać drobnoustroje do oczyszczania ścieków, odradzania terenów ubogich biologicznie; mikrobiologia sanitarna - bada sposoby rozprzestrzeniania się drobnoustrojów patogennych, odpowiada również za sanityzację środowiska, dezynfekcję przedmiotów, na których mogą występować patogeny, odgrywa dużą rolę w ochronie środowiska życia dla ludzi i zwierząt poprzez oznaczanie czystości mikrobiologicznej; mikrobiologia gleby - bada drobnoustroje w środowisku gleby; mikrobiologia przemysłowa (techniczna) - dotyczy możliwości potencjalnego wykorzystania drobnoustrojów w procesach przemysłowych (przemysł chemiczny, farmaceutyczny, kosmetyczny, piekarniczy, mleczarski, browarniczy, winiarski, oczyszczanie ścieków), wykrywania, badań i dostosowania do przemysłowego wykorzystania metabolicznych procesów, właściwości drobnoustrojów, związana jest z biotechnologią.
1.1. Taksonomia drobnoustrojówEugenia Gospodarek-Komkowska
Świat drobnoustrojów jest nie tylko niezwykle zróżnicowany, ale i uporządkowany. Wiele właściwości drobnoustrojów determinuje ich przynależność do określonej jednostki systematycznej. Nam pozostaje opracowanie i zaaplikowanie metod do ich wykrywania, rozpoznawania, różnicowania, identyfikacji i przestrzegania tego porządku. Wszystkie drobnoustroje podlegają taksonomii, a nadawanie im nazw następuje zgodnie z zasadami międzynarodowymi. Najniższą jednostką klasyfikacyjną jest szczep - zbiór cząstek (wirusy) lub komórek (bakterie, archeony, grzyby, pierwotniaki) o identycznych cechach, które najprawdopodobniej pochodzą z jednej wyjściowej cząstki czy komórki. Szczepy tworzą podstawową jednostkę taksonomiczną - gatunek. Nazwa gatunku jest dwuczłonowa - składa się z nazwy rodzajowej (Staphylococcus - gronkowiec) i, tzw. epitetu gatunkowego (aureus - złocisty), który często odzwierciedla cechy fenotypowe lub został nadany w celu upamiętnienia nazwiska badacza, miejsca występowania, rodzaju zakażenia, np. Staphylococcus epidermidis (gronkowiec naskórkowy), Echerichia coli (pałeczka okrężnicy). Gatunki na podstawie pokrewieństwa grupowane są w wyższe jednostki: rodzaje, rodziny, rzędy, klasy, typy, domeny. Nazwy rodzin bakterii mają końcówkę -aceae, a rodzin wirusów -viridae.
1.2. Klasyfikacja, budowa, genetyka i replikacja wirusówEugenia Gospodarek-Komkowska
Wirusy (łac. virus - trucizna, jad) to drobnoustroje, które nie mają struktury komórkowej. Tworzą je cząstki (wiriony) zdolne do aktywności metabolicznej i replikacji wyłącznie wewnątrz komórek ludzkich, zwierzęcych, roślinnych lub bakteryjnych. Są mniejsze niż bakterie i (z nielicznymi wyjątkami) niewidoczne w mikroskopie świetlnym. Średnica wirionu wynosi od 18 nm do 600 nm; wiriony zakażające ludzi mają średnicę od 20 nm do 400 nm; większość ma mniej niż 200 nm.
Cząstka wirusa składa się z dwóch podstawowych struktur: genomu - centralnie położonego materiału genetycznego, RNA lub DNA (wyjątek: Mimivirus, który ma DNA i RNA) oraz kapsydu. Wirusy DNA mają najczęściej podwójną nić (double-stranded DNA, dsDNA; wyjątek stanowią Parvoviridae i Anelloviridae, które mają pojedynczą nić DNA, single-stranded DNA, ssDNA). Natomiast wirusy RNA zwykle mają pojedynczą nić RNA (ssRNA z wyjątkiem Reoviridae, które charakteryzują się dsRNA). Genomy wirusów, zależnie od ich wielkości, zawierają od około 5 tys. do ponad 200 tys. nukleotydów lub par zasad (base pair, bp). Ostatnio odkryto wirusy, których genomy przekraczają milion bp, np. wirusy dsDNA z rodzaju Mimivirus (wywołują zapalenie płuc u ludzi) i Megavirus.
Kapsydy pełnią funkcję ochronną dla genomu, z którym tworzą nukleokapsyd, zbudowany z podjednostek białkowych - kapsomerów, umożliwiają wirusom bezosłonkowym wnikanie wirionu do komórki żywiciela. Układ białek kapsydu względem genomu nadaje symetrię nukleokapsydu i kształt cząstki wirusa. Nukleokapsyd może być nagi lub z osłonką. Wirusy osłonkowe najczęściej są wrażliwe na eter i detergenty. Osłonka jest zazwyczaj lipidowa i może mieć wypustki powierzchniowe (peplomery) złożone z glikoprotein, które umożliwiają przyleganie (adsorpcję) wirionu do receptorów komórek gospodarza i określają swoistość antygenową wirusów, np. hemaglutynina i neuraminidaza wirusów grypy. Szczególnie duże są wypustki adeno- i koronawirusów (stąd nazwa tej rodziny Coronaviridae, gdyż tworzą "koronę" na powierzchni wirionu, np. koronawirus zespołu ostrej niewydolności oddechowej 2 - Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2, SARS-CoV-2). Wewnątrz cząstki wirusa mogą występować białka, enzymy niezbędne do replikacji, np. polimeraza DNA lub RNA, odwrotna transkryptaza, a także proteaza istotna w procesie dojrzewania wirionu.
W klasyfikacji wirusów uwzględnia się, m.in. nazwisko odkrywcy, patomechanizm zmian chorobowych, jakie te wirusy wywołują (np. ludzki wirus niedoboru odporności, Human Immunodeficiency Virus, HIV), geograficzne miejsce ich odkrycia (np. wirus gorączki Zachodniego Nilu), strukturę genomu, liczbę i polarność jego nici, przebieg procesu replikacji. Inne kryteria to klasyfikacja kliniczna uwzględniająca objawy kliniczne zakażenia, np. wirusy wywołujące zapalenie wątroby (objawy kliniczne nie pozwalają określić rodzaju wirusa wywołującego zakażenie, dlatego konieczne jest wykonanie badania wirusologicznego), epidemiologiczna - wyróżnia wirusy szerzące się drogą oddechową, pokarmową (fekalno-oralną), przenoszone przez krew, stawonogi (np. arbowirusy, arthropod-borne), gryzonie (np. robowirusy, rodent-borne). Odrębną grupę stanowią wirusy zakażające rośliny i - rzadziej - bakterie (bakteriofagi, fagi). Zatem, kryteria klasyfikacji i nazewnictwa wirusów są różne, przykłady przedstawiono w tabeli 1.1.
Tabela 1.1. Kryteria klasyfikacji i nazewnictwa wirusów
Cecha
Opis
Budowa
Wielkość, morfologia, rodzaj kwasu nukleinowego, obecność osłonki, np. Picornaviridae (małe, RNA), Togaviridae (osłonka, RNA)
Symetria wirionu
- Kubiczna (ikozaedralna) - wirion ma kształt bryły foremnej, jest to zwykle dwudziestościan (ikosaedr)
- Helikalna - u wirusów mających śrubowato zawinięty nukleokapsyd
- Złożona - wirusy, które nie są zaliczane do ww. symetrii
Cechy biochemiczne
Budowa, sposób replikacji (obecny sposób klasyfikacji taksonomicznej wirusów)
Wywoływana choroba
Zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, zapalenie wątroby
Droga transmisji
Bezpośrednia, pośrednia, udział wektorów, np. arbowirusy rozprzestrzeniają się przez owady
Tropizm - komórka, tkanka, narząd, układ
Pneumotropowe (komórki nabłonkowe układu oddechowego), hepatotropowe (hepatocyty - wątroba), wirusy neurotropowe (układ nerwowy), dermatotropowe (skóra), kardiotropowe (serce), enterotropowe (układ pokarmowy), pantropowe (różne tkanki i narządy)
Zakres gospodarzy
- Wąski, szeroki
- Ludzie, zwierzęta (owady, gryzonie, ptaki, ssaki), rośliny, bakterie
Dotychczas opisano ponad 2 tys. gatunków wirusów, z których około 650 może zakażać ludzi i zwierzęta. Zakażenie może mieć przebieg ostry i trwać kilka dni (np. grypa) lub przewlekły, trwający czasem kilkadziesiąt lat (np. zakażenie wirusem brodawczaka ludzkiego - Human Papillomavirus, HPV, wirusem zapalenia wątroby typu C - Hepatitis C Virus, HCV); może mieć przebieg łagodny (np. przeziębienie), ale i śmiertelny (np. zespół nabytego upośledzenia odporności - Acquired Immunodeficiency Syndrome, AIDS, wścieklizna, grypa, Coronavirus Disease 2019, COVID-19).
Wirusy do replikacji (powielania się) wymagają żywych komórek gospodarza, do których wniknęły. Wykazują tropizm komórkowy, np. wirusy grypy - komórki nabłonka układu oddechowego, mięśnia sercowego, wirus opryszczki (Herpes Simplex Virus, HSV): HSV-1 - komórki jamy ustnej, skóry twarzy i rogówki, HSV-2 - komórki w obrębie narządów płciowych. Replikacja wirusów polega na zahamowaniu i przestawieniu metabolizmu komórki gospodarza na potrzeby syntezy składników potomnych cząstek wirionu. Z tego powodu nie jest możliwa hodowla wirusów na pożywkach bezkomórkowych, a jedynie (choć nie wszystkich) w hodowlach komórek żywych i wrażliwych, mających receptor dla danego wirusa. Replikacja wirusów DNA zachodzi zwykle w jądrze zakażonej komórki, a wirusów RNA - w cytoplazmie; wyjątkiem są Poxviridae, które mimo że mają DNA, namnażają się w cytoplazmie zakażonej komórki. Cykl replikacyjny wirusów można podzielić na kilka faz (tab. 1.2).
Tabela 1.2. Fazy replikacji wirusów
Faza
Opis
Wczesna
- Tropizm - rozpoznanie właściwej komórki docelowej
- Adsorpcja - przyłączenie się do receptorów komórki docelowej
- Wiropeksja - penetracja, pokonanie bariery błony komórkowej
- Odpłaszczenie - pozbycie się osłonki, kapsydu, uwolnienie swojego genomu w cytoplazmie; w przypadku niektórych wirusów konieczne jest przeniesienie genomu do jądra komórkowego
Późna
- Synteza makromolekularna - zmuszenie komórki do syntezy składowych wirionu
- wczesne mRNA i synteza białek niestrukturalnych: genów kodujących enzymy i białka wiążące kwasy nukleinowe
- replikacja genomu
- Dojrzewanie
- składanie cząstek kwasów nukleinowych z białkami kapsomerów w dojrzałe wiriony
- Elucja - uwalnianie potomnych cząstek wirusa
- zakażone komórki ulegają lizie, uwalniając tym samym dojrzałe wirusy
Wirusy mogą się przemieszczać z jednej komórki do drugiej, tym samym chronią się przed przeciwciałami, które mogą je neutralizować
W replikacji wirusów RNA (np. HIV) bierze udział enzym - odwrotna transkryptaza, przy udziale którego możliwa jest synteza DNA wirusa na matrycy RNA.
Wczesną fazę zakażenia charakteryzuje obecność tylko kwasu nukleinowego w komórce (faza eklipsy), która kończy się wraz z pojawieniem się nowych cząstek wirionów. Faza latencji (utajenia), podczas której nie wykrywa się pozakomórkowo zakaźnych cząstek wirusa, zawiera fazę eklipsy i kończy się uwolnieniem nowych wirionów. Jedna komórka może "wyprodukować" w czasie jednego cyklu replikacyjnego 100 tys. cząstek wirusów, ale tylko 1-10% z nich jest zdolna do wywołania zakażenia. Cząstki nieinfekcyjne (uszkodzone) powstają w wyniku mutacji lub błędów podczas składania wirionów. Liczba złożonych cząstek wirusów oraz czas konieczny do pełnego cyklu reprodukcji różnią się w zależności od wirusa i komórki docelowej, np. cząstki wirusów grypy są uwalniane z komórek nabłonka dróg oddechowych po 6 godzinach i zdolne są do zakażania następnych komórek.
Replikacja cząstek wirusa kończąca się śmiercią komórki gospodarza nosi nazwę cyklu litycznego i jest charakterystyczna dla wirusów zjadliwych. W przypadku wirusów łagodnych następuje włączenie materiału genetycznego wirusa do DNA komórki gospodarza i przekazanie go komórkom potomnym (nie następuje liza komórek). Taki cykl nazywa się lizogennym.
ZAPAMIĘTAJ!
Wirusy to drobnoustroje bezkomórkowe zależne od metabolizmu komórki gospodarza. Ich cząstka, zwana wirionem, składa się z RNA lub DNA otoczonego kapsydem - ochronną warstwą białkową, złożoną z jednostek zwanych kapsomerami i, czasem, dodatkowo z otoczki. Zakażenie komórki przez wirusy (i związana z tym procesem replikacja) może przebiegać - w zależności od gatunku - na wiele sposobów, jednak niezależnie od występujących różnic podstawowe fazy są wspólne dla wszystkich wirusów. Klasyfikacja wirusów opiera się na różnych kryteriach, a obecnie sposób replikacji przyjęto za najważniejszy.
PYTANIA SPRAWDZAJĄCE
1. Przedstaw budowę wirusów.
2. Wymień etapy rozwoju wirusów.
3. Jakie są kryteria klasyfikacji wirusów?
1.3. Klasyfikacja, budowa, genetyka i namnażanie się bakteriiEugenia Gospodarek-Komkowska
Gatunek bakterii to grupa szczepów, które wykazują nie więcej niż 3% różnic w sekwencji nukleotydów 16S rRNA, 30% różnic w sekwencji DNA i mają charakterystyczne cechy fenotypowe, np. morfologia, fizjologia, chorobotwórczość. Dzięki doskonaleniu metod badawczych poznawane są nowe gatunki bakterii, co często skutkuje ich reklasyfikacją. Jak dotychczas nie udało się opisać wszystkich bakterii, głównie z uwagi na problemy z ich przechowywaniem, czy też niemożliwością wyhodowania (gatunki niehodowlane). Bakterie to organizmy jednokomórkowe o budowie prokariotycznej, stanowiące osobne królestwo. Cechą charakterystyczną budowy ich komórki jest, m.in. brak otoczonych błoną struktur, takich jak jądro komórkowe czy mitochondrium, które występują u wszystkich organizmów eukariotycznych (tab. 1.3).
Tabela 1.3. Cechy charakterystyczne Prokaryota i Eucaryota
Cecha
Procaryota
Eucaryota
Główne grupy organizmów
Bakterie
Glony, grzyby, pierwotniaki, rośliny, zwierzęta, ludzie
Wielkość komórki
Od 0,2 ?m do kilkudziesięciu ?m
> 5 ?m
Budowa
Jednokomórkowe
Jednokomórkowe, częściej wielokomórkowe
Materiał genetyczny
Jądro
Brak błony jądrowej
Błona jądrowa
Chromosom
Pojedynczy, kolisty DNA - genom haploidalny (u niektórych, np. Vibrio cholerae - dwa chromosomy)
Dwie nici DNA - genom diploidalny
DNA
W nukleoidzie i ruchomych elementach genetycznych (plazmidy, transpozony, integrony)
W jądrze komórkowym i mitochondriach
Struktury cytoplazmatyczne
Mitochondria
Brak
Obecne
Aparat Golgiego
Brak
Obecny
Retikulum endoplazmatyczne
Brak
Obecne
Rybosomy (stała sedymentacji, S)
70S (50S + 30S)
80S (60S + 40S)
Błona cytoplazmatyczna
Brak steroli
Obecne sterole
Ściana komórkowa
Sztywna struktura złożona z białek, lipidów, mureiny (wyjątek: mykoplazmy)
Obecna u grzybów (zawiera glukany, mannany, chitynę, chitosan, celulozę), brak u pozostałych grup
Rozmnażanie
Bezpłciowe (prosty podział poprzeczny komórki)
Płciowe (w większości) i bezpłciowe
Mitoza i mejoza
Brak
Obecne
Zdolność do ruchu
Rzęski (jeśli występują), czasem forma pełzającego ruchu (twitching motility) ? poruszanie się po powierzchniach oraz ruchliwość roju (swarming motility) ? szybka i skoordynowana translokacja populacji bakterii na powierzchniach stałych lub półstałych (przykład wielokomórkowości bakteryjnej i zachowania roju)
Złożone wici (jeśli występują)
Oddychanie
Mezosomy (wpuklenia błony cytoplazmatycznej)
Mitochondria
Komórki bakteryjne charakteryzuje duża różnorodność względem wielkości, kształtu i układu przestrzennego. Cechy widoczne w mikroskopie świetlnym, takie jak: wielkość (od 0,2 ?m do kilkudziesięciu ?m), kształt (kulisty, cylindryczny, spiralny) (ryc. 1.1) czy układ przestrzenny komórek (ryc. 1.2), są wykorzystywane do wstępnej identyfikacji bakterii (tab. 1.4).
Rycina 1.1. Kształty komórek bakteryjnych
Rycina 1.2. Układy komórek bakteryjnych
Tabela 1.4. Cechy mikroskopowe bakterii
Cecha
Opis
Przykład
Kształt komórek
Kulisty
Ziarenkowce, np. Staphylococcus, Streptococcus, Neisseria, Peptococcus
Cylindryczny
- Pałeczki, np. Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli
- Laseczki, np. Bacillus spp., Clostridium spp.
Spiralny
- Przecinkowce, np. Vibrio cholerae
- Krętki, np. Borreliella burgdorferi
- Śrubowce, np. Spirillum spp.
Układ komórek względem siebie
Pojedynczo
Micrococcus luteus
Pary (dwoinki)
Neisseria meningitidis
Streptococcus pneumoniae
Czworaczki (tetrady)
Tetracoccus spp.
Nieregularne skupiska (grona)
Staphylococcus spp.
Krótkie lub dłuższe łańcuszki
Streptococcus spp.
Układ liter (X, Y, V), palisady
Corynebacterium spp.
Pakiety
Sarcina spp.
Wydłużone komórki tworzące włókna
Actinobacteria spp.
Układy podobne do strzępków grzybni
Actinomyces spp., Nocardia spp.
Obecność i ułożenie rzęsek
Bezrzęse
Clostridium perfringens
Jednorzęse (monotrichalne)
Pseudomonas aeruginosa
Czuborzęse (lofotrichalne)
Helicobacter pylori
Pojedyncze rzęski na obu biegunach (amfitrichalne, ditrichalne)
Campylobacter spp.
Wokołorzęse (peritrichalne)
Proteus mirabilis
Obecność otoczki
Brak
Clostridium botulinum
Obecna
Streptococcus pneumoniae (> 100 serotypów)
Obecność ciał zapasowych
Ziarna wolutyny (ciałka Ernsta-Babesa)
Corynebacterium diphtheriae
Obecność, kształt, wielkość, ułożenie przetrwalników
Brak
Staphylococcus aureus
Centralnie
Clostridium perfringens
Parentalnie
Clostridioides difficile
Subterminalnie
Clostridium septicum
Biegunowo (terminalnie)
Clostridium tetani
Nie zniekształcają komórki
Bacillus cereus
Zniekształcają komórkę
Clostridium tetani
W komórkach bakteryjnych występują liczne szlaki metaboliczne. Pod względem sposobu odżywiania się bakterie można podzielić na autotrofy (samożywne) - wytwarzają wszystkie elementy komórki i substancje niezbędne do życia z prostych związków nieorganicznych (woda, dwutlenek węgla, azot, amoniak) i heterotrofy (cudzożywne): symbionty, komensale i pasożyty - wymagają do wzrostu obecności w środowisku związków organicznych, np. aminokwasów, kwasów tłuszczowych. Z człowiekiem związane są bakterie cudzożywne.
Budowa komórki. Wszystkie bakterie mają stosunkowo prostą budowę komórkową. Zamiast jądra komórkowego mają jedną dużą, kolistą i nieupakowaną cząsteczkę DNA (genofor) oraz niewielkie, koliste cząsteczki DNA - plazmidy. Stałe i zmienne elementy komórki są przedstawione w tabeli 1.5.
Tabela 1.5. Stałe i zmienne elementy komórki bakteryjnej
Elementy komórki bakteryjnej
Stałe
Zmienne
Błona zewnętrzna (tylko u bakterii Gram-ujemnych)
Ściana komórkowa (nieobecna u bakterii atypowych, np. Mycoplasma spp.)
Błona cytoplazmatyczna
Cytoplazma
Substancja chromatynowa
Rybosomy
Mezosomy
Otoczka
Śluz
Rzęski
Wici
Fimbrie
Pile
Pęcherzyki błonowe
Endospory (spory, przetrwalniki)
Substancje zapasowe (glikogen, polifosforan, siarka, polihydroksyalkaniany - polihydroksymaślan)
Ruchome elementy genetyczne (plazmidy, transpozony, integrony)
Głównymi składnikami komórek bakteryjnych są:
- cytoplazma - substancja koloidalna, która wypełnia wnętrze komórki; w niej odbywa się większość procesów metabolicznych bakterii; znajdują się w niej: nukleoid - obszar cytoplazmy, w którym znajduje się nić DNA; liczne rybosomy odpowiedzialne za biosyntezę białek; ziar-nistości zapasowe, w których bakterie gromadzą substancje odżywcze; białka cytoszkieletu (znacznie prostszego niż u eukariontów);
- błona cytoplazmatyczna - otacza cytoplazmę, pełni funkcję bariery (jest półprzepuszczalna), pozwala na utrzymywanie wewnątrz komórki różnych substancji i struktur, jest zwykle otoczona ścianą komórkową;
- ściana komórkowa - nadaje kształt komórce, pełni funkcję ochronną, umożliwia prawidłowe funkcjonowanie komórki; ma różną budowę (główny składnik peptydoglikan, zwany mureiną, który tworzy 20-30 warstw) i na tej podstawie wyróżnia się bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne (bardziej złożona) (tab. 1.6) oraz kwasooporne (mają cienką warstwę peptydoglikanu, a na zewnątrz nawet do 80% lipidów i woski); nie występuje lub w niewielkiej części u bakterii atypowych (Mycoplasma spp., Ureaplasma spp., Chlamydia spp., Chlamydophila spp., Legionella spp.);
- błona zewnętrzna - selektywna struktura na zewnątrz ściany komórkowej; występuje tylko u bakterii Gram-ujemnych;
- otoczka - pełni funkcję ochronną, ma właściwości antygenowe;
- rzęski - to struktury zewnątrzkomórkowe, umożliwiające bakteriom ruch; nie są obecne u wszystkich bakterii (ryc. 1.3);
- fimbrie - długie (kilka mikrometrów), nitkowate lub rurkowate struktury zbudowane z białek o średnicy 2-10 nm; występują na całej powierzchni komórki; fimbrie adhezyjne służą do przyłączania (adhezji) bakterii do różnych komórek (jeden z głównych czynników wirulencji); fimbrie płciowe (pile) biorą udział w przeniesieniu materiału genetycznego (plazmidów) pomiędzy dwiema komórkami bakterii (koniugacja - proces paraseksualny);
- przetrwalniki (spory, endospory) - wytwarzane w warunkach niekorzystnych przez niektóre rodzaje (Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter, Anaerobacter i Helicobacter); charakteryzują się znacznym stopniem odwodnienia zawartej w nich cytoplazmy, a także grubymi i wielowarstwowymi osłonami; umożliwiają bakteriom przetrwanie w niekorzystnych warunkach nawet 100 tys. lat, a w sytuacji ich poprawy powracają do funkcji życiowych, tj. przechodzą w formy wegetatywne; zwykle jedna komórka wytwarza jedną sporę (to nie jest proces reprodukcji!), chociaż Anaerobacter spp. wytwarza ich 7; nie wykazują metabolizmu i są oporne na ekstremalne warunki fizyczne (promieniowanie UV, promieniowanie gamma, wysoką temperaturę, zmiany ciśnienia i wysuszenie) oraz działanie substancji chemicznych (detergenty, środki dezynfekujące) (ryc. 1.4).
Tabela 1.6. Różnice między bakteriami Gram-dodatnimi a Gram-ujemnymi
Właściwości
Bakterie
Gram-dodatnie*
Gram-ujemne*
Struktura ściany komórkowej
20-80 nm; prosta; 20-30 warstw peptydoglikanu (mureiny) złożonego z łańcuchów polisacharydowych połączonych krótkimi peptydami (rozbudowana struktura przestrzenna); do peptydoglikanu przyłączone są kwasy tejchojowe lub tejchuronowe złożone z polimerów fosforanów glicerolu lub rybitolu, czasem także kwasy lipotejchojowe; białka
10 nm; złożona; bezpośrednio przy błonie cytoplazmatycznej jest przestrzeń peryplazmatyczna (lokalizacja białek związanych z opornością na antybiotyki); nad nią mieści się pojedyncza warstwa peptydoglikanu zbudowanego podobnie jak u bakterii Gram-dodatnich, ale bez kwasów tejchojowych (niektóre rodzaje pozbawione są tej warstwy, np. Chlamydia, Chlamydophila); nad peptydoglikanem jest błona zewnętrzna zbudowana z dwóch warstw lipidów i białek: wewnętrzna warstwa lipidowa to fosfolipidy, zewnętrzna - lipopolisacharyd (LPS, endotoksyna) lub lipooligosacharyd (LOS)
Zawartość w ścianie komórkowej:
Peptydoglikan
Lipidy/lipoproteiny
Białka
Aminocukry
Aminokwasy
Kwasy tejchojowe
Błona zewnętrzna
Lipopolisacharyd (LPS, endotoksyna)
> 50%
10-20%
0-3%
58%
0%
9%
10-22%
2-8%
Kilka
Wiele
Obecne
Brak
Brak
Obecna
0%
13%
Wrażliwość na lizozym
Tak
Nie
Rodzaj wytwarzanych toksyn
Białkowe egzotoksyny
Endotoksyny (LPS), białkowe egzotoksyny
* Stosując metodę Grama (złożona metoda barwienia bakterii), u bakterii Gram-ujemnych fioletowy barwnik (fiolet krystaliczny) łatwo ulega wypłukaniu za pomocą alkoholu, w wyniku czego komórka zabarwia się na kolor jasnoróżowy po zastosowaniu fuksyny zasadowej; u bakterii Gram-dodatnich fiolet krystaliczny łączy się z rybonukleinianem magnezu i jodem w jodku potasu, w wyniku czego barwnik pozostaje w ścianie komórkowej, a komórka przyjmuje intensywne fioletowe zabarwienie.
Rycina 1.3. Typy urzęsienia komórek bakteryjnych
Rycina 1.4. Ułożenie przetrwalników
Schemat budowy komórki bakteryjnej przedstawiono na rycinie 1.5.
Rycina 1.5. Schemat budowy komórki bakteryjnej
W komórkach bakterii zachodzą liczne szlaki metaboliczne. Ze względu na zapotrzebowanie na składniki odżywcze i źródła energii można podzielić je na:
- autotrofy - samodzielnie przeprowadzają biosyntezę złożonych związków organicznych (węglowodany, tłuszcze, białka) z prostych nieorganicznych związków węgla (dwutlenek, węgla, węglany), azotu (azotany, sole amonowe) oraz z wody, wykorzystując do tego celu energię świetlną uzyskiwaną w procesie fotosyntezy lub energię chemiczną uzyskiwaną z utleniania prostych związków nieorganicznych;
- heterotrofy - pobierają związki organiczne, które przekształcają enzymatycznie na składniki budujące struktury komórki oraz wewnętrzne przemiany biochemiczne i energetyczne;
Rozwój bakterii można obserwować w hodowli na pożywkach płynnych w postaci zmętnienia oraz na pożywkach stałych w postaci skupisk, będących "klonem" najczęściej jednej komórki macierzystej, zwanych koloniami. Składają się one z miliardów komórek i zwykle są widoczne po 24-48 godzinach inkubacji. Typ wzrostu na pożywkach oraz wygląd i czas pojawienia się kolonii (tab. 1.7) często jest charakterystyczny dla danego gatunku.
Tabela 1.7. Charakterystyka kolonii bakteryjnych
Cecha
Opis
Czas pojawiania się kolonii
Szybko rosnące - większość w ciągu 24-48 godzin, np. Staphylococcus spp.
Wolno rosnące - 3-6 tygodni, np. Mycobacterium spp.
Warunki wzrostu
Rodzaj podłoża, dostęp tlenu, dwutlenku węgla
Wielkość (średnica)
Od kilku ?m do kilku mm
Kształt i wygląd kolonii na podłożu stałym
Okrągły, gwiazdkowaty, promienisty, z wałem brzeżnym, rozgałęziony, strzępiasty, pofałdowany, nieregularny, koncentryczny, promienisty
Brzeg
Równy, falisty, postrzępiony, pomarszczony
Powierzchnia
Błyszcząca, matowa, szorstka, gładka, ziarnista, pomarszczona
Wyniosłość
Płaskie, stożkowato wypukłe, wypukłe, soczewkowate, pępkowate, zapadnięte w środku
Barwa
Biała, złocista, żółta, zielona, brązowa, czerwona
Konsystencja
Krucha, skórzasta, ciągnąca, śluzowata, masłowata
Przejrzystość
Przejrzysta, opalizująca, mętna
Struktura
Bezpostaciowa, nitkowata, ziarnista, włóknista, sucha
Otoczenie kolonii
Zabarwione, hemoliza (?, ?, ?) na agarze z krwią
Wrastanie w podłoże
Kolonie zagłębione w podłożu
Zapach
Gnilny, jaśminu, koński
Zawieszalność
Zawieszalne, trudno zawieszalne, niezawieszalne
Istotnym zagadnieniem w mikrobiologii lekarskiej jest dynamika wzrostu populacji bakterii, którą określa się w podłożach płynnych i którą dzieli się na cztery fazy: spoczynkową, logarytmicznego wzrostu, równowagi i wymierania.
ZAPAMIĘTAJ!
Bakterie są drobnoustrojami jednokomórkowymi o budowie prokariotycznej, widocznymi w mikroskopie świetlnym. W ich komórce wyróżnia się struktury stałe oraz dodatkowe (zmienne), charakterystyczne dla danego gatunku. Wszystkie bakterie namnażają się przez podział komórki, jedynie Chlamydia i Chlamydophila (najmniejsze bakterie) mają złożony cykl rozwojowy.
PYTANIA SPRAWDZAJĄCE
1. Przedstaw cechy komórki bakteryjnej widoczne w mikroskopie świetlnym.
2. Wymień stałe i zmienne elementy komórki bakteryjnej.
3. Co to jest kolonia? Przedstaw jej charakterystykę.
1.4.Klasyfikacja, budowa, genetyka i rozmnażanie się grzybówMałgorzata Prażyńska
Grzyby są organizmami eukariotycznymi (domena Eukaryota), stanowiącymi odrębne królestwo (Fungi), opisane przez Moore'a w 1980 r. Występują powszechnie w środowisku człowieka - są obecne w glebie, wodzie i powietrzu. Stanowią wyjątkowo niejednorodną grupę organizmów, dla której zaproponowano wiele podziałów taksonomicznych. Podstawą klasyfikacji grzybów jest ich morfologia i sposób rozmnażania, a o ostatecznej pozycji poszczególnych gatunków w hierarchicznym systemie klasyfikacji decydują ich właściwości biochemiczne, cytochemiczne i genetyczne. Spośród ponad 200 tys. poznanych gatunków grzybów 200-300 ma potwierdzone działanie chorobotwórcze dla człowieka, a kilkanaście z nich odpowiada za około 90% zakażeń grzybiczych. W systematyce Hibbetta i wsp. z 2007 r. królestwo grzybów dzieli się na typy odpowiadające gromadom w klasyfikacjach innych autorów. Gatunki patogenne dla człowieka należą do typów: Ascomycota i Basidiomycota - stanowiących podkrólestwo grzybów Dikarya, oraz do podtypów: Mucoromycotina, Entomophthoromycotina, Zoopagomycotina, Kickxellomycotina - dawniej łączonych w nieistniejący już typ Zygomycota.
W mykologii lekarskiej zastosowanie ma praktyczny podział grzybów, ułatwiający diagnostykę zakażeń grzybiczych, w którym wyodrębnia się: drożdże, grzyby pleśniowe, dermatofity i grzyby dimorficzne.
Budowa grzybów. Patogeny grzybicze to organizmy jedno- lub wielokomórkowe, zwane grzybami mikroskopowymi, ponieważ są niewidoczne dla nieuzbrojonego oka.
Ściana komórkowa grzybów zbudowana jest w 90% z węglowodanów, takich jak: chityna, glukan i mannan. W błonie cytoplazmatycznej występują obficie sterole, głównie ergosterol, nieobecny w błonach biologicznych innych organizmów żywych. W cytoplazmie zawieszone są struktury typowe dla komórek eukariotycznych: jądro komórkowe otoczone błoną jądrową, mitochondria, retikulum endoplazmatyczne, lizosomy, aparat Golgiego, rybosomy 80S, wakuole.
Dwie główne postaci morfologiczne grzybów to: komórka drożdżowa (blastospora, blastokonidium) i strzępka (hypha). Komórka drożdżowa o średnicy 3-10 ?m jest podstawowym elementem grzybów jednokomórkowych, najczęściej ma okrągły lub owalny kształt, rzadziej cylindryczny, wrzecionowaty, gruszkowaty, cytrynowaty lub inny. Postać utworzona z wydłużonych komórek drożdżowych, przylegających do siebie w sposób nietrwały, wyglądem przypominająca strzępkę, nazywana jest pseudostrzępką (pseudohypha). Strzępka prawdziwa, właściwa (hypha) to jedno- lub wielokomórkowa, nitkowata, rozgałęziona struktura o przekroju 2-10 ?m, z przegrodami (strzępka podzielona) lub bez przegród (strzępka niepodzielona) (ryc. 1.6). Sieć splątanych strzępek tworzy grzybnię (mycelium).
Rycina 1.6. Postaci morfologiczne grzybów: a - blastospory, b - pseudostrzępka, c - strzępka prawdziwa
Wyróżnia się grzybnię: substratową (wegetatywną), wrastającą w podłoże, służącą do pobierania wody i składników odżywczych, oraz powietrzną, powstającą powyżej powierzchni podłoża, w postaci puchu, służącą do rozmnażania, wyparowywania wody i oddychania.
Drożdże występują w postaci pojedynczych komórek, nieliczne mogą tworzyć grzybnię prawdziwą (Trichosporon spp., Geotrichum spp.). Grzyby pleśniowe i dermatofity tworzą grzybnie właściwe, natomiast grzyby dimorficzne występują jako komórki drożdżowe lub grzybnia, w zależności od warunków środowiskowych. Zwykle przyjmują postać drożdżową w stadium pasożytniczym, natomiast postać grzybni w stadium saprofitycznym. Zjawisko to nosi nazwę dimorfizmu.
Rozmnażanie się grzybów. Grzyby rozmnażają się płciowo i/lub bezpłciowo. Pączkowanie to rozmnażanie bezpłciowe występujące u drożdży. Bezpłciowe zarodniki powstające przez pączkowanie nazywane są blastosporami lub blastokonidiami. Niektóre drożdże rozmnażają się przez fragmentację strzępek, jak Geotrichum spp. i Trichosporon spp., tworząc artrospory, w zależności od gatunku - prostokątne, wrzecionowate lub beczułkowate, cienko- lub grubościenne. Drożdże mogą również rozmnażać się przez podział prosty (Schizosaccharomyces spp.).
Grzyby strzępkowe tworzą zarodniki bezpłciowe na wiele sposobów. Endospory (sporangiospory) powstają wewnątrz komórek zwanych sporangium (np. Rhizopus spp., Mucor spp.). Natomiast egzospory formowane są na wierzchołkach strzępek zwanych konidioforami (np. Aspergillus spp., Penicillium spp.). Z kolei artrospory powstają przez fragmentację strzępek. Niektóre gatunki grzybów strzępkowych tworzą dwa rodzaje zarodników - wielokomórkowe, różnokształtne makrokonidia (ryc. 1.7) i mniejsze, jednokomórkowe - mikrokonidia.
Rycina 1.7. Makrokonidia dermatofitów: a - Epidermophyton floccosum, b - Microsporum canis, c - Trichophyton mentagrophytes
Rozmnażanie płciowe grzybów polega na połączeniu się dwóch haploidalnych komórek i utworzeniu komórki diploidalnej. Następnie w wyniku podziału redukcyjnego - mejozy dochodzi do powstania haploidalnych komórek potomnych - zarodników płciowych. Ze względu na sposób ich powstawania wyróżnia się: askospory - zarodniki workowe rozwijające się w workach nasiennych (typ Ascomycota) oraz basidiospory - zarodniki podstawkowe powstające na zewnątrz podstawki (typ Basidiomycota). Postać grzyba rozmnażająca się w sposób płciowy to teleomorfa, a w sposób bezpłciowy - anamorfa. Rozmnażanie płciowe nie występuje lub nie zostało jak dotąd poznane u wielu patogennych gatunków grzybów.
Zarodniki powstające w procesie rozmnażania się grzybów są łatwo przenoszone przez powietrze, wodę, zwierzęta i ludzi. Są głównym czynnikiem odpowiedzialnym za rozprzestrzenianie się grzybów w środowisku.
PYTANIA SPRAWDZAJĄCE
1. Przedstaw budowę grzybów.
2. Omów sposoby rozmnażania się grzybów.
1.5.Występowanie i właściwości fizjologiczne drobnoustrojówEugenia Gospodarek-Komkowska
Drobnoustroje występują niemal wszędzie, w całej biosferze, w różnych środowiskach i warunkach ekologicznych: w organizmach żywych i martwych, w glebie (406 j.t.k./g; j.t.k. - jednostki tworzące kolonię), w słodkiej i słonej wodzie (16 j.t.k./ml), w powietrzu, na lodowcach i w gorących źródłach, na terenach radioaktywnych. Na Ziemi jest w przybliżeniu 5 kwintylionów (5 × 1030) bakterii. Każdy gatunek drobnoustrojów ma szczególne wymagania odżywcze oraz warunki wzrostu. Do namnażania się drobnoustrojów, zarówno autotrofów (samożywnych), jak i heterotrofów (cudzożywnych), konieczne są:
- woda;
- określony rodzaj i ilość składników odżywczych;
- odpowiednia temperatura;
- obecność lub brak wolnego tlenu, dwutlenku węgla (gazowy skład środowiska);
- optymalny odczyn środowiska (pH podłoża);
- światło.
Przemiana materii zachodząca w drobnoustrojach obejmuje dwie grupy procesów: anabolizm (reakcje biosyntezy, synteza monomerów, ich polimeryzacja, wymaga nakładów energii) i katabolizm (metabolizm energotwórczy, komórki za pomocą enzymów rozkładają związki, pojawiają się prekursory). Zbyt mało lub zbyt dużo składników odżywczych hamuje lub uniemożliwia wzrost drobnoustrojów. Pokarm zaspokaja dwojakie potrzeby organizmu:
- dostarcza materiału budulcowego; wykorzystywany bezpośrednio lub po przetworzeniu w organizmie do budowy nowych składników i struktur (wzrost i rozmiar), do odnowy, rekonstrukcji i wymiany struktur uprzednio istniejących;
- służy jako surowiec energetyczny; do tych celów często są zużywane te same substancje, które służą jako budulec.
Drobnoustroje żyją na zewnątrz (patogeny zewnątrzkomórkowe) lub wewnątrz komórek (patogeny wewnątrzkomórkowe) gospodarza. W miarę przystosowywania się do pasożytniczego trybu życia, w warunkach in vitro muszą być uwzględnione bardziej zróżnicowane związki chemiczne lub hodowla komórkowa. Wyróżnia się drobnoustroje o wymaganiach odżywczych:
- prostych - do ich rozwoju potrzebne są: sól, źródło azotu, np. azotyny, amoniak, źródło węgla, np. mleczany, węglowodany;
- złożonych - do ich rozwoju potrzebne są, oprócz wyżej wymienionych związków, witaminy, puryny, pirymidyny i, tzw. czynniki wzrostowe, których nie potrafią syntetyzować.
Podział drobnoustrojów ze względu na zachowanie funkcji życiowych zależnie od temperatury jest przedstawiony w tabeli 1.8. Przedział temperatury, w którym mogą się one rozwijać, wyznaczają wartości minimalne i maksymalne, natomiast wartość temperatury, przy której szybkość wzrostu jest najwyższa, nosi nazwę optymalnej. Drobnoustroje zachowują zdolność do życia przez wiele lat w temperaturze od -80 do -200?C, nie tracąc swoich właściwości charakterystycznych dla gatunku.
Tabela 1.8. Podział drobnoustrojów ze względu na zachowanie funkcji życiowych w zależności od temperatury środowiska
Kategoria/występowanie
Temperatura (?C)
Minimalna
Optymalna
Maksymalna
Psychrofilne
-10
-5
25
Powszechne: wody jezior, mórz, oceanów, gleba, rejony podbiegunowe, szczyty gór, osady głębokich jezior, dna oceanów, np. Peudomonas spp., Vibrio spp., Micrococcus spp., Bacillus spp., Candida spp., Aspergillus spp.
Mezofile
10
30
45
Najbardziej rozpowszechnione w przyrodzie, większość chorobotwórczych oraz wykorzystywanych w przemyśle, np. Enterobacterales, bakterie fermentacji mlekowej, octowej, drożdże, pleśnie
Termofile
25
45
75
Materiały ulegające zagrzewaniu, kiszonki, kompost, nawozy organiczne, rurowe wymienniki ciepła, gorące źródła, gejzery, np. bakterie przetrwalnikujące, pleśnie
Ze względu na zapotrzebowanie na tlen i wrażliwość na wysokość potencjału oksydoredukcyjnego środowiska (Eh, zdolność do oddawania/przyjmowania elektronów, wyrażana w woltach [V]) wśród bakterii wyróżnia się:
- tlenowe (aeroby) - do ich rozwoju konieczna jest obecność tlenu w stężeniu atmosferycznym lub niższym i wartości Eh od +0,2 V do +0,4 V;
- bezwzględnie beztlenowe (anaeroby) - wzrastają wtedy, gdy wartość tlenu w atmosferze wynosi < 0,5%, Eh 0,35-0,25 V, nie zawierają cytochromów i katalazy;
- względnie beztlenowe - mogą wzrastać w warunkach tlenowych i beztlenowych, przy ciśnieniu cząsteczkowym tlenu 8%, stanowią najliczniejszą grupę bakterii chorobotwórczych dla człowieka, np. Escherichia coli;
- bezwzględnie tlenowe - do wzrostu wymagają tlenu atmosferycznego, np. Micrococcus spp., Bacillus subtilis, Pseudomonas spp.;
- mikroaerofile - wzrastają w atmosferze zawierającej 5% tlenu, przy dodatnich wartościach Eh, np. Helicobacter spp., Campylobacter spp.;
- kapnofile - wymagają do wzrostu 8-15% CO2 w atmosferze, np. Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae.
Grzyby wzrastają w warunkach tlenowych (Candida spp. - względne beztlenowce, Aspergillus spp. - bezwzględne tlenowce).
Drobnoustroje wykazują zdolność wzrostu i spełniania swoich funkcji życiowych tylko w określonym zakresie wartości pH środowiska. Wyróżnia się drobnoustroje:
- kwasolubne (acydofilne) - zdolne do wzrostu w środowisku o pH ? 5,4, np. grzyby, Lactobacillus spp.;
- obojętnolubne (neutrofile) - namnażają się w środowisku o pH 5,4-8,5 (optimum pH ~7), najliczniejsza grupa drobnoustrojów chorobotwórczych;
- zasadolubne (alkalofilne) - wzrastają w środowisku pH 7-11,5, np. Vibrio cholerae pH ~ 9.
Inne drobnoustroje o ekstremalnych wymaganiach to: barofile - ciśnienie > 1 atm., halofile - stężenie NaCl > 5 M, metalofile - wysokie stężenia metali ciężkich, radiofile - wzrost przy wysokim poziomie radiacji.
ZAPAMIĘTAJ!
Drobnoustroje, do których należą wirusy, bakterie, grzyby i pierwotniaki, to organizmy o zróżnicowanej budowie i złożonych właściwościach. Mogą zajmować wszystkie znane nam środowiska (stanowią znaczną część biomasy naszej planety) oraz występują w organizmach żywych (ludzie, zwierzęta, rośliny) i martwych. Ich powszechne występowanie wynika z ogromnej różnorodności wymagań i zdolności adaptacyjnych, a także z wielkości i łatwości rozprzestrzeniania.
PYTANIA SPRAWDZAJĄCE
1. Wymień warunki, w jakich mogą występować drobnoustroje.
2. Przedstaw kryteria klasyfikacji drobnoustrojów.
2Mikrobiota fizjologiczna człowiekaEugenia Gospodarek-Komkowska
W 2007 r. został zainicjowany ogólnoświatowy Projekt Ludzkiego Mikrobiomu (Human Microbiome Project, HMP) mający na celu poznanie genomów drobnoustrojów jako składowych genomu człowieka kształtujących i mających wpływ na jego procesy fizjologiczne oraz predyspozycje do zapadalności na różne choroby. Pojęcie mikrobiomu człowieka zaproponował Joshua Lederberg w 2001 r. na opisanie ekologicznej społeczności drobnoustrojów (komensalnych, symbiotycznych i patogennych), które dzielą naszą przestrzeń życiową. Obecnie termin ten odnosi się do wszystkich genomów drobnoustrojów żyjących w i na organizmie człowieka. Zespół tych drobnoustrojów to mikrobiota fizjologiczna (naturalna). Przyjęto, że człowiek i mikrobiota tworzą razem superorganizm, a ich wspólny genom określa się metagenomem. W każdym z nas żyje około 90 bln komórek drobnoustrojów zawierających 150 razy więcej genów niż genom ludzki.
Dzięki postępowi i coraz intensywniejszemu doskonaleniu metod badawczych poznawana jest mikrobiota fizjologiczna człowieka, jej różnorodność, liczebność oraz miejsca (tkanki, narządy, układy) występowania, które do niedawna uważano za sterylne. Nowoczesne metody identyfikacji i różnicowania drobnoustrojów zrewolucjonizowały ujawnienie występowania nieznanych dotąd gatunków, często niemożliwych do uzyskania w hodowli. Gatunki niehodowlane stanowią około 80%, a gatunki nowo odkryte 60% wszystkich wykrytych gatunków. Mikrobiom człowieka jest bardziej zróżnicowany i bogatszy pod względem występowania drobnoustrojów, niż dotychczas uważano. Stanowią go drobnoustroje należące do trzech domen: bakterii, archea i eukariota. Są one konieczne do prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka.
Mikrobiota fizjologiczna (naturalna) człowieka to zespół drobnoustrojów, tj. wirusów, w tym bakteriofagów (wirusy bakteryjne), bakterii (głównie), archea oraz grzybów tworzących złożony ekosystem, występujący naturalnie w organizmie człowieka (tj. na skórze, w przewodzie pokarmowym, układzie oddechowym, moczowym i płciowym) i niewywołujący objawów chorobowych. Mikrobiota zaczyna rozwijać się już w czasie życia płodowego i w stanie zdrowia towarzyszy nam przez całe życie.
Organizm człowieka składa się z około 1013 komórek, a liczba bakterii (w większości beztlenowych) stanowiących mikrobiotę naturalną przekracza tę wartość 10-krotnie. Mikrobiota człowieka w różnych jego obszarach jest reprezentowana przez drobnoustroje stanowiące unikalny i dynamiczny ekosystem. Każdy człowiek ma niepowtarzalny zestaw drobnoustrojów (różnią się one nawet u bliźniąt jednojajowych), reagujących na zmiany, np. sposobu odżywiania się, trybu życia, leki. Skład jakościowy i ilościowy mikrobioty zależy od właściwości fizjologicznych kolonizowanych miejsc, w tym dostępności do składników odżywczych. Na jej stan mają wpływ czynniki osobnicze (status genetyczny, rasa, płeć, wiek, aktywność seksualna, ciąża, rodzaj porodu, masa ciała, stan odporności organizmu, status hormonalny, wilgotność w określonym regionie ciała, soki trawienne, enzymy, kwasy żółciowe, temperatura, pH, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, perystaltyka jelit, stres, choroby, ekosystem - skład i metabolizm mikrobioty, zależności ekologiczne - antagonizm, synergizm, rodzaj noszonej odzieży, postępowanie higieniczne) oraz środowiskowe i zachowania (strefa klimatyczna, region zamieszkania, demograficzne, nawyki kulturowe, socjoekonomiczne, rozwój technologiczny, gwałtowne zmiany trybu życia, dieta, obce drobnoustroje, stosowanie kosmetyków, antybiotyków, detergentów, dezynfektantów, środki konserwujące, rodzaj wykonywanej pracy).
Drobnoustroje tworzące mikrobiotę naturalną są zwykle dobrze przystosowane do warunków panujących w zajmowanych przez siebie przestrzeniach, skutecznie wykorzystują składniki pokarmowe, nie pozostawiając miejsca dla patogenów. Żyją jako złożona, dobrze zorganizowana i zgodnie współdziałająca "społeczność", często w wytworzonej przez siebie ochronnej strukturze zwanej biofilmem. Każde zaburzenie tej równowagi (bioróżnorodności) może prowadzić do poważnych, niekorzystnych dla makroorganizmu konsekwencji w postaci zakłóceń fizjologii, a szczególnie do rozwoju zakażeń i zatruć pokarmowych oraz rozwoju chorób nieinfekcyjnych.
2.1. Mikrobiota skóry człowieka
Ludzka skóra jest największym narządem (powierzchnia 1,8 m2) organizmu człowieka i odgrywa ważną rolę w odpowiedzi nieswoistej, stanowiąc pierwszą linię obrony przed środowiskiem zewnętrznym, w tym przed drobnoustrojami. Warunki, jakie panują na skórze, ograniczają różnorodność mikrobiomu. Związane jest to, m.in. z takimi czynnikami, jak: wysokie ciśnienie osmotyczne, kwaśny odczyn skóry, obecność nasyconych i nienasyconych kwasów tłuszczowych o działaniu przeciwdrobnoustrojowych, niska zawartość substancji odżywczych, niska wilgotność, złuszczanie warstwy rogowej naskórka, wydzielanie substancji o działaniu przeciwdrobnoustrojowym (lizozym, dermicyna, psiorazyna i in.). Liczba drobnoustrojów skóry zdrowego człowieka wynosi 104-105 j.t.k./cm2 (j.t.k. - jednostki tworzące kolonie), a tych, które stale występują w mieszkach włosowych - 105-106 j.t.k./cm2. Drobnoustroje mogą tworzyć mikrokolonie w gruczołach potowych i łojowych oraz w mieszkach włosowych i jest trudna do usunięcia poprzez zabiegi antyseptyczne skóry.
U zdrowego człowieka mikrobiota naturalna skóry dzieli się na stałą (odnawialną) i przejściową (czasową). Do pierwszej grupy należą bakterie Gram-dodatnie: gronkowce koagulazoujemne (Coagulase-Negative Staphylococci, CNS), a wśród nich Staphylococcus epidermidis (u 85-100% ludzi), S. capitis (skóra głowy), S. auricularis (przewód słuchowy zewnętrzny), S. hominis (skóra ramion i kończyn dolnych), S. haemolyticus (skóra stóp); paciorkowce: Streptococcus spp. i Enterococcus spp. (skóra pachwin, okolic odbytu i krocza) oraz pałeczki Gram-dodatnie: Corynebacterium spp., Brevibacterium spp., Cutibacterium (dawniej Propionibacterium) acnes (u 54-100% nastolatków). Ponadto, występują ziarenkowce Gram-dodatnie Staphylococcus aureus (2-35% w zależności od okolicy ciała, 20% nosicielstwo stałe, 60% - przejściowe) i grzyby Candida spp. (skóra pod paznokciami, powierzchnie międzypalcowe, skóra pachwin i pach).
Skład mikrobioty stałej jest modyfikowany przez wydzielinę gruczołów skóry, sposób ubierania się (pora roku, rodzaj tkaniny), sąsiedztwo błon śluzowych (jama ustna, jama nosowa). Mikrobiota przejściowa występuje okresowo. Jest związana z ciągłą ekspozycją i bezpośrednim kontaktem skóry ze środowiskiem zewnętrznym; może pochodzić od innych ludzi, zwierząt lub ze środowiska - szczególnie z bioaerozolu powietrza, przedmiotów, sprzętów, wody czy żywności.
Drobnoustroje skóry należą do czterech gromad: Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes i Proteobacteria. Na skórze wykazano obecność bakterii z rodzajów: Cutibacterium, Corynebacterium, Staphylococcus, Streptococcus, Acinetobacter i Finegoldia. Na skórze okolicy głowy, w tym skórze nosa, uszu i włosach, dominują bakterie z rodziny Propionibacteriaceae, których jest znacznie mniej na skórze ramion. W okolicy tułowia i kończyn, szczególnie okolic pach i podeszew stóp, pępka i dołu podkolanowego, występują głównie Staphylococcus spp. i Corynebacterium spp. Obszary o dużej gęstości gruczołów łojowych, np. skóra twarzy, potylicy, pleców, klatki piersiowej, wzmagają wzrost bakterii lipofilnych, np. Cutibacterium spp. i grzybów Malassezia spp. Na powierzchniach miejsc wilgotnych (przestrzeń międzypalcowa, pachwiny, pachy, pępek) przeważają Corynebacterium spp., rzadziej Staphylococcus spp. Z kolei na skórze ramion i nóg, która bywa przesuszona, występuje mniej drobnoustrojów - głównie z klasy Betaproteobacteria i rzędu Flavobacteriales.
Ponadto na skórze występują metanogenne archea z rodzaju Methanosarcina, Methanobrevibacter oraz archeony z gromady Eurybacteria, a także archea utleniające amoniak z typu Thaumarchaeota, które wpływają na regulację pH skóry i stanowią jej naturalną warstwę ochronną.
Wirusy, podobnie jak bakterie i archea, tworzą stałą i przejściową mikrobiotę skóry. Należą one do trzech dominujących rodzin: Papillomaviridae (Human Papillomavirus, ?-HPV, ?-HPV), Polyomaviridae i Circoviridae, z tym że najczęściej stwierdzanymi na powierzchniowych warstwach skóry są ?- i ?-papillomawirusy, wśród których zidentyfikowano 13 nowych odmian ?-papillomawirusów. Wykazano także polyomawirusy Merkel (Merkel Cell Polyoma Virus, MCPyV). Udowodniono występowanie bakteriofagów z rodziny Myoviridae i Siphoviridae oraz fagów bakterii z rodzajów: Cutibacterium spp., Staphylococcus spp., Pseudomonas spp., Bacillus spp.
Większość grzybów stwierdzanych na zdrowej skórze to gatunki Malassezia spp., głównie M. restrica i M. furfur oraz M. globosa, M. sympodialis, M. pachydermatis. Candida spp., mimo że jest składnikiem mykobiomu skóry człowieka, bardzo rzadko ją kolonizuje.
2.2. Mikrobiota jamy ustnej
Jama ustna ze względu na kontakt z powietrzem, pożywieniem i środowiskiem wodnym stanowi dynamiczne oraz bardzo zróżnicowane i unikalne środowisko dla drobnoustrojów. Bakterie w jamie ustnej biorą udział w metabolizmie produktów odżywczych. Pierwsza kolonizacja tego obszaru zaczyna się bezpośrednio po urodzeniu, a źródłem bakterii jest otoczenie (głównie matka) dziecka. Obszar ten jako pierwsze bakterie zasiedlają: Streptococcus salivarius, S. mitis, S. oralis, a w okresie następnych kilku miesięcy Gram-ujemne beztlenowce: Fusobacterium nucleatum, Prevotella melaninogenica i Veillonella spp. W młodym wieku dorosłym mikrobiota jamy ustnej staje się stabilna i jest reprezentowana przez bakterie z rodzajów: Streptococcus, Veillonella, Fusobacterium, Porphyromonas, Prevotella, Treponema, Neisseria, Haemophilus, Eubacteria, Lactobacterium, Capnocytophaga, Eikenella, Leptotrichia, Peptostreptococcus i Cutibacterium. Przyjmuje się, że u ludzi w jamie ustnej jest ponad 750 gatunków bakterii, z których poznano około 50%. Na zróżnicowanie mikrobioty jamy ustnej mają wpływ: temperatura, pH, potencjał oksydacyjno-redukcyjny, zasolenie oraz ślina, która dostarcza składników odżywczych, usuwa produkty przemiany, zawiera liczne enzymy, np. amylazę, peptydy przeciwbakteryjne, a także przeciwciała. Jest ono warunkowane stanem higieny gospodarza, a także wiąże się z mikrobiomem śliny, który zawiera ponad 100 rodzajów bakterii. U większości osób występują bakterie z rodzajów: Streptococcus, Neisseria, Heamophilus, Prevotella, Veilonella, Rothia, Porphyromonas, Fusobacterium, Scardovia, Parascardovia i Alloscardovia. Język, jako wał mięśniowy pokryty śluzówką, stanowi miejsce kolonizowane przez bakterie z rodzajów: Streptococcus, Neisseria, Heamophilus, Prevotella i Fusobacterium. Stwierdzono, że w naddziąsłowej płytce bakteryjnej występują głównie bakterie Gram-dodatnie: Streptococcus mutans, S. salivarus, S. mitis oraz Lactobacillus spp. Natomiast na poddziąsłowej płytce obecne są bakterie Gram-ujemne, np.: Actinobacillus spp., Campylobacter spp., Fusobacterium nucleatum i Porphyromonas gingivalis.
Na płytce nazębnej występują archea z typu Euryarchaeota, w szczególności Methanobrevibacter oralis i M. smithii.
W ekosystemie jamy ustnej ujawniono bakteriofagi, głównie Aggregatibacter actinomycetemcomitans, fag T3 Escherichia coli, fag PA6 Cutibacterium acnes, fag SM1 Streptococcus mitis oraz rzadziej fag lamda Escherichia coli, fag E125 Burkholderia, fag Av-1 Actimomyces, fagi Streptococcus, bakteriofagi gromady Proteobacteria i Firmiucutes, które obejmują rodzaje Streptococcus, Gemella, Veilonella i Leptotrichia. Obecność w ludzkiej ślinie faga Enterococcus faecalis wskazuje na ważną jego rolę w ograniczaniu występowania bakterii w systemie korzeni zębowych, jako że penetrując kanały zęba, eliminują zakażenie wywołane przez E. faecalis.
U ludzi zdrowych występują grzyby z rodzajów: Candida, Saccharomyces, Penicillium, Scopularis, Geotrichum, Aspergillus, Cryptococcus, Fusarium, Alter-naria, Cladosporium, Aurebasidium, Epicoccum, Phoma oraz Malassezia.
2.3. Mikrobiota dróg oddechowych
Mikrobiota dróg oddechowych ludzi, w szczególności górnych dróg, jest zróżnicowana, jako że błony śluzowe pozostają stale w kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym, w tym poprzez proces oddychania. Z każdym oddechem dochodzi do wprowadzenia do dróg oddechowych wielu drobnoustrojów. Mikrobiota tego obszaru należy do gromady Actinobacteria (Cutibacterium spp., Corynebacterium spp.), Firmicutes (Staphylococcus spp.), kilku gatunków gronkowców, m.in. Staphylococcus epidermidis, S. capitis, S. hominis, S. haemolyticus, S. lugdunensis i S. warneri, bakterii z rodzaju Aureobacterium i Rhodococcus. Prawie w całej populacji ludzkiej występują: Aerococcus viridans, Moraxella catarrhalis, Neisseria sicca, N. flava, Streptococcus salivarius, S. pneumoniae (50-60% nosicieli), S. pyogenes, S. epidermidis. W jamie ustnej występuje około 800 gatunków, w tym 200 hodowlanych z rodzajów: Actinomyces, Coryne-bacterium, Lactobacillus, Streptococcus (np. S. mutans, S. salivarius, S. pneumoniae, S. pyogenes), Staphylococcus (np. S. epidermidis, S. aureus), bezwzględne beztlenowce (Bacteroides, Fusobacterium, Peptostreptococcus) czy takie gatunki, jak: Neisseria meningitidis oraz grzyby Candida spp. (30-50% ludzi).
Zrogowaciały nabłonek płaski nozdrzy zawiera gruczoły łojowe produkujące substancje wspomagające wzrost lipofilnych bakterii Cutibacterium spp. Pałeczki te są zdolne do hydrolizy tłuszczów, uwalniają wolne kwasy tłuszczowe, co doprowadza do obniżenia pH, sprzyjając wzrostowi CNS, a dodatkowo wilgotne warunki i obecność tlenu wpływają na wzrost Staphylococcus aureus.
W górnych drogach oddechowych występują bakterie rodzajów: Streptococcus, Neisseria, Gemella, Veillonella, Prevotella, Haemophilus, Rothia i Leptotrichia. Dolne drogi oddechowe - tchawica i płuca, znacznie różnią się budową i funkcją od górnych dróg oddechowych. Wyścielone są nabłonkiem rzęskowym oraz licznymi komórkami wydzielniczymi, uwalniającymi, m.in. mucynę, związki powierzchniowo czynne, proteazy oraz białka immunomodulujące, co tworzy barierę odpornościową tego odcinka. Jest ona także warunkowana przez makrofagi, limfocyty T, komórki dendrytyczne, w tym komórki Langerhansa. Dolne drogi oddechowe zasiedlają najczęściej bakterie z gromad: Bacteroidetes (Prevotella, Porphyromonas) i Firmicutes (Streptococcus, Veillonella), w mniejszym stopniu Proteobacteria (Pseudomonas, Haemophilus, Neisseria) i Actinobacteria. Analiza mikrobiomu płuc wykazała obecność bakterii z rodzajów: Pseudomonas, Streptococcus, Prevotella, Fusobacterium, Haemophilus, Veillonella i Porphyromonas. W płucach stwierdzono obecność wirusów ssaczych i bakteryjnych z rodzajów: Streptococcus, Staphylococcus, Haemophilus, Pseudomonas, Lactobacillus, Mycobacterium, Bacillus, gatunku Escherichia coli i wirusa olbrzymiego z rodzaju Mimiviridae. Ich skład zależy od regionu płuc.
Z kolei mykobiom płuc obejmuje 75 rodzajów grzybów. Są to głównie: Aspergillus, Candida, Cladosporium, Malassezia, Saccharomyces. Najbardziej rozpowszechnione są gatunki z rodziny Davidiellaceae i rodzajów Cladosporium, Eurotium, Penicillium, a także gatunki Cladosporium cladosporium i Eremothe-cium sinecaudum.
2.4. Mikrobiota przewodu pokarmowego
Przewód pokarmowy zapewnia warunki życia i wzrostu drobnoustrojom komensalnym, jak również tym, które są dostarczane wraz z pożywieniem i które w znaczący sposób mogą wpłynąć na procesy zachodzące w tej niszy ekologicznej. W przewodzie pokarmowym, ze względu na pełnione funkcje oraz specyficzność budowy, występuje największa liczba drobnoustrojów (106-1014 j.t.k./g treści), w zależności od jego odcinka i opisanych wyżej czynników. Liczbę drobnoustrojów żołądka określa się na 101-103 j.t.k./g. Wraz z przełykiem i dwunastnicą jest regionem przewodu pokarmowego najmniej skolonizowanym przez bakterie. Ze względu na kwaśne środowisko, żołądek uważany był za miejsce sterylne i nieprzyjazne dla rozwoju drobnoustrojów. Wraz z odkryciem Helicobacter pylori zwrócono uwagę na to, że jest on zasiedlany przez różnorodną "mikrospołeczność". Głównym składnikiem mikrobioty żołądka należącym do Proteobacteria jest H. pylori (u ponad 80% ludzi na świecie). Mikrobiota żołądka tworzą bakterie z gromady Firmicutes (rodzaje Lactobacillus, Streptococcus, Clostridium, Veillonella), Proteobacteria (rodzaj Escherichia), Actinobacteria (Bifidobacterium spp.), Bacteroidetes, Fusobacteria oraz w niewielkiej ilości grzyby z rodzaju Candida. Stwierdzono nowe rodzaje bakterii, których wcześniej nie zaliczono do mikrobioty żołądka: Prevotella, Caulobacter, Actinobacillus, Corynebacterium, Rothia, Gemella, Leptotrichia, Porphyromonas, Capnocytophaga i Deinococcus.
Natomiast w tej niszy, jak dotychczas, nie wykazano występowania wirusów. Największą liczbę, zróżnicowanie i aktywność wykazuje mikrobiota jelita grubego (500-1200 gatunków, 45 rodzajów, 17 rodzin, co stanowi 1012-1014 j.t.k./ml, 2-3 kg, tj. 80% suchej masy kału).
W pierwszych dniach życia w przewodzie pokarmowym są warunki względnie beztlenowe. Sprzyjają one rozwojowi bakterii, takich jak Escherichia coli i Enterococcus faecalis, które tworząc warunki beztlenowe, sprzyjające zasiedleniu w tym obszarze bakterii beztlenowych z rodzaju Bacteroides, Bifidobacterium i Clostridium. Proces tworzenia mikrobioty jelitowej kształtuje się do około 2. roku życia, chociaż w późniejszych okresach notuje się duże wahania bioróżnorodności spowodowane, m.in. wiekiem i stylem życia. U dorosłego człowieka bakteryjny składnik mikrobioty jelit stanowią głównie beztlenowce. W tym odcinku najliczniej występują bakterie z rodzajów: Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Ruminococcus, w mniejszej ilości Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, Streptococcus, Peptostreptococcus, Klebsiella, Proteus oraz gatunki Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Finegoldia magna i Micromonas micros. Chociaż w ludzkim jelicie wykryto obecność ponad 50 gromad bakterii, ekosystem ten najliczniej zasiedlają Bacteroidetes z dominacją gatunku Bacteroides thetaiotaomicron i Firmicutes z przewagą laseczek z rodzaju Clostridium (chronią nabłonek okrężnicy). Wykazano obecność Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria i Verrucomicrobia. Stwierdzono także w mikrobiocie jelitowej osób dorosłych gatunki wytwarzające maślan: Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia intestinalis i Bacteroides uniformis. Ponadto u większości ludzi występują bakterie z rodzaju Ruminococcus i Akkermansia (oba rodzaje zdolne są do degradacji mucyny).
Ekosystem jelit jest także reprezentowany przez archeony, Methanobrevibacter smithii i Methanosphaera stadtmaniae. Reprezentują je Euryarchaeota, Crenarchaeota, Thermococcales, Thermo plasmateles, niemetanogenne archea Halobacteriaceae oraz z rodzaju Nitrosospaera (utleniają amoniak i mocznik, dostarczają drobnoustrojom azot).
Mikrobiotę jelit tworzą także wirusy, które wpływają na homeostazę gospodarza, stymulują mechanizmy odpornościowe jelit. Treść jelitowa zawiera 109 cząstek wirusów/g kału. Bakteriofagi lizujące do 1014 komórek bakteryjnych są najbardziej rozpowszechnionymi wirusami jelitowymi. Dominują tu dwuniciowe wirusy DNA z rzędu - Caudovirales, rodzin: Podoviridae, Siphoviridae, Myoviridae oraz jednoniciowe bakteriofagi DNA Microviridae. W jelitach o wiele mniej jest wirusów eukariotycznych niż bakteryjnych, choć wykazano ich obecność z rodziny Picobirnaviridae, Adenoviridae, Anelloviridae, Astroviridae, a także gatunków Bocavirus, Enterovirus, Rotavirus i Sapovirus oraz megawirusa z rodziny Marseilleviridae.
Mykobiom jelit, w szczególności kału, najczęściej tworzą grzyby rodzajów: Candida, Cladosporium, Cryptococcus, Saccharomyces, Malassezia oraz rzędów: Eurotiales, Botrysphaeriales i Filobasidiales.
