Bài giảng Vi sinh đại cương - Chương 1: Lịch sử phát triển ngành vi sinh vật học

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN NGÀNH VI SINH VẬT HỌC 1. VI SINH VẬT HỌC LÀ GÌ? Sinh học (biology) là một ngành khoa học nghiên cứu về cấu trúc, chức năng, sự phát triển, sự phân bố và quá trình sống của các sinh vật sống Vi sinh vật : là những sinh vật sống có kích thước rất nhỏ , chỉ quan sát được dưới kính hiển vi. Vi sinh vật học (microbiology) là ngành sinh học nghiên cứu về virus, vi khuẩn (bacteria) và các sinh vật cực nhỏ khác. Vi sinh vật học đại cương: nghiên cứu những qui luật chung nhất về vi sinh vật. Nguồn : New Penguin English Dictionary, 2002 Vi sinh vật học thực phẩm : Nghiên cứu những hoạt động sinh lý , quy luật phát triển của vi sinh vật trên thực phẩm để ngăn ngừa hoặc phát huy theo hướng có lợi cho con người . Các loại vi sinh vật viruses bacteria fungi algae protozoa ĐỐI TƯỢNG CỦA VI SINH VẬT HỌC Actinomycetes Kích thước nhỏ bé (được đo bằng nanomet ) Cấu trúc cơ thể đơn giản Hấp thu nhiều chuyển hoá nhanh Sinh trưởng nhanh , phát triển mạnh Năng lực thích ứng mạnh,dễ phát sinh biến dị . Phân bố rộng , chủng loại nhiều 1.1. Đặc điểm chung của vi sinh vật Khắp mọi nơi trên trái đất : đất , nước , không khí 100-400 loài vsv khác nhau trong đường ruột của người ( Bacteroides fragilis 10 10 -10 11 /g phân. ở độ sâu 10.000m nước biển 1-10 tỉ vi khuẩn/1ml ( vk lưu huỳnh ) 1.2. Phân bố của vi sinh vật From the day you are born .. To the day that you die . Hàng ngày chúng ta thường gặp các vi sinh vật và các sản phẩm của chúng Vi sinh vật trên kênh thông tin đại chúng : Anthrax AIDS Ebola Bio-terrorism Foot & Mouth TB Klebsiella SARS Typhoid Cholera Superbugs Bird flu MAD COWS Disease Vi sinh vật học Dược học Công nghệ thực phẩm Nông nghiệp Công nghệ sinh học Môi trường Công nghiệp PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA VI SINH VẬT 1.3 Ý nghĩa vi sinh vật Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất ( cách nay 3,5 tỷ năm) VSV tham gia vào chu trình chuyển hóa vật chất ( chương 4) VSV tham gia vào quá trình cải thiện đất , phân giải các phế thải công nghiệp , nông nghiêp , đô thị . VSV có vai trò quan trọng trong ngành năng lượng VSV là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghiệp lên men: acid lactic, men bánh mỳ , penicillin, .. VSV cũng gây nên những tác hại : gây bệnh , biến chất lương thực,thực phẩm , vật liệu , hàng hóa, Evolutionary Timeline: Bacteria appeared 3.5 billion years ago Nghiên cứu các đặc điểm cơ bản về hình thái , cấu tạo , di truyền , hoạt động sinh lý hoá học, của các nhóm vi sinh vật. Sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên và mối quan hệ giữa chúng với môi trường và các vi sinh vật khác. Nghiên cứu các biện pháp thích hợp để có thể sử dụng một cách có hiệu quả nhất vi sinh vật có lợi cũng như các biện pháp tích cực nhằm ngăn ngừa các vi sinh vật có hại trong mọi hoạt động sống của con người . 1.4. Nhiệm vụ của vi sinh vật học đại cương 1949, GS Đặng Văn Ngữ thu được kháng sinh penicillin từ nấm mốc bằng phương pháp thủ công 1955 – 1964: Phát triển đội ngũ cán bộ vi sinh học Đến nay đội ngũ cán bộ vsh đã có hơn 1500 người ( tài liệu 2005) Nhiều bệnh nan y đã được loại trừ ( lao , viêm gan siêu vi B, ) Nhiều loại vacxin dùng cho người và vật nuôi được sản xuất trong nước Phân lập được các chủng nấm men và nấm mốc cho năng suất cao trong việc thu nhận các sp lên men ( amylaza , proteaza ) 1.5. Vi sinh vật học ở Việt Nam 2. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VI SINH VẬT Kỹ thuật làm bia – cách nay 6000 năm Các sản phẩm lên men từ sữa - 4000 năm Bệnh dịch hạch – thế kỷ 13 Bệnh đậu mùa – thế kỷ 15-17 Bệnh bạch hầu , dịch tả, bệnh lỵ , thương hàn , họai thư – thế kỷ 17-19 1900 – Bệnh cúm , viêm phổi , bệnh lao và viêm dạ dày 1920 – dịch cúm gia cầm 1929 – chất kháng sinh đầu tiên –Penicillin 1983 – Bệnh HIV ẢNH HƯỞNG CỦA VI SINH VẬT TRONG LỊCH SỬ Những trở ngại chính của quá trình nghiên cứu vi sinh vật Không thể nhìn thấy VSV Thiếu các kỹ thuật cơ bản Thuyết tự sinh – Aristotle (384-322 B.C.) 2.1 TRƯỚC KHI CÓ KÍNH HIỂN VI Antonie van Leeuwenhoek (circa 1684) “Wee animalcules” 2.2 SAU KHI PHÁT MINH RA KÍNH HIỂN VI BÀO TỬ VÀ SỰ TIỆT TRÙNG(Spores and sterilization) John Tyndall chứng minh một vài vi sinh vật trong bụi và không khí có khả năng chịu nhiệt cao . Ferdinand Cohn khám phá và mô tả nội bào tử Thuật ngữ “ tiệt trùng ” được giới thiệu có nghĩa là loại bỏ hoàn toàn tất cả các dạng sống bao gồm các nội bào tử SINH VẬT SINH TỰ NHIÊN & THUYẾT PHÁT SINH SINH VẬT “ Thuyết tự sinh ” được tin tưởng rằng mọi sinh vật sống có thể sinh ra từ các thế lực sự sống hiện diện trong các vật chất không sống và phân hủy . (VD: ruồi dấm sinh ra từ thịt hoặc nấm sinh ra gỗ mục ) Giả thuyết thay thế cho rằng các sinh vật sống chỉ có thể sinh ra từ các dạng sống tồn tại trước đó được gọi là “ Thuyết phát sinh sinh vật ” Franco Redi (1668) chống lại thuyết tự sinh Thí nghiệm của Redi Ấu trùng của ruồi giấm 1745 -John Needham: canh dinh dưỡng trong bình thóp cổ bịt kín Điều kiện Kết quả Canh dinh dưỡng được đun sôi sau đó cho vào bình thóp cổ được bịt kín Tất cả vi sinh đều phát triển Vi sinh vật từ đ â u đến ? Thuyết tự sinh hay Thuyết ph á t sinh sinh vật ? Louis Jablot Dịch chiết Franz Schultze and Theodor Schwann Louis Pasteur (1864) bác bỏ thuyết tự sinh TN bình cổ ngổng 2.3 VSH THỰC NGHIỆM VỚI LUOIS PASTEUR Ông là cha đẻ của ngành vi sinh vật học 2.4 SAU PASTEUR VÀ VSH HIỆN ĐẠI Koch (Robert Koch 1843-1910) - Phát triển các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật . - Phương pháp : chứng minh một vi sinh vật là nguyên nhân gây ra bệnh truyền nhiễm ( quy tắc Koch) - Phát hiện bệnh lao do vk Mycobacteryum tuberculosis TN bệnh Than – Qui tắc Koch Chứng minh sự hiện diện của vi sinh vật trong động vật và cây trồng mắc bệnh Thu được chủng thuần khiết Tiêm chủng cho vật chủ khỏe mạnh với chủng thuần khiết và quan sát các triệu chứng bệnh đặc trưng . Tái phân lập mầm bệnh nghi ngờ từ các vật chủ thử nghiệm Juliyes Richard Petri, 1852-1921 - Hộp lồng Petri - Các pp nhuộm màu vi sinh vật Ivanopxki , 1892 và Beijerrinck , 1896 Phát hiện virus đầu tiên trên thế giới khi chứng minh vi sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn, qua được lọc bằng sứ xốp , là nguyên nhân gây bệnh khảm cây thuốc lá . Klug (1982) phát hiện ra cấu trúc đối xứng xoắn của virus gây bệnh khảm thuốc lá TMV Alexander Fleming (1881-1955) Là người đầu tiên phát hiện ra chất kháng sinh, đó là Penicillin được sinh ra từ nấm Peniclium Watson and Crick (1953) phát hiện ra cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN Ngày nay vi sinh vật đã phát triển rất sâu vào bản chất của sự sống ở mức độ phân tử và dưới phân tử K ỹ thuật nuôi cấy mô và tháo lắp gen ở vi sinh vật và ứng dụng kỹ thuật tháo lắp này để chữa bệnh cho người , gia súc , cây trồng và đang đi sâu vào để giải quyết bệnh ung thư ở loài người . 3.HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SINH GIỚI Linneaus (1707-1778): chia thế giới sinh vật thành 2 giới: giới thực vật và động vật R.H. Whittaker (1920-1981), 1969: Hệ thống phân loại 5 giới 1. Giới khởi sinh ( Prokaryota ) : vi khuẩn và vi khuẩn lam 2. Giới nguyên sinh(Protista) :tảo đơn bào, nấm đơn bào có tiên mao và các nhóm động vật nguyên sinh 3. Giới nấm(Fungi ) 4. Giới thực vật(plantae ) 5. Giới động vật(Animalia ) Hệ thống phân loại gồm 5 giới Hệ thống phân loại 5 giới Dựa vào : Kiểu hình (Các đặc tính quan sát được) – Ví dụ: kích thước tế bào, cấu trúc, chức năng và hình thái học, quá trình chuyển hóa, các yêu cầu sinh lý , phương thức sinh sản Kiểu gen (Cấu trúc di truyền ) Cây tiến hóa - Trần thế Tương (1905-1988), 1979: Hệ thống phân loại 6 giới và 3 nhóm giới Nhóm giới sinh vật phi bào 1. Giới virut (virus) Nhóm giới sinh vật nhân nguyên thuỷ (prokaryote) 2. Giới vi khuẩn (Bacteria) 3. Giới vi khuẩn lam (tảo lam) Nhóm giới sinh vật nhân thực 4. Giới thực vật ( plantae ) 5. Giới nấm (Fungi) 6. Giới động vật (Animalia) Dựa vào trật tự các nucleotide của 16S ARNr hoặc 18S ARNr mà thể nhân sơ có 2 nhóm lớn khác biệt nhau : vi sinh vật cổ (Achaea) và vi khuẩn (bacteria) (Carl R.Woose.1981; Thomas D.Brock và cộng sự, 1995) HT 3 nhóm giới: Archaea, Bacteria, Eukarya Phân loại theo mô hình tiến hóa dựa vào : - Kiểu gen – Có quan hệ di truyền với RNA ribosom - Cấu trúc lipid của màng tế bào - Tính nhạy với các chất kháng sinh Eukaryote Prokaryote Vi sinh vật Thực vật Nấm Động vật Vi tảo Vi nấm ĐVNS Achaea Bacteria Những nghiên cứu về đa dạng sinh học vi sinh vật cho biết có khoảng 110.000 loài vi sinh vật được mô tả (Hanhs Worth,1991) VỊ TRÍ CỦA VI SINH VẬT TRONG SINH GIỚI Địa y Thời gian 1,5 tỉ năm trước ĐVNS Nhân sơ, kị khí Cổ xưa Các dạng vô bào Nhân sơ, kị khí Quang hợp Nhân sơ, hiếu khí Nhân chuẩn, kị khí Cổ xưa Nhân chuẩn, kị khí Quang hợp Nhân chuẩn, hiếu khí Quang hợp Nhân chuẩn, hiếu khí không quang hợp 3 tỉ năm trước 4 tỉ năm trước Tảo Thực vật ĐV Nấm Mức tiến hoá cao Vk hiếu khí Vk qh lục, tía Vk lam Vk kị khí Achaea Virus Phage ? Cộng sinh Sự tiến hoá của các nhóm vi sinh vật (Elinov N.P., 1989) NHÓM VI SINH VẬT NHÂN SƠ (PROKARYOTE) Archaea (Vi khuẩn cổ ) Methanococcus sp. Thermal springs Soda lakes Bacteria Escherichia coli Endospore NHÓM VI SINH VẬT NHÂN THỰC (EUKARYOTE) Microalgae (vi tảo ) Giới nguyên sinh Paramecium sp. Protista Fungi Plantae Animalia Chưa có tế bào, gồm protein và acid nucleic Kích thước 0.01-0.2 um Ký sinh ở mức độ phân tử Không có sự chuyển hóa vật chất bên trong Sử dụng bộ máy sinh sản của vật chủ để tự nhân lên bản thân NHÓM VI SINH VẬT PHI BÀO - VIRUS Do Linneaus đề xướng, sử dụng tiếng Latinh để thống nhất gọi tên từng loài. Sử dụng danh pháp kép Giống (genus) và loài (species) In nghiêng hoặc gạch dưới e.g. Staphylococcus aureus Staphylococcus aureus S. aureus Staphylococcus sp. Staphylococcus spp . 4. ĐẶT TÊN CHO CÁC VI SINH VẬT ? LA plate 5. SỰ KHÁC BIỆT TB NHÂN SƠ & TB NHÂN THỰC 2um 100 um 30um Yeast cells Bacteria CÁC ĐẶC ĐIỂM PHÂN BIỆT Đặc điểm Prokaryotes Eukaryotes Kích thước Đường kính < 2um 10 - > 100um Cấu trúc nhân và chức năng Vùng nhân, chưa có màng nhân và hạch nhân Có nhân, màng nhân DNA Nhiễm sắc thể dạng vòng đơn, không có histon Một hoặc nhiều nhiễm sắc thể dạng thẳng có histon Phân chia tế bào Phân đôi và nảy chồi, không có quá trình nguyên phân Nguyên phân Sinh sản Quá trình phân đoạn không theo qui luật, không giảm phân Có qui luật, phân chia giảm phân, toàn bộ nhiễm sắc thể Vị trí của bộ gen Về mặt chức năng các gen liên quan thường tập trung thành cụm Các gen liên quan không tập trung thành cụm Đặc điểm Prokaryotes Eukaryotes Cấu trúc tế bào chất và sự hình thành các cơ quan tử Không có các cơ quan tử, có thể có các màng nội bào đơn giản Có các cơ quan tử, màng tế bào bao, màng lưới nội chất, thể Golgi Hệ thống hô hấp Bên trong màng tế bào chất hoặc màng nội bào, không có ty thể Trong ty thể Bộ máy quang hợp Trong màng nội bào hoặc nhiễm sắc thể Trong các lục lạp Ribosomes 70S 80S and 70S Thành tế bào Phổ biến, chứa peptidoglycan Chỉ có ở thực vật, tảo, nấm, không có ở động vật và nhiều protozoa CÁC ĐẶC ĐIỂM PHÂN BIỆT Đặc điểm Prokaryotes Eukaryotes Nội bào tử Có ở một vài loài Không có Không bào Có ở một vài loài Di động Vận động tiên mao Tiên mao siêu nhỏ và đơn giản Tiên mao rất nhỏ hoặc lông mao Không vận động bằng tiên mao Vận động trượt Năng lực của tế bào chất và vận động theo kiểu amoeboid CÁC ĐẶC ĐIỂM PHÂN BIỆT