Różnorodność mikrobiologiczna i grzybicza

Bakterie i grzyby to dwie bardzo zróżnicowane grupy organizmów, które mogą mieć znaczący korzystny lub szkodliwy wpływ na zdrowie człowieka. Z tego powodu ważne jest zrozumienie i rozróżnienie poszczególnych gatunków tych grup. Jak zapewne pamiętasz, taksonomowie biologiczni grupują organizmy na podstawie ich filogenetycznego pokrewieństwa. Trzy domeny życia, bakterie, archeony i eukariota, dzielą życie na trzy odrębne grupy. Podczas gdy wszystkie bakterie należą do domeny Bakterie, grzyby znajdują się w domenie Eukaryota (Grzyby Królestwa). Oprócz archeonów, domena Bakterie obejmują wyłącznie jednokomórkowe prokariota, co oznacza, że ich komórki nie mają zarówno błony jądrowej, jak i organelli związanych z błoną. Natomiast grzyby domeny Eukaryota mają organelle związane z błoną i obejmują zarówno organizmy jednokomórkowe, jak i wielokomórkowe.

Bakteria

Bakterie występują prawie wszędzie na Ziemi i są wysoce przystosowane do środowiska, w którym rosną. W rezultacie ta domena obejmuje oszałamiającą różnorodność. Wpływ tych organizmów na zdrowie człowieka jest równie zróżnicowany. Na przykład gatunki takie jak Streptococcus thermophilus mogą być wykorzystywane do produkcji sfermentowanej żywności, takiej jak jogurt, podczas gdy zarodniki bakterii Bacillus anthracis są odpowiedzialne za potencjalnie śmiertelną chorobę wąglika.

Aby pomóc w identyfikacji takiego organizmu, mikrobiolodzy opracowali niezliczoną ilość testów do scharakteryzowania zarówno pojedynczych komórek, jak i całych kolonii bakterii¹. Jedną z najczęstszych metod identyfikacji bakterii jest barwienie metodą Grama. Ten test wykorzystuje kolorowe barwniki do określenia składu ściany komórkowej bakterii. Bakterie Gram-dodatnie, które mają grubą ścianę komórkową składającą się z białka zwanego peptydoglikanem, zatrzymują barwnik zwany fioletem krystalicznym i dlatego wydają się fioletowe. Natomiast bakterie Gram-ujemne mają cieńszą ścianę komórkową bez peptydoglikanu i nie zatrzymują fioletu krystalicznego. Zamiast tego komórki te wydają się różowe z powodu barwnika zwanego safraniną. Zastosowanie barwienia metodą Grama często służy jako wstępny krok w identyfikacji gatunku bakterii. Dalsza klasyfikacja wymaga określenia dodatkowych cech. Może to obejmować kształt poszczególnych bakterii, które mogą być ziarniakami (okrągłe), spirillum (spiralne) lub pałeczkami (w kształcie pręcików). Dodatkowo kolor, kształt, połysk, tekstura, a nawet zapach kolonii bakteryjnych mogą być wykorzystane do rozróżnienia gatunków.

Grzyby

Grzyby domeny Eukaryota są również bardzo zróżnicowane ekologicznie i mogą mieć różną wielkość, od mikroskopijnych drożdży po największy organizm na ziemi, grzyb miodowy (Armillaria ostoyae). Wszystkie grzyby są heterotroficzne, co oznacza, że muszą pozyskiwać pożywienie ze środowiska. Organizmy te wykazują również różnorodność w swoich specyficznych działaniach, niszach i potencjalnym wpływie na zdrowie człowieka. Na przykład niektóre grzyby są spożywane lub wykorzystywane do produkcji żywności przez ludzi, podczas gdy inne mogą powodować ciężkie, a nawet śmiertelne infekcje².

W obrębie królestwa grzybów istnieją dwa odrębne podziały taksonomiczne oparte na strategii reprodukcyjnej gatunku. Po pierwsze, Ascomycota, znane jako grzyby workowe, mają strukturę rozrodczą zwaną workiem. Razem wiele worków tworzy askokarp, czyli "owocnik" grzybów. Grzyby te mogą rozmnażać się płciowo lub bezpłciowo przez pączkowanie. Ascomycota składa się z niektórych gatunków ważnych gospodarczo, takich jak drożdże używane do warzenia piwa i pieczenia chleba, oraz niektórych gatunków popularnych w kuchni, takich jak smardze i trufle. Druga grupa, Basidiomycota, obejmuje organizmy powszechnie znane jako "grzyby klubowe" ze względu na obecność dużej maczugi struktury rozrodczej zwanej podstawką. W przeciwieństwie do Ascomycota, większość Basidomucota rozmnaża się wyłącznie przez rozmnażanie płciowe. Dzieje się tak, gdy dwie grzybnie haploidalne łączą się, tworząc bazydiokarp. Na pieczarce guzikowej jest to struktura kapelusza. Na spodniej stronie bazydiokarpu struktury rozrodcze zwane skrzelami wyłożone strukturami zwanymi podstawkami wytwarzają haploidalne jądra, które ostatecznie tworzą bazydiospory. Bazydiospory są następnie rozpraszane przez wiatr. Ten podział taksonomiczny obejmuje wiele powszechnie spożywanych pieczarek, a także dzikich grzybów francuskich.

Znaczenie mikrobiologii

Ogólnie rzecz biorąc, oczywiste jest, że różnorodne funkcje i właściwości mikroorganizmów sprawiają, że ich identyfikacja jest niezwykle ważna dla zdrowia i dobrego samopoczucia człowieka. Chociaż do tej pory zidentyfikowano ogromną liczbę gatunków grzybów i bakterii, szacuje się, że miliony innych nie zostały jeszcze zidentyfikowane i sklasyfikowane. Ponadto ludzkie dyscypliny, które badają grzyby i bakterie, są tak różnorodne, jak same organizmy i bez wątpienia będą się nadal rozwijać. Znaczenie mikroorganizmów w medycynie jest obecnie bardziej powszechne niż kiedykolwiek, ponieważ wielooporne na antybiotyki gatunki bakterii zakaźnych zagrażają zdrowiu ludzkiemu. Zrozumienie struktury i cech biologicznych gatunków zakaźnych i niezakaźnych dostarcza kluczowych informacji niezbędnych do tworzenia nowych terapii antybiotykowych i strategii zapobiegawczych^3-4.

Mikrobiologia ma również kluczowe znaczenie dla przemysłu spożywczego. Wiele produktów, w tym jogurt, ser, kombucha, chleb i alkohol, jest wytwarzanych przy użyciu określonych kategorii lub gatunków drobnoustrojów. Jednocześnie naukowcy zajmujący się żywnością koncentrują się na inżynierii związków chemicznych i konserwantów, które ograniczą rozwój niepożądanych drobnoustrojów na żywności. We wszystkich tych procesach konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób drobnoustroje przeżywają, rozmnażają się i wpływają na swoje środowisko.

Odwołania

1. Hiroshi Asakura, Holger Brueggemann, Sou-ichi Makino i Yoshiko Sugita-Konishi, "Molecular Approaches for the Classification of Microbial Pathogens of Public Health Significance" [Podejścia molekularne do klasyfikacji patogenów mikrobiologicznych o znaczeniu dla zdrowia publicznego], BioMed Research International, tom 2014, numer artykułu 725801, 2 strony, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/725801.
2. Treseder, K. K. i J. T. Lennon (2015). "Cechy grzybów, które napędzają dynamikę ekosystemu na lądzie". Microbiol Mol Biol Rev 79(2): 243-262.
3. Arvanitis, M. i E. Mylonakis (2015). "Interakcje grzybicze i bakteryjne i ich znaczenie dla zdrowia". Mikrobiol komórkowy 17(10): 1442-1446.
4. Aarestrup, F. M. i in. (2008). "Oporność bakterii w łańcuchu pokarmowym: epidemiologia i strategie kontroli". Ekspert Rev Anti Infect Ther 6(5): 733-750.

Mikroorganizmy definiuje się jako formy życia zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem. Ale chociaż zazwyczaj ich nie widzimy, mikroby są wszędzie, robiąc dobre rzeczy, takie jak wspomaganie trawienia lub robienie jogurtów i wina, a także niezbyt dobre rzeczy, takie jak powodowanie infekcji lub choroby.

Mówiąc o infekcjach, w 1928 roku Alexander Fleming wrócił z wakacji do swojego laboratorium i zauważył dziwne zanieczyszczenie grzybem na jednej ze swoich płytek do hodowli bakteryjnej. Co ciekawe, kolonie bakterii znajdujące się bezpośrednio wokół skażenia zostały zniszczone. Ta obserwacja doprowadziła do wielu dalszych badań, których kulminacją było opracowanie penicyliny i innych antybiotyków, które mogłyby leczyć infekcje bakteryjne. Mimo że mogą żyć obok siebie w mikroskopijnym świecie, z badań nad ich formami i filogenezą wiemy, że bakterie i grzyby są bardzo różnymi i różnorodnymi organizmami. Przyjrzyjmy się pokrótce niektórym cechom charakterystycznym tych dwóch głównych grup.

Bakterie są jednokomórkowymi prokariotami, co oznacza, że są organizmami jednokomórkowymi bez jądra. Wszystkie bakterie mają ścianę komórkową, ale jej skład i grubość są różne. Bakterie Gram-dodatnie mają ścianę komórkową z grubą warstwą peptydoglikanu, która łatwo zatrzymuje cząsteczki fioletu krystalicznego w barwieniu metodą Grama. Jednak bakterie Gram-ujemne mają cienką ścianę komórkową otoczoną zewnętrzną błoną lipopolisacharydową i zachowują tylko przeciwbarwienie, safraninę w kolorze czerwonym. Barwienie metodą Grama pozwala również na obserwację kształtów bakterii. Okrągłe bakterie nazywane są ziarniakami. Bakterie w kształcie pałeczek nazywane są pałeczkami. A bakterie w kształcie spirali nazywane są spirillą. Co więcej, kolonie bakteryjne można również scharakteryzować gołym okiem, wykorzystując takie cechy, jak kolor, kształt i wielkość kolonii.

Przyjrzyjmy się teraz grzybom. W przeciwieństwie do bakterii, grzyby są eukariontami, a zatem ich komórki mają organelle i jądro związane błoną. Są one powszechnie klasyfikowane w grupy na podstawie ich strategii rozrodczych. Na przykład Ascomycota, czyli grzyby workowe, do których należą smardze, penicillium i trufle, mają owocniki zwane askokarpami. Smardze są wypełnione tymi strukturami. Jeśli przyjrzymy się im bliżej, zawierają one wiele mniejszych struktur zwanych workami, które z kolei zawierają wiele askospor powstałych podczas rozmnażania płciowego. Jednak workowce często rozmnażają się bezpłciowo przez pączkowanie, podobnie jak bakterie. Drugą główną grupą grzybów, którą zbadamy, jest Basidiomycota, czyli grzyby klubowe. Większość jadalnych i trujących grzybów w lesie to w rzeczywistości struktury rozrodcze Basidiomycota. W tej grupie to, co nazwalibyśmy kapeluszem grzyba, jest technicznie znane jako bazydiokarp. U grzybów blaszkowych skrzela pod bazydiokarpem są wyłożone maleńkimi strukturami znanymi jako podstawki, które wytwarzają bazydiospory, mikroskopijne zarodniki rozrodcze podczas rozmnażania płciowego. Zarodniki te są zwykle przenoszone przez wiatr, podobnie jak wiele nasion roślin. Tutaj zbadaliśmy kilka głównych grup bakterii i grzybów oraz cechy, które definiują je w bardzo uproszczony sposób. Jednak ze względu na ogromną liczbę gatunków drobnoustrojów, według wielu szacunków przekraczającą bilion, naukowcy często identyfikują je i grupują za pomocą dodatkowych metod, w tym badania ich DNA.

W tym laboratorium zidentyfikujesz różne gatunki bakterii za pomocą barwienia metodą Grama i zbadasz charakterystykę kolonii. Zbadasz również gatunki grzybów, aby zidentyfikować ich struktury rozrodcze.