Mikrobiyoloji

Mikroorganizmalarla çizilmiş bir agar plakası ⓘ

Mikrobiyoloji (Eski Yunanca μῑκρος (mīkros) 'küçük', βίος (bíos) 'yaşam' ve -λογία (-logía) 'çalışması'), tek hücreli (tek hücre), çok hücreli (hücre kolonisi) veya aselüler (hücresiz) mikroorganizmaların bilimsel çalışmasıdır. Mikrobiyoloji, viroloji, bakteriyoloji, protistoloji, mikoloji, immünoloji ve parazitoloji gibi çok sayıda alt disiplini kapsar. ⓘ

Ökaryotik mikroorganizmalar zara bağlı organellere sahiptir ve mantar ve protistleri içerirken, hepsi mikroorganizma olan prokaryotik organizmalar geleneksel olarak zara bağlı organellerden yoksun olarak sınıflandırılır ve Bakteri ve Arkeleri içerir. Mikrobiyologlar geleneksel olarak kültür, boyama ve mikroskopiye dayanmaktadır. Bununla birlikte, yaygın ortamlarda bulunan mikroorganizmaların %1'inden daha azı mevcut yöntemler kullanılarak izole bir şekilde kültürlenebilir. Mikrobiyologlar genellikle DNA dizisine dayalı tanımlama gibi moleküler biyoloji araçlarına, örneğin bakteri tanımlaması için kullanılan 16S rRNA gen dizisine güvenmektedir. ⓘ

Virüsler, ya çok basit mikroorganizmalar ya da çok karmaşık moleküller olarak kabul edildiklerinden, organizma olarak değişken bir şekilde sınıflandırılmıştır. Hiçbir zaman mikroorganizma olarak kabul edilmeyen prionlar, virologlar tarafından araştırılmıştır, ancak bunlara bağlı klinik etkilerin başlangıçta kronik viral enfeksiyonlara bağlı olduğu varsayılmış ve virologlar "bulaşıcı proteinleri" araştırıp keşfetmişlerdir. ⓘ

Mikroorganizmaların varlığı, örneğin Hindistan'da Jainler ve antik Roma'da Marcus Terentius Varro tarafından ilk kez gözlemlenmeden yüzyıllar önce tahmin edilmiştir. Kaydedilen ilk mikroskop gözlemi 1666'da Robert Hooke tarafından küflerin meyve veren gövdelerine aitti, ancak Cizvit rahip Athanasius Kircher muhtemelen 1658'de sütte ve çürümüş materyalde gözlemlediğini belirttiği mikropları ilk gören kişiydi. Antonie van Leeuwenhoek, 1670'lerde kendi tasarımı olan basit mikroskopları kullanarak mikroskobik organizmaları gözlemleyip deneyler yaptığı için mikrobiyolojinin babası olarak kabul edilir. Bilimsel mikrobiyoloji 19. yüzyılda Louis Pasteur ve tıbbi mikrobiyoloji alanında Robert Koch'un çalışmalarıyla gelişmiştir. ⓘ

Kültür plağında bakteri kolonileri

Bakteri: E. coli

Mikrobiyoloji, mikrorganizmaları inceleyen bilim dalıdır. Bakteriler, archaea, virüsler, protistler (protozoonlar, ilkel algler ve ilkel mantarlar), mayalar ve küfler gibi mikroorganizmalar mikrobiyolojinin konu alanını oluştururlar. Mikrobiyoloji bilim dalının aktif olarak kullanıldığı uygulama alanları tıp, tarım ve endüstridir (endüstriyel mikrobiyoloji ve biyomühendislik). ⓘ

Tarihçe

İbn-i Sina mikroorganizmaların varlığını varsaymıştır. ⓘ

Mikroorganizmaların varlığı, gerçek keşiflerinden önce yüzyıllar boyunca varsayılmıştır. Görünmeyen mikrobiyolojik yaşamın varlığı, Mahavira'nın öğretilerine dayanan Jainizm tarafından M.Ö. 6. yüzyıl gibi erken bir tarihte ortaya atılmıştır. Paul Dundas, Mahavira'nın toprak, su, hava ve ateşte yaşayan görünmeyen mikrobiyolojik yaratıkların varlığını ileri sürdüğünü belirtmektedir. Jain yazıtlarında büyük kümeler halinde yaşayan ve çok kısa ömürlü olan mikroskobik altı yaratıklar olan nigodaların evrenin her yerine, hatta bitkilerin dokularına ve hayvanların etine bile yayıldığı söylenmektedir. Romalı Marcus Terentius Varro, bataklıkların yakınına ev kurulmaması konusunda uyarıda bulunurken mikroplara atıfta bulunmuştur: "Çünkü orada gözle görülemeyen, havada yüzen, ağız ve burun yoluyla vücuda giren ve böylece ciddi hastalıklara neden olan bazı küçük yaratıklar yetişmektedir." ⓘ

İranlı bilim adamları mikroorganizmaların varlığını varsaymışlardır; örneğin İbn Sina Tıbbın Kanunu adlı kitabında, İbn Zühr (Avenzoar olarak da bilinir) uyuz akarlarını keşfetmiş ve Al-Razi Erdemli Yaşam (al-Hawi) adlı kitabında çiçek hastalığının bilinen en eski tanımını yapmıştır. ⓘ

1546'da Girolamo Fracastoro, salgın hastalıklara, enfeksiyonu doğrudan veya dolaylı temas ya da araçla bulaştırabilen, aktarılabilir tohum benzeri varlıkların neden olduğunu öne sürmüştür. ⓘ

Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) ⓘ

Henry Baker tarafından Van Leeuwenhoek'un mikroskopları ⓘ

Martinus Beijerinck genellikle virolojinin kurucusu olarak kabul edilir ⓘ

Hayatının büyük bir bölümünü Hollanda'nın Delft kentinde geçiren Antonie van Leeuwenhoek, 1676 yılında kendi tasarımı olan tek mercekli bir mikroskop kullanarak bakterileri ve diğer mikroorganizmaları gözlemledi. Kendi tasarımı olan basit tek mercekli mikroskopları kullandığı için mikrobiyolojinin babası olarak kabul edilir. Van Leeuwenhoek genellikle mikropları ilk gözlemleyen kişi olarak gösterilse de, Robert Hooke ilk kayıtlı mikroskobik gözlemini 1665 yılında küflerin meyve veren gövdeleri üzerinde yapmıştır. Bununla birlikte, Athanasius Kircher adlı bir Cizvit rahibinin mikroorganizmaları ilk gözlemleyen kişi olduğu öne sürülmüştür. ⓘ

Kircher projeksiyon amaçlı sihirli fenerleri ilk tasarlayanlar arasındaydı, bu nedenle merceklerin özelliklerini iyi biliyor olmalıydı. 1646'da yazdığı "Mikroskopla incelenen doğadaki şeylerin harika yapısı hakkında" başlıklı yazısında "sirke ve sütün sayısız solucanla dolu olduğuna kim inanır" demiştir. Ayrıca çürümüş maddelerin sayısız sürünen hayvanla dolu olduğunu da belirtmiştir. Scrutinium Pestis (Vebanın İncelenmesi) adlı eserini 1658 yılında yayınladı ve hastalığın mikroplardan kaynaklandığını doğru bir şekilde ifade etti, ancak gördüğü şey büyük olasılıkla veba etkeninin kendisinden ziyade kırmızı veya beyaz kan hücreleriydi. ⓘ

Uzun müddet insanlar, çevrelerinin mikroplarla dolu olduğundan habersizdi. Halbuki mikroorganizmalar, onun etrafındaki her yerde, eşyalarında hatta derisinde ve bağırsaklarında milyonlarca bulunuyordu. İlerleyen yüzyıllarda insan bilmeden mikropları işlerinde kullanmaya başladı. Ekmek yapımı, peynir ve sirke imali, boza yapımı bunların başta gelenleridir. ⓘ

Mikrop terimi, bilim dünyasına ilk defa 1878'de Fransız cerrahı Charles Sédillot tarafından getirilmiştir. Sédillot, mikropların kendilerine has apayrı bir dünyası olduğunu savunmuştur. ⓘ

Robert Koch (1843—1910) ⓘ

Bakteriyolojinin doğuşu

Louis Pasteur ve diğer biyologlar tarafından geliştirilen yenilikçi laboratuvar cam eşyaları ve deneysel yöntemler, 19. yüzyılın sonlarında bakteriyolojinin genç alanına katkıda bulunmuştur. ⓘ

Bakteriyoloji alanı (daha sonra mikrobiyolojinin bir alt disiplini) 19. yüzyılda, algler ve fotosentetik bakteriler üzerindeki çalışmaları Bacillus ve Beggiatoa dahil olmak üzere çeşitli bakterileri tanımlamasına yol açan bir botanikçi olan Ferdinand Cohn tarafından kurulmuştur. Cohn aynı zamanda bakterilerin taksonomik sınıflandırması için bir şema formüle eden ve endosporları keşfeden ilk kişidir. Louis Pasteur ve Robert Koch, Cohn'un çağdaşlarıydı ve genellikle sırasıyla modern mikrobiyolojinin ve tıbbi mikrobiyolojinin babaları olarak kabul edilirler. Pasteur en çok, o zamanlar yaygın olan kendiliğinden oluşum teorisini çürütmek ve böylece mikrobiyolojinin biyolojik bir bilim olarak kimliğini sağlamlaştırmak için tasarladığı bir dizi deneyle ünlüdür. Öğrencilerinden biri olan Adrien Certes, deniz mikrobiyolojisinin kurucusu olarak kabul edilir. Pasteur ayrıca gıdaların korunması (pastörizasyon) için yöntemler ve şarbon, kümes kolerası ve kuduz gibi çeşitli hastalıklara karşı aşılar tasarlamıştır. Koch en çok, belirli hastalıklara belirli patojen mikroorganizmaların neden olduğunu kanıtlayan mikrop teorisine yaptığı katkılarla tanınır. Koch'un postülatları olarak bilinen bir dizi kriter geliştirmiştir. Koch, bakterilerin saf kültürde izolasyonuna odaklanan ilk bilim insanlarından biriydi ve bunun sonucunda tüberkülozun etkeni olan Mycobacterium tuberculosis de dahil olmak üzere birçok yeni bakteriyi tanımladı. ⓘ

Pasteur ve Koch genellikle mikrobiyolojinin kurucuları olarak kabul edilse de, doğrudan tıbbi önemi olan mikroorganizmalara odaklanmaları nedeniyle çalışmaları mikrobiyal dünyanın gerçek çeşitliliğini doğru bir şekilde yansıtmamıştır. Mikrobiyolojinin gerçek genişliği 19. yüzyılın sonlarına ve Martinus Beijerinck ile Sergei Winogradsky'nin çalışmalarına kadar ortaya çıkmamıştır. Beijerinck mikrobiyolojiye iki önemli katkıda bulunmuştur: virüslerin keşfi ve zenginleştirme kültürü tekniklerinin geliştirilmesi. Tütün mozaik virüsü üzerine yaptığı çalışmalar virolojinin temel prensiplerini oluştururken, mikrobiyoloji üzerinde en büyük etkiyi yaratan şey, çok farklı fizyolojilere sahip çok çeşitli mikropların yetiştirilmesine olanak tanıyan zenginleştirme kültürünü geliştirmesiydi. Winogradsky, kemolitotrofi kavramını geliştiren ve böylece mikroorganizmaların jeokimyasal süreçlerde oynadığı temel rolü ortaya koyan ilk kişidir. Hem nitrifikasyon hem de azot fikse eden bakterilerin ilk izolasyonundan ve tanımlanmasından sorumluydu. Fransız-Kanadalı mikrobiyolog Felix d'Herelle 1917 yılında bakteriyofajları keşfetmiş ve ilk uygulamalı mikrobiyologlardan biri olmuştur. ⓘ

Joseph Lister, hastaların açık yaraları üzerinde fenol dezenfektanını kullanan ilk kişidir. ⓘ

Şubeler

Bir üniversite gıda mikrobiyolojisi laboratuvarı ⓘ

Mikrobiyolojinin dalları uygulamalı bilimler olarak sınıflandırılabilir veya bakteriyoloji, mikoloji, protozooloji, viroloji, fizyoloji ve mikrobiyal ekolojide olduğu gibi taksonomiye göre bölünebilir. Mikrobiyolojinin belirli dalları arasında birbirleriyle ve diğer disiplinlerle önemli ölçüde örtüşme vardır ve bu dalların bazı yönleri geleneksel mikrobiyoloji kapsamının ötesine geçebilir Mikrobiyolojinin saf bir araştırma dalı hücresel mikrobiyoloji olarak adlandırılır. ⓘ

Uygulamalar

Bazı mikropların çeşitli insan hastalıkları ile ilişkilendirilmesi nedeniyle mikroplardan korkulsa da, birçok mikrop aynı zamanda endüstriyel fermantasyon (örneğin alkol, sirke ve süt ürünleri üretimi), antibiyotik üretimi gibi çok sayıda faydalı süreçten sorumludur ve DNA'yı bitkiler ve hayvanlar gibi karmaşık organizmalara aktarmak için moleküler araçlar olarak hareket eder. Bilim insanları ayrıca mikroplar hakkındaki bilgilerini Taq polimeraz gibi biyoteknolojik açıdan önemli enzimler, diğer genetik sistemlerde kullanılmak üzere raportör genler ve maya iki hibrid sistemi gibi yeni moleküler biyoloji teknikleri üretmek için kullanmışlardır. ⓘ

Bakteriler, amino asitlerin endüstriyel üretimi için kullanılabilir. Corynebacterium glutamicum, başta L-glutamat ve L-lizin olmak üzere yıllık iki milyon tondan fazla amino asit üretimiyle en önemli bakteri türlerinden biridir. Bazı bakteriler antibiyotik sentezleme yeteneğine sahip olduğundan, aminoglikozid antibiyotikleri yapmak için Streptomyces gibi tıbbi amaçlar için kullanılırlar. ⓘ

Bira yapımında kullanılan mayalı fermantasyon tankları ⓘ

Polisakkaritler, polyesterler ve poliamidler gibi çeşitli biyopolimerler mikroorganizmalar tarafından üretilmektedir. Mikroorganizmalar, doku mühendisliği ve ilaç dağıtımı gibi yüksek değerli tıbbi uygulamalara uygun özel niteliklere sahip biyopolimerlerin biyoteknolojik üretimi için kullanılmaktadır. Mikroorganizmalar örneğin ksantan, aljinat, selüloz, siyanofisin, poli(gama-glutamik asit), levan, hyaluronik asit, organik asitler, oligosakkarit polisakkarit ve polihidroksialkanoatların biyosentezi için kullanılır. ⓘ

Mikroorganizmalar, evsel, tarımsal ve endüstriyel atıkların ve toprak, sediman ve deniz ortamlarındaki yüzey altı kirliliğinin mikrobiyal biyodegradasyonu veya biyoremediasyonu için faydalıdır. Her bir mikroorganizmanın toksik atıkları bozma kabiliyeti, her bir kirleticinin doğasına bağlıdır. Sahalarda tipik olarak birden fazla kirletici türü bulunduğundan, mikrobiyal biyolojik bozunmaya yönelik en etkili yaklaşım, her biri bir veya daha fazla kirletici türünün biyolojik bozunmasına özgü bakteri ve mantar türlerinin ve suşlarının bir karışımını kullanmaktır. ⓘ

Simbiyotik mikrobiyal topluluklar insan ve hayvan konakçılarının sağlığına sindirime yardımcı olmak, faydalı vitaminler ve amino asitler üretmek ve patojen mikropları bastırmak gibi faydalar sağlar. Fermente gıdalar, probiyotikler (sindirim sistemi için potansiyel olarak faydalı bakteriler) veya prebiyotikler (probiyotik mikroorganizmaların büyümesini teşvik etmek için tüketilen maddeler) tüketilerek bazı faydalar sağlanabilir. Mikrobiyomun insan ve hayvan sağlığını etkileme yolları ve mikrobiyomu etkileme yöntemleri aktif araştırma alanlarıdır. ⓘ

Araştırmalar, mikroorganizmaların kanser tedavisinde faydalı olabileceğini düşündürmektedir. Patojenik olmayan çeşitli klostridya türleri katı tümörlerin içine sızabilir ve çoğalabilir. Clostridial vektörler güvenli bir şekilde uygulanabilir ve terapötik proteinleri iletme potansiyelleri çeşitli preklinik modellerde gösterilmiştir. ⓘ

Bazı bakteriler temel mekanizmayı incelemek için kullanılır. Hareketliliği veya polisakkarit üretimini ve gelişimini incelemek için kullanılan model bakterilere bir örnek Myxococcus xanthus'tur. ⓘ

Topraktaki bakteriler

Bakteriler yalnızca hastalık yapan varlıklar olarak ele alınmamalıdır. Tabiatta birçok yerde bakteriler çok önemli bir denge rolü oynamaktadır. 1878'de iki Fransız bilim adamı Théophile Schloesing ve Achille Mantz, topraktaki nitrat bileşiklerinden amonyak imalinin basit bir kimyasal reaksiyon olmayıp, olayın bazı mikroorganizmalarca yapıldığını açıkladılar. Bu olayı yapan bakterileri 1890'da bir Rus bilim adamı Sergei Winogradsky buldu. Bu tip bakteriler enerji ihtiyaçlarını karşılamada organik maddeleri kullanamazlar, ancak bu iş için amonyağın oksitlenmesiyle ortaya çıkan enerjiyi kullanırlar. Vücut maddelerinin yapımı için gereken karbonu karbondioksitten alırlar. Bu iki özellikleri dolayısıyla bunlara kemoototrof (kimyevi yolla kendi kendine beslenen) denmiştir. Aynı Rus bilim adamının bir diğer açıklaması bazı anaerobik (oksijene ihtiyacı olmayan) bakterilerin toprakta serbest bulunduğu ve atmosferdeki azotu, bitkilerin kullanabileceği hale getirdiği şeklindeydi. ⓘ

1901'de toprakta baklagiller cinsi bitkilerin köklerinde yaşayan Rhizobium türünde bakteriler keşfedildi. Bunlar, kökünde bulundukları bitkinin faydasına olarak, havadaki azotu tespit edici özelliğe sahiptir. ⓘ

Viroloji

1884'te Fransız bakteriyoloğu Charles Chamberland bakterilerin geçişine izin vermeyen porselen bir filtre imal etti. Bu filtre bakteriden arınmış su elde etmede kullanılıyordu. 1892'de Rus bilim adamı Dimitri Ivanovsky tütün mozaik hastalığının etkeninin bu süzgeçten geçebildiğini gösterdi. Bu süzgeçlerden geçen mikroorganizmalara filtrabl (filtreden geçebilen) virüsler adı verildi. ⓘ

1900'de Amerikalı bilim adamı Walter Reed'in bazı filtrabl virüslerin belli bir hastalığı yaptığını (bu hastalık Sarı Humma'dır) göstermesi kendine haklı bir şöhret sağladı. Aynı şekilde bakteriden arındırılmış filtratların (süzülmüş sıvıların) hayvanlarda tümör ortaya çıkmasında rol oynadığı ilk olarak Vilhelm Ellerman ve Oluf Bang (1908 Danimarka) daha sonra da Peyton Rous (1911 ABD) tarafından açıklandı. Virüslerin bakteriler içinde de gelişebildikleri 1915'te Frederick Twort tarafından bildirildi. Bu virüslere Bakteriyofajlar denildi. ⓘ

Tütün mozaik virüsünün kristalizasyonla saflaştırılıp, elde edilmesi (1935), virüslerin birer mikrop olmaktan ziyade, birer kimyevi molekül olduğu fikrini ortaya çıkardı. 1937'de virüslerin nukleoprotein yapısında oldukları İngiliz araştırmacılar F.C. Bawden ve N.W. Pirie'in ekibince bildirildi. Elektron mikroskobunun bilim dünyasına sunulmasını takiben virüslerin fotoğrafları çekilebildi ve incelemeler sonucu hücresel yapıya sahip olmadıkları anlaşıldı. ⓘ

Yine elektron mikroskobunun ve moleküler biyolojinin gelişmesi büyük virüs veya küçük bakteri denilebilecek küçük mikroorganizmaların varlığını gösterdi. Bunlara riketsia denildi. Riketsialar tifüs, akdeniz benekli ateşi, kayalık dağlar benekli humması ve diğer bazı hastalıklara neden olurlar. ⓘ

Mikoloji

(Bakınız Mikoloji) ⓘ

Protozooloji

On dokuzuncu yüzyılın ilk yarısında Almanya'da C.G. Ehrenberg, protozooloji dalını bilim dünyasına takdim etti. O protozoonların hayvanlardaki her organ sistemine (çok çok küçültülmüş olarak) sahip olan canlılar olduğunu düşünmüştü. 19. yüzyılın ortalarında Alman bilim adamı Karl von Siebold protozoonların tek hücreli canlılar olduğunu ortaya koydu. Günümüzde protozonların şark çıbanı, kala-azar, sıtma gibi hastalıkları yaptığı bilinmektedir. ⓘ