1.1: מבוא למיקרוביולוגיה
- Page ID
- 208852
- ציין שלוש השפעות מזיקות וארבע השפעות מועילות הקשורות לפעילות של מיקרואורגניזמים.
- הגדר מיקרוביוטה ומיקרוביום.
- תאר בקצרה שני דברים מועילים שונים שהמיקרוביום האנושי עושה לתפקוד התקין של גופנו.
- ציין מספר מחלות הקשורות לשינוי במיקרוביוטה ה"רגילה "שלנו.
- רשום והכיר תיאור של כל אחת מחמש הקבוצות הבסיסיות של החיידקים.
מיקרואורגניזמים הם צורות החיים הדומיננטיות על פני כדור הארץ, נמצאים כמעט בכל סביבה שאפשר להעלות על הדעת, והם חיוניים לקיום החיים על הפלנטה הזו. ישנן חמש קבוצות בסיסיות של מיקרואורגניזמים:
- חיידקים הם בדרך כלל אורגניזמים חד-תאיים, מיקרוסקופיים, פרוקריוטיים המתרבים על ידי ביקוע בינארי.
- פטריות (שמרים ועובשים) הן בדרך כלל פטריות חד-תאיות, מיקרוסקופיות, אוקריוטיות המתרבות באופן א-מיני על ידי ניצנים. עובשים הם בדרך כלל פטריות חוטיות, אוקריוטיות המתרבות על ידי ייצור נבגי רבייה א-מיניים.
- וירוסים הם בדרך כלל חלקיקים זיהומיים תת-מיקרוסקופיים, תאיים שיכולים להשתכפל רק בתוך תא מארח חי. לרוב המכריע של הנגיפים יש DNA או RNA, אך לא שניהם.
- פרוטוזואה הם בדרך כלל אורגניזמים חד-תאיים, מיקרוסקופיים, אוקריוטיים חסרי דופן תא.
- אצות הן בדרך כלל מיקרואורגניזמים אוקריוטיים המבצעים פוטוסינתזה.
כדי להתחיל בהקדמה של מיקרואורגניזמים נעבור על השאלות הבאות של Think-Pair-Share.
צינור זה מכיל 7 מיליליטר של תרבות של אי קולי. המספר הכולל של חיידקים בצינור זה שווה ל:
- מספר האנשים בעיר בולטימור.
- מספר האנשים במרילנד.
- מספר האנשים בצפון אמריקה.
- מספר האנשים בעולם.
האם חיידקים כמו חיידקים מועילים או מזיקים בעיקר? הסבר בקצרה את תשובתך.
- באילו דרכים עשויים חיידקים כגון חיידקים להועיל?
- באילו דרכים חיידקים כמו חיידקים עלולים להזיק?
בקורס זה נבחן מושגי יסוד שונים של מיקרוביולוגיה, עם דגש מיוחד על יחסיהם לבריאות האדם. המטרה הכוללת היא להבין טוב יותר את התמונה הכוללת של מחלות זיהומיות במונחים של אינטראקציה מארח-זיהום. נבחן קבוצות שונות של חיידקים ונלמד מה הם עשויים לעשות כדי לבסס זיהום ולפגוע בגוף, נסתכל על הגוף כדי לראות את הדרכים שבהן הוא מגן על עצמו מפני חיידקים אלה, ונלמד מה ניתן לעשות כדי לעזור לגוף במאמצי ההגנה שלו.
אחד הדברים החשובים ביותר במיקרוביולוגיה הוא לימוד "התמונה הגדולה של מחלות זיהומיות", שהיא הבסיס הביולוגי לאינטראקציה של טפיל מארח. ישנם ארבעה חלקים משתלבים לתמונה הגדולה הזו:
- הצד של החיידק בסיפור - מדוע לחיידקים מסוימים יש פוטנציאל רב יותר להזיק: הרוב המכריע של החיידקים אינם מזיקים לבני אדם ולמעשה, רבים מועילים, בהיותם שחקני מפתח במיחזור חומרים מזינים בטבע. נבחן את הקבוצות העיקריות של החיידקים, נלמד ממה הם מורכבים כימית ומבנית, ונראה כיצד הם מבצעים את חילוף החומרים שלהם ומתרבים. נלמד על מגוון גורמים שיש לחיידקים מסוימים הממלאים תפקיד בהגדלת יכולתם לגרום למחלות. כמו כן נלמד כיצד, באמצעות מוטציה, רקומבינציה גנטית וברירה טבעית, חיידקים עשויים להסתגל להתנגד לניסיונות השליטה שלנו.
- הצד של הגוף בסיפור - דרכים בהן הגוף מסוגל להגן על עצמו באופן טבעי מפני גורמי מחלות זיהומיות: כאן נלמד על ההגנות הפנומנליות שיש לגוף כדי להגן על עצמו מפני גורמי מחלות זיהומיות, כמו גם תאי גוף שהשתנו כמו תאים סרטניים ותאים נגועים. הגוף מסוגל לעשות זאת באמצעות מערכת החיסון המולדת ומערכת החיסון ההסתגלותית. הגנות חיסוניות מולדות הן אלה שאתה נולד איתן וכוללות מחסומים אנטומיים, הסרה מכנית, ציטוקינים, קולטנים לזיהוי דפוסים, פגוציטוזיס, דלקת, מסלולי המשלים וחום. ההגנות החיסוניות ההסתגלותיות הן אלה שאתה מפתח במהלך חייך וכוללות ייצור נוגדנים וחסינות מתווכת תאים.
- דרכים בהן אנו יכולים לעזור לגוף באופן מלאכותי להגן על עצמו על ידי הסרת החיידקים או שיפור הגנות הגוף: נלמד כיצד אנו יכולים לעזור לעצמנו באופן מלאכותי להימנע או להפחית את הסיכון לזיהום. כמו כן נלמד דרכים בהן אנו מסוגלים להסיר חיידקים באופן מלאכותי מהגוף וסביבתו באמצעות חומרים כגון חיטוי, חומרי חיטוי, חומרים פיזיים כגון חום וקור, כימיקלים כימותרפיים אנטי-מיקרוביאליים ואנטיביוטיקה. לבסוף נלמד דרכים בהן אנו מסוגלים כיום - או אולי בעתיד נוכל - לשפר או לשחזר את התגובות החיסוניות של הגוף באמצעות טכניקות כמו חיסון, אימונותרפיה מאמצת או אפנון חיסוני.
- הקשר בין המיקרוביום האנושי לבריאות האדם: הקשר הסימביוטי המורכב המועיל הדדית בין בני אדם לחיידקים הטבעיים שלהם הוא קריטי לבריאות טובה. כיום ידוע כי מיליוני הגנים הקשורים לפלורה או למיקרוביוטה התקינה של גוף האדם - במיוחד בדרכי המעי - מסייעים בעיכול מזונות רבים, בוויסות מסלולים מטבוליים מרובים של המארח ובוויסות ההגנה החיסונית של הגוף.
היתרונות של פעילות מיקרוביאלית
רוב האנשים נוטים לחשוב על מיקרואורגניזמים כמזיקים בגלל תפקידם בגרימת מחלות זיהומיות בבני אדם ובעלי חיים אחרים, ואובדן חקלאי כתוצאה ממחלות זיהומיות של צמחים וקלקול המזון. העובדה היא, עם זאת, הרוב המכריע של מיקרואורגניזמים אינם מזיקים אלא מועילים. בלעדיהם לא היו חיים על פני האדמה. לכן, נתחיל את הקורס הזה בהסתכלות על כמה מהיתרונות הרבים מפעילות מיקרוביאלית על הפלנטה הזו.
- ייצור מזון: מוצרי מזון רבים מעסיקים מיקרואורגניזמים בייצורם. אלה כוללים את תהליכי התסיסה המיקרוביאלית המשמשים לייצור יוגורט, חלב חמאה, גבינות, משקאות אלכוהוליים, לחמים מחמצים, כרוב כבוש, חמוצים וקימצ'י.
- ייצור אנרגיה וניקוי הסביבה: מתאן, או גז טבעי, הוא תוצר של מיקרואורגניזמים מתנוגניים. חיידקים מימיים רבים לוכדים אנרגיית אור ומאחסנים אותה במולקולות המשמשות כמזון ששימשו אז אורגניזמים אחרים. ניתן להמיר פסולת של בעלי חיים, פסולת ביתית, ביומסה ודגנים לדלקים ביולוגיים כגון אתנול ומתאן על ידי מיקרואורגניזמים. בנוסף, באמצעות תהליך הנקרא bioremediation, ניתן לנקות כמה מזהמים כגון חומרי הדברה, ממסים ושפיכות שמן בעזרת חיידקים.
- שמירה על חקלאות: באמצעות תפקידיהם במיחזור חנקן, פחמן וגופרית, מיקרואורגניזם מסוגל להמיר את היסודות החיוניים הללו לצורות שיכולות לשמש צמחים בצמיחתם. הם חיוניים גם לאפשר לבעלי חיים מעלי גירה כמו פרות וכבשים לעכל תאית מהעשבים שהם אוכלים.
- ייצור מוצרי גנים טבעיים שימושיים או מוצרים מביו-הנדסה. דוגמאות כוללות אנזימים ספציפיים, אנטיביוטיקה, חיסונים ותרופות כגון אינסולין אנושי, אינטרפרונים והורמוני גדילה.
- המיקרוביוטה האנושית והמיקרוביום: איפה אנחנו בלי מיקרואורגניזמים? בעוד שגוף האדם הטיפוסי מכיל כ -37 טריליון תאים אנושיים, הוא מכיל גם מעל 100 טריליון חיידקים וחיידקים אחרים. בגוף האדם יש פי 3 תאים חיידקיים מאשר תאים אנושיים! ההערכה היא שמסת המיקרוביוטה האנושית היא 2.5 פאונד.
מערכת היחסים הסימביוטית המורכבת המועילה הדדית בין בני אדם לחיידקים הטבעיים שלהם היא קריטית לבריאות טובה. כיום ידוע כי מיליוני הגנים הקשורים למיקרוביוטה של גוף האדם - במיוחד בדרכי המעי - מסייעים בעיכול מזונות רבים, בוויסות מסלולים מטבוליים מרובים של המארח ובוויסות ההגנה החיסונית של הגוף. חיידקים קולקטיביים אלה והגנים שלהם מכונים המיקרוביום האנושי. ישנם כיום כ -5,000,000 - 10,000,000 גנים ממעל 1000 מינים המהווים את המיקרוביום האנושי לעומת כ -20,000 - 23,000 הגנים המרכיבים את הגנום האנושי. ישנם כ -300 גנים לא אנושיים בגוף האדם לכל גן אנושי.
- האינטראקציה המועילה הדדית בין המארח האנושי למיקרוביוטה התושבת שלו חיונית לבריאות האדם. גנים מיקרוביאליים מייצרים מטבוליטים חיוניים למארח בעוד שגנים אנושיים תורמים להתפתחות המיקרוביוטה. המיקרוביום מסייע בדברים הבאים:
- העיכול של מזונות רבים, במיוחד פוליסכרידים צמחיים שבדרך כלל לא ניתן לעיכול על ידי בני אדם.
- ויסות מסלולים מטבוליים רבים של המארח. חילוף החומרים של מצעים רבים בגוף האדם מתבצע על ידי שילוב של גנים הן מהמיקרוביום והן מהגנום האנושי. בתוך מערכת העיכול קיימת תקשורת כימית מתמדת לא רק בין מינים מיקרוביאליים אלא גם בין תאים מיקרוביאליים לתאים אנושיים. גורמים מרובים, כולל תזונה, שימוש באנטיביוטיקה, מחלות, סגנון חיים וסביבתו של אדם יכולים לשנות את הרכב המיקרוביוטה במערכת העיכול וכתוצאה מכך להשפיע על הביוכימיה של המארח ועל רגישותו של הגוף למחלות.
- הפרעות מטבוליות כמו סוכרת, מחלות כבד שומניות לא אלכוהוליות, יתר לחץ דם, השמנת יתר, כיבי קיבה, סרטן המעי הגס, ואולי כמה שינויים במצב הרוח וההתנהגות באמצעות איתות הורמונים נקשרו לשינויים במיקרוביוטה.
סיכום
- מיקרואורגניזמים הם בדרך כלל קטנים מכדי שניתן יהיה לראותם בעין בלתי מזוינת.
- חיידקים, פטריות, וירוסים, פרוטוזואה ואצות הם הקבוצות העיקריות של מיקרואורגניזמים.
- הרוב המכריע של המיקרואורגניזמים אינם מזיקים אלא מועילים.
- מיקרוביוטה מתייחסת לכל המיקרואורגניזמים החיים בסביבה מסוימת.
- מיקרוביום הוא כל אוסף הגנים המצוי בכל החיידקים הקשורים למארח מסוים.
- המיקרוביום של גוף האדם - במיוחד בדרכי המעי - מסייע בעיכול מזונות רבים, בוויסות מסלולים מטבוליים מרובים של המארח ובוויסות ההגנה החיסונית של הגוף.