Nội dung

Chƣơng 1 MỞ ĐẦU I. Đối tƣợng ngành vi sinh vật học 1. Vi sinh học và vi sinh vật 1.1. Vi sinh học (Microbiology) Là khoa học nghiên cứu các cơ thể sống hiển vi và siêu hiển vi, cấu tạo tế bào và quy luật hoạt động của chúng, sử dụng các vi sinh vật nhằm phục vụ lợi ích của con người và giữ vững hệ sinh thái trên trái đất. 1.2. Vi sinh vật (Microorganisms) Là tên gọi chung để chỉ tất cả các loại sinh vật nhỏ bé, chỉ có thể nhìn rõ dưới kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử. Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: các virus (nhóm chưa có cấu tạo tế bào), các vi khuẩn cổ (Archaea) và vi khuẩn (nhóm sinh vật Nhân sơ), các vi nấm (nhóm sinh vật Nhân chuẩn) và cả một số động vật nguyên sinh cũng như tảo đơn bào cũng thuộc nhóm này. Giữa các nhóm trên không có mối liên hệ chặt chẽ về mặt hình thái hay phân loại, nhưng người ta gộp chúng lại vì chúng cùng có một số phương pháp nuôi dưỡng, nghiên cứu và hoạt động sinh lý gần giống nhau và đều có các đặc điểm chung: - Kích thước nhỏ bé Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1μm = 1/1.000mm hay 1/1.000.000m). Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nm = 1/1.000.000mm hay 1/1.000.000.000m Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ có 1μm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập phương có thể tích là 1cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới ...6m2 ! - Sinh sản nhanh. - Hấp thu nhiều chuyển hóa nhanh. - Khả năng thích ứng rất cao và phát sinh biến dị mạnh. - Phân bố rộng và chủng loại nhiều. - Có chủng xuất hiện sớm nhất trên trái đất. 2. Các nhóm đối tƣợng vi sinh học Vi sinh vật học hiện đại đi sâu nghiên cứu từng nhóm đối tượng riêng biệt trên và đã trở thành những môn học chuyên sâu như: virus học (Virology) - nghiên cứu vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào (virus RNA và virus DNA), vi khuẩn học (Bacteriology) - nghiên cứu VSV Nhân sơ, gồm VSV cổ (Archaea) và vi khuẩn (Bacteria), nấm học (Mycology) - nghiên cứu các vi nấm (nấm men và nấm sợi hay nấm mốc), tảo học (Algology) - nghiên cứu các vi tảo và động vật nguyên sinh học (Protozoology) - nghiên cứu các động vật nguyên sinh. Mặt khác, vi sinh học hiện đại cũng đi sâu nghiên cứu những tính chất riêng biệt của VSV và hình thành các chuyên ngành như tế bào học, phân loại học, sinh lý học, hóa sinh học, di truyền học của vi sinh vật. Về mặt ứng dụng ngành vi sinh học gồm có các chuyên ngành như: vi sinh vật học công nghiệp, vi sinh vật học thực phẩm, vi sinh vật học y học, vi sinh vật học thú y, vi sinh vật đất, vi sinh vật học nước, vi sinh vật học không khí, vi sinh vật học dầu hỏa...và ngày nay còn thêm vi sinh vật học ngoài trái đất (Exomicrobiology). II. Sơ lƣợc lịch sử phát triển của vi sinh vật học Năm 1546, Girolamo Fracastoro (1478 - 1553) cho rằng các cơ thể nhỏ bé là tác nhân gây ra bệnh tật. Năm 1590, Zacharias Janssen (1580 - 1638) là người Hà Lan đầu tiên phát minh ra kính hiển vi. Năm 1676, Antony Van Leeuwenhoek (1632 - 1723) hoàn thiện kính hiển vi và khám phá ra thế giới vi sinh vật (mà ông gọi là Anmalcules). Năm 1688, nhà vạn vật học người Ý Francisco Redi (1627 - 1697) công bố nghiên cứu về sự phát sinh tự nhiên của giòi. Những năm 1765 - 1776, Spallanzani (1729 - 1799) công kích thuyết Phát sinh tự nhiên. Năm 1798, Edward Jenner (1749 - 1823) nghĩ ra phương pháp chủng mủ đậu bò để phòng ngừa bệnh đậu mùa. Những năm 1838 - 1839, Theodor Schwann(1810 - 1882) và Matthriat Schleiden (1804 1881) công bố Học thuyết tế bào. Những năm 1847 - 1850, Ignaz Philipp Semmelweis (1818 - 1865) cho rằng bệnh sốt hậu sản lây truyền qua thầy thuốc và kiến nghị dùng phương pháp vô khuẩn để phòng bệnh. Năm 1880, pháthiệnkýsinhtrùngPlasmodiumgâyrabệnhsốtrét. CharlesLouisAlphonseLaveran(1845-1922) Người có công lớn nhất khai sinh ra vi sinh vật học thực nghiệm, nhằm nghiên cứu các hoạt động sinh lí, sinh hoá của vi sinh vật và ứng dụng chúng trong lên men, đặc biệt trong chế tạo vaccine phòng bệnh dại, là nhà bác học lỗi lạc người Pháp Louis Pasteur (1822 - 1895). Đồng thời và tiếp theo Pasteur cũng có nhiều nhà vi sinh học nổi tiếng: - Robert Koch (1843 - 1910) đã nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh lao (Mycobacterium tuberculosis - 1882), bệnh tả ( Vibrio cholerae - 1883), ông cũng đã sáng tạo nhiều phương pháp nghiên cứu như kỹ thuật cố định, nhuộm màu vi khuẩn, nuôi cấy và phân lập VSV trên môi trường đặc. Năm 1884, Elie Metchnikoff (1845 - 1916) miêu tả hiện tượng thực bào (Phagocytosis); Hans Christian J. Gram (1853 - 1938) tìm ra phương pháp nhuộm Gram. Năm 1885, Theodor Escherich (1857-1911)tìm ra vi khuẩn Escherichia coli gây ra bệnh tiêu chảy; Daniel E. Salmon (1850 - 1914) phát hiện ra Salmonnella typhi gây ra bệnh thương hàn. Năm 1886, Fraenkel phát hiện thấy Streptococcus pneumoniae gây ra bệnh viêm phổi. Năm 1887, Richard Petri (1852 - 1921) phát hiện ra cách dùng hộp lồng (đĩa petri) để nuôi cấy vi sinh vật. Những năm 1887 - 1890, Serge Winogradsky (1856 - 1953) nghiên cứu về vi khuẩn lưu huỳnh và vi khuẩn nitrate hoá. Năm 1889, Martinus Beijerinick (1851 - 1931) phân lập được vi khuẩn nốt sần từ rễ đậu. Năm 1890, Behring, Emil Adolph Von (1854 - 1917) làm ra kháng độc tố chống bệnh uốn ván và bệnh bạch hầu. Năm 1892, DmitriIwanowski(1864-1920) phát hiện ra mầm bệnh nhỏ hơn vi khuẩn (virus) gây ra bệnh khảm ở cây thuốc lá. Năm 1894, Alexandre Yersin (1863 - 1943) và Kitasato Shibasaburo (1852 - 1931) khám phá ra vi khuẩn gây bệnh dịch hạch (Yersina pestis). Năm 1895, Jules Bordet (1870 - 1961) khám phá ra bổ thể (complement). Năm 1896, Emile Van Ermengem tìm ra mầm bệnh ngộ độc thịt (vi khuẩn Clostridium botulinum). Năm 1897, Eduard Buchner (1860 - 1917) tách ra được các men(ferments) từ nấm men (yeast); Ross, Sir Ronald (1857 - 1932) chứng minh ký sinh trùng sốt rét lây truyền bệnh qua muỗi. Năm 1899, Martinus Beijerinick (1851 - 1931) chứng minh những hạt virus đã gây nên bệnh khảm ở lá thuốc lá. Năm 1900, Major Walter Reed (1851 - 1902) chứng minh bệnh sốt vàng lây truyền do muỗi. Năm 1902, Karl Landsteiner (1868 - 1943) khám phá ra các nhóm máu. Năm 1903, Wright và cộng sự khám phá ra kháng thể (antibody) trong máu của các động vật đã miễn dịch. Năm 1905, Fritz Schaudinn (1871 - 1906) và JakobWassermann(1873-1934) tìm ra mầm bệnh giang mai (Treponema pallidum). Năm 1906, Jakob Wassermann phát hiện ra xét nghiệm cố định bổ thể để chẩn đoán giang mai. Năm 1909, Howard Taylor Ricketts (1871 - 1910) chứng minh bệnh sốt ban núi đá lan truyền qua ve là do mầm bệnh vi khuẩn (Rickettsia rickettsii). Năm 1910, Peyton Rous (1879 - 1970) phát hiện ra ung thư ở gia cầm. Những năm 1915 - 1917, Frederick Twort (1877 - 1950) và Felix d'Herelle (1873 - 1949) phát hiện ra virus của vi khuẩn ( thực khuẩn thể). Năm 1923, Xuất bản lần đầu cuốn Phân loại vi khuẩn (Bergey’s Manual). Năm 1928, Frederick Griffith (1881 - 1941) khám phá ra việc biến nạp (transformation) ở vi khuẩn. Năm 1928, Alexander Fleming (1881 - 1955) phát hiện ra chất kháng sinh penicillin. Năm 1931, Van Niel (1897-1985) chứng minh vi khuẩn quang hợp sử dụng chất khử như nguồn cung cấp electron và không sản sinh ôxi. Năm 1933, Ernst August Friedrich Ruska (1906 - 1988) làm ra chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên. Năm 1935, Wendell Stanley (1904 - 1971) kết tinh được virus khảm thuốc lá (TMV); Gerhard Domag (1895 - 1964) tìm ra thuốc sulfamide. Năm 1937, Edouard Chatton (1883 - 1947) phân chia sinh vật thành hai nhóm: Nhân sơ (Procaryotes) và Nhân thật (Eucaryotes). Năm 1941, GeorgeW.Beadle(1903-1989) và Tatum, Edward Lawrie (1909 - 1975) đưa ra giả thuyết một gen - một enzym. Năm 1944, Oswald Avery (1877 - 1955) chứng minh DNA chuyển thông tin di truyền trong quá trình biến nạp; Selman Abraham Waksman (1898 - 1973) tìm ra streptomycin. Năm 1046, Lederberg và Tatum khám phá ra quá trình tiếp hợp (conjugation) ở vi khuẩn. Năm 1949, Enders, Weller và Robbins nuôi được virus polio (Poliovirus) trên mô người nuôi cấy. Năm 1950, André Michel Lwoff (1902 - 1994) xác định được các thực khuẩn thể tiềm tan (lysogenic bacteriophages). Năm 1952, Hershey và Chase chứng minh thực khuẩn thể tiêm DNA của mình vào tế bào vật chủ (host); Zinder và Lederberg khám phá ra quá trình tải nạp (transduction) ở vi khuẩn. Năm 1953, Watson và Crick khám phá ra chuỗi xoắn kép của DNA; Frits (Frederik) Zernike (1888 - 1966) làm ra kính hiển vi tương phản pha (phase - contrast microscope); Medawar khám phá ra hiện tượng nhờn miễn dịch (immune tolerance). Năm 1955, Francois Jacob (1920 -) và Jacques Monod (1910 - 1976) khám phá ra yếu tố F là một plasmid; Jerne và Burnet chứng minh lý thuyết chọn lọc clone (clonal selection). Năm 1959, Yalow triển khai kỹ thuật miễn dịch phóng xạ. Năm 1961, Jacob và Monod giới thiệu mô hình điều hoà hoạt động gen nhờ operon. Năm 1961 - 1966, Khorana, Har Gobind (1922 - ) Nirenberg Marshall (1927-) và cộng sự giải thích mã di truyền. Năm 1962, Porter chứng minh cấu trúc cơ bản của Globulin miễn dịch G. Năm 1970, Arber Werner (1929 - ), Nathans, Daniel (1928 - 1999), Smith Hamilton O. (1931-) khám phá ra enzym giới hạn (restriction endonuclease); Temin và Baltimore khám phá ra enzym phiên mã ngược (reverse transcriptase) Năm 1973, Ames triển khai phương pháp vi sinh vật học để khám phá ra các yếu tố gây đột biến (mutagens); Cohen, Boyer, Chang và Helling sử dụng vectơ plasmid để tách dòng gen ở vi khuẩn. Năm 1975, Kohler và Milstein phát triển kỹ thuật sản xuất các kháng thể đơn dòng (monoclonal antibodies). Năm 1977, Woese và Fox thừa nhận vi khuẩn cổ (archaea) là một nhóm vi sinh vật riêng biệt; WalterGilbertvà Frederick Sanger triển khai kỹ thuật giải trình tự DNA (DNA sequencing) Năm 1979, tổng hợp insulin bằng kỹ thuật tái tổ hợp DNA. Năm 1980, phát triển kính hiển vi điện tử quét. Năm 1982, phát triển vaccine tái tổ hợp chống viêm gan B. Những năm 1982 - 1983, Thomas R. Cech và Sidney Altman phát minh ra RNA xúc tác. Những năm 1983 - 1984, Gallo và Montagnier phân lập và định loại virus gây suy giảm miễn dịch ở người. Năm 1986, lần đầu tiên ứng dụng trên người vaccin được sản xuất bằng kỹ thuật di truyền (vaccin viêm gan B). Năm 1990, bắt đầu thử nghiệm lần đầu tiên liệu pháp gen (gene -therapy) trên người. Năm 1992, thử nghiệm đầu tiên trên người liệu pháp đối nghĩa (antisense therapy). Năm 1995, giải trình tự hệ gen của vi khuẩn Haemophilus influenzae. Năm 1996, giải trình tự hệ gen của vi khuẩn Methanococcus jannaschii; Giải trình tự hệ gen nấm men S. cerevisiae gồm 6.000 gene. Năm 1997, phát hiện ra loại vi khuẩn lớn nhất Thiomargarista namibiensis; Giải trình tự hệ gen vi khuẩn Escherichia coli. Năm 2000, phát hiện ra vi khuẩn tả Vibrio cholerae có 2 nhiễm sắc thể riêng biệt. Vi sinh vật học là một ngành khoa học có tốc độ phát triển mạnh mẽ, nhiều giải thưởng Nobel đã được trao cho các nhà vi sinh vật học hoặc những công trình nghiên cứu trên đối tượng vi sinh vật. Ngày nay, vi sinh vật học đã phát triển rất sâu với hàng trăm nhà bác học có tên tuổi và hàng chục ngàn người tham gia nghiên cứu. Các nghiên cứu đã đi sâu vào bản chất của sự sống ở mức phân tử và dưới phân tử, đi sâu vào kỹ thuật cấy mô và tháo lắp gene 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 dần bệnh ung thư ở loài người. III. Cách đọc tiếng Latinh Chữ Latinh tuy không còn thông dụng trên thế giới nhưng các nhà khoa học vẫn sử dụng loại chữ này để đặt tên cho các loài vi sinh vật. Chúng ta cần biết cách đọc loại chữ này để phát âm cho đúng, như thế người khác mới hiểu được khi ta trao đổi với họ bằng bất cứ loại ngôn ngữ nào. Bảng 1.1. Cách đọc (phát âm) của chữ Latinh STT 1 2 3 Chữ cái A B C a b c Tên gọi Cách đọc a bê xê a b k (cứng) Thí dụ apis beta cicada a - pi - xơ (ong) bê - ta (củ cải đường) xi - ca - da (ve sầu) đê - xêm (mười) ê - gô (tôi) pha - mi - lia (họ) gu - ta (giọt) hô - mô (người) i - ô - đum (iốt) in - ếch - xi - ô (thuốc 4 5 6 7 8 9 10 D E F G H I J d e f g h i j đê ê ép - phơ ghê hát i iôta x (mềm) đ ê ph gh h i i 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 K L M N O P Q R S T U k l m n o p q r s t u ca e lơ em - mơ en - nơ ô pê cu e - rơ ét - xơ tê u k l m n ô p q r x t u decem ego familia gutta homo iodum injectio tiêm) kalium lamina mel nomen ovum penna quinque raus semen tela đuo, dvo 22 23 24 V X Y v x y v kx uy có thể viết: dvo vox vô - ích - xờ (tiếng nói) simples xim - plêch - xờ (đơn giản) amylum a - my - lum (tinh bột) 25 26 Z W z w vê ich - xơ ip - xi lon dê - ta d v zona dô - na (vùng) Wolfram vôn - phơ - ram u wedelia u - ê - đê - li - a (cây sài đất) ca - li - um (kali) la - mi - na (phiến lá) mê - lờ (mật ong) nô - mênờ (tên) ô - vum (trứng) pên - na (lông chim) quanh - quê (năm) ra - ru - xờ (hiếm) xê - mên (hạt) tê - la (vải) đu - ô(hai), Bảng 1.2. Quy tắc văn phạm Latinh biến đổi từ số ít sang số nhiều Số ít Số nhiều Thí dụ Cái Giống Đực Trung -a - ae - us -i - um -a alga, fungus, Bacterium, algae Fungi Bacteria IV. Hệ thống sinh giới và vị trí của các nhóm vi sinh vật 1. Khái niệm về giới sinh vật Giới (Kingdom) là đơn vị phân loại lớn nhất hiện nay bao gồm những sinh vật có chung những đặc điểm nhất định. Các hệ thống phân loại sinh vật là kết quả của hơn 200 năm nghiên cứu về hệ thống học. Hệ thống các cơ thể ngày càng hợp lý nhờ những hiểu biết sâu sắc về sinh học phân tử. Ngày nay, nhờ các phương pháp phân loại hiện đại như: hóa phân loại (Chemotaxonomy), phân loại số (Numerical taxonomy), phân loại chủng loại phát sinh (Phylogeney taxonomy),... mà khoa học đã xác định vị trí khá chính xác của các nhóm cơ thể và mối liên hệ chủng loại phát sinh giữa chúng. Thế giới sinh vật vô cùng phong phú và đa dạng. Để nghiên cứu chúng các nhà khoa học phải dựa vào các tiêu chí về cấu tạo, dinh dưỡng, sinh sản... để sắp xếp chúng vào bậc thang phân loại và đặt tên: Các sinh vật được sắp xếp theo thang phân loại lệ thuộc từ thấp đến cao: Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain). Đấy là chưa kể đến các mức phân loại trung gian như Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder), Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum). Loài là bậc thang phân loại thấp nhất, giới là cấp phân loại cao nhất. Bất kỳ một sinh vật nào cũng được sắp xếp vào một loài nhất định. Nhiều loài thân thuộc tập hợp thành chi, nhiều chi thân thuộc tập hợp thành họ, nhiều họ thân thuộc tập hợp thành bộ, nhiều bộ thân thuộc tập hợp thành lớp, nhiều lớp tập hợp thành ngành, nhiều ngành hợp thành một giới. Để tránh nhầm lẫn người ta đặt tên loài theo nguyên tắc dùng tên kép (theo tiếng Latinh). Tên thứ nhất là tên chi (viết hoa), tên thứ 2 là tên loài (viết thường) Ví dụ: Escherichia coli. Khi cần viết tắt ta chỉ viết tắt tên chi, tên loài viết đầy đủ (bằng chữ thường). Ví dụ: E.coli. 2. Một số hệ thống phân loại sinh vật *Trước Linne có nhiều tác giả phân loại sinh vật nổi tiếng, đáng chú ý là Aristotle (384 322 TCN) có nhiều đóng góp trong phân loại động vật.