Đối tượng nghiên cứu và lịch sử phát triển của vi sinh vật học

Đối tượng nghiên cứu và lịch sử phát triển của vi sinh vật học

Đối tượng nghiên cứu

Vi sinh vật học (Microbiology) là khoa học khảo sát hoạt động của các vi sinh vật (từ  Hylạp micros là nhỏ bé, bios là sự sống và logos là khoa học).

Vi sinh vật là các sinh vật nhỏ bé mắt trần không thấy và chỉ được phát hiện bằng kính hiển vi.

Muốn đo kích thước của vi sinh vật, người ta sử dụng các đơn vị sau:

Micromet (mm, micrometre)             = 10^-6m

Nanomet (nm, nanometre)              = 10^-9m

Angstrom                               = 10^-10m

Vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, tảo, nguyên sinh động vật và virus. Trước khi khám phá vi sinh vật người ta chia sinh vật làm hai giới: giới động vật và giới thực vật. Sau khi khám phá vi sinh vật người ta nhận thấy vi sinh vật kết hợp những đặc tính của thực vật và động vật với tất cả những tổ hợp có thể có, cho nên việc phân loại sinh vật thành hai giới làm phát sinh một số điều không hợp lý. Ví dụ như nấm men được phân loại là thực vật vì phần lớn không di động mặc dù chúng ít có những tính chất của thực vật và cho thấy những liên hệ sinh tiến hóa đậm nét với nguyên sinh động vật.

Năm 1866 nhà khoa học Đức E. Haeckel đề nghị xếp vi sinh vật vào một giới riêng, giới Nguyên sinh (Protista). Giới này phân biệt với thực vật và động vật ở sự tổ chức đơn giản của chúng: dù đơn bào hoặc đa bào, tế bào của chúng không biệt hóa thành mô.

Năm 1969 nhà sinh thái học Mỹ R.H. Whittaker đề xuất hệ thống phân loại năm giới: Đó là giới Khởi sinh (Prokaryota hay Monera) bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn lam, giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật (Plantae) và giới Động vật (Animalia).

Theo kiến nghị của nhà sinh vật học Trung Quốc Trần Thế Tương năm 1979 thì nhóm giới sinh vật nhân thật bao gồm giới Thực vật, giới Nấm và giới Động vật,  nhóm giới sinh vật nhân nguyên thuỷ bao gồm giới Vi khuẩn và giới Vi khuẩn lam, còn giới Virus thuộc về nhóm giới sinh vật chưa có tế bào.

Theo quan điểm hiện đại (P.H. Raven, G.B. Johnson, 2002) thì mọi sinh vật trên thế giới thuộc về 6 giới khác nhau: giới Cổ khuẩn (Archaebacteria), giới Vi khuẩn (Eubacteria), giới Nguyên sinh (Protista), giới Nấm (Fungi), giới Thực vật (Plantae) và giới Động vật (Animalia).

Phần  lớn vi sinh vật nằm trong 4 giới: Cổ khuẩn,  Vi khuẩn, Nguyên sinh và Nấm của hệ thống 6 giới nói trên.

Tế bào nhân thật có nhân chứa một số đôi nhiễm sắc thể, màng nhân nối liền với lưới nội chất nguyên sinh. Nguyên tương của tế bào nhân thật có lưới nội chất nguyên sinh, không bào và những plastit tự sao chép. Những plastit chứa ADN riêng và nhân lên bằng phân liệt. Những plastit bao gồm ti lạp thể chứa hệ thống chuyên chở điện tử của sự phosphoryl hóa và lục lạp  ở những sinh vật quang hợp chứa lục diệp tố và những thành phần quang hợp khác. Nguyên tương bản chất lipoprotein nằm bên trong màng tế bào. Nhiều vi sinh vật tế bào nhân thật có vách tế bào tạo nên bởi celluloza, chitin hoặc oxyt silic.Tế bào nhân thật có thể di động nhờ những lông. Những lông này gồm một bó 9 sợi nhỏ bao quanh 2 sợi nhỏ trung tâm.

Tế bào nhân nguyên thuỷ (Tế bào nhân sơ) có cấu trúc tế bào đơn giản. Nhân chỉ gồm có một nhiễm sắc thể không màng nhân, nhưng vách tế bào lại phức tạp hơn. Tế bào nhân nguyên thuỷ không có plastit tự sao chép như ti lạp thể và lục lạp. Enzyme cytochrom được tìm thấy ở màng tế bào; ở những cơ thể quang hợp, những sắc tố quang hợp được tìm thấy ở những phiến mỏng nằm dưới màng tế bào. Vi khuẩn thường tích tụ vật liệu dữ trữ dưới hình thức những hạt nhỏ không hòa tan, dạng polyme, trung tính, trơ thẩm thấu. Vật liệu cacbon được biến đổi bởi một số vi khuẩn thành polyme polyaxit-b- hydrobutyric và bởi những vi khuẩn khác thành polyme glucoza tương tự như glycogen gọi là granuloza. Những hạt nhỏ dự trữ được sử dụng như nguồn C lúc sự tổng hợp protein và axit nucleic được thực hiện trở lại. Một cách tương tự một vài vi khuẩn oxy hóa sulfua biến đổi lượng thừa H₂S ở môi trường bên ngoài thành những hạt sulfua nội bào. Nhiều vi khuẩn tích trữ phốt phát hữu cơ thành những hạt nhỏ polymemetaphosphate gọi là volutin.

Virus khác với tất cả các cơ thể có tế bào kể cả vi khuẩn và Rickettsia. Virion hay là hạt virus gồm một phân tử ADN hoặc ARN nằm bên trong một vỏ protein gọi là capsid. Vào bên trong tế bào vật chủ, axit nucleic của virus sử dụng bộ máy tổng hợp của tế bào để hình thành axit nucleic và những thành phần khác của virus. Axit nucleic và những thành phần protein đặc hiệu kết hợp thành hạt virus xâm nhiễm hoàn chỉnh gọi là virion. Virion được phóng thích vào môi trường bên ngoài và bắt đầu quá trình xâm nhiễm tế bào vật chủ.

Sơ lược lịch sử phát triển của vi sinh vật học

Sự phát hiện vi sinh vật

Sự phát hiện vi sinh vật gắn liền với sự phát minh kính hiển vi.  Anton van Leeuwenhoek (1632 - 1723) người Hà Lan, là người đầu tiên ở thế kỷ XVII nhìn thấy vi sinh vật nhờ những kính hiển vi độ phóng đại 270 - 300 lần mà ông đã chế tạo (1676). Do sự hạn chế về độ phóng đại và độ phân giải của kính hiển vi cho nên những nghiên cứu hiển vi của cơ thể sống rất bị hạn chế và mãi đến đầu thế kỷ XIX chiếc kính hiển vi hoàn chỉnh đầu tiên mới ra đời và từ đó cho đến nay con người đã lần lượt sáng tạo ra hàng loạt các loại kính hiển vi quang học khác nhau thì nhiều sự kiện quan trọng mới được phát hiện.

Sự trưởng thành của vi sinh vật học

Trong thế kỷ XVII và suốt thế kỷ XVIII vi sinh vật học chỉ chú trọng về phần mô tả, tuy nhiên cũng có một số công trình xuất sắc như Spallanzani sử dụng môi trường nuôi cấy khử khuẩn bằng nhiệt, Edward Jenner phát minh vaccine đậu mùa, Zinke phát hiện tác nhân của bệnh dại ở trong nước bọt của chó bị dại.

Thế kỷ XIX mới cho thấy những bước phát triển lớn về vi sinh vật học nhờ công lao của Louis Pasteur và Robert Koch.

L.Pasteur (1822 - 1895) hoàn chỉnh việc nghiên cứu vi sinh vật. Vi sinh vật không những được mô tả chính xác mà còn được khảo sát đầy đủ về những tính chất sinh lý.

L.Pasteur là nhà vi sinh vật học vĩ đại đã có công:

Chấm dứt tranh luận về thuyết tự sinh bằng các thí nghiệm xuất sắc với bình cổ ngỗng.

Phát hiện tác nhân của sự lên men như lên men rượu, lên men thối là vi sinh vât: các vi sinh vật  phát triển đã tạo thành các enzyme chịu trách nhiệm về hiện tượng lên men.

Xác định vai trò tác nhân gây bệnh của các vi sinh vật trong bệnh nhiễm trùng

Khái quát hóa vấn đề vaccine và tìm ra phương pháp điều chế một số vaccine phòng bệnh như vaccine bệnh than, vaccine bệnh tả gà... và phát minh vaccine dại.

R.Koch (1843 - 1910) cùng đóng góp lớn lao cho vi sinh vật học nhờ những công trình:

Phát triển những kỹ thuật cố định và nhuộm vi khuẩn.

Sử dụng môi trường đặc để phân lập vi khuẩn ròng.

Nêu tiêu chuẩn xác định bệnh nhiễm trùng.

Khám phá vi khuẩn lao, vi khuẩn tả.

Nhờ công lao của L.Pasteur, R.Koch và nhiều nhà bác học khác, phần lớn các vi khuẩn gây bệnh ở người và động vật đều được khám phá ở đầu thế kỷ XX. Lúc bấy giờ vi sinh học đã trở thành một khoa học ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực y học, nông nghiệp và công nghiệp.

Trong lâm sàng, khoa lây đã thành lập để tiếp nhận bệnh nhân nhiêm trùng, khoa ngoại đã sử dụng phương pháp phẩu thuật sát trùng, tiền đề của phương pháp phẩu thuật vô trùng ngày nay.

Những thành tựu hiện đại

Trong những thập kỷ gần đây từ một khoa học ứng dụng, vi sinh vật học đã trở thành một khoa học cơ bản làm phát sinh một ngành khoa học mới: sinh học phân tử và dưới phân tử và cùng với các ngành khoa học khác tạo nên một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại.

Nhờ những hiểu biết về di truyền học hiện đại mà mô hình nghiên cứu là E.coli, Watson và Crick đã phát hiện mẫu cấu trúc của ADN và cơ chế sao chép bán bảo tồn làm cơ sở cho sự hình thành sinh học phân tử và dưới phân tử. Những phát hiện kỳ diệu về cơ cấu của mã di truyền và các cấu trúc khác của tế bào sống được sử dụng làm cơ sở cho sự phát triển công nghiệp sinh học, ngành công nghiệp cho phép con người can thiệp vào quá trình hình thành và phát triển của sinh vật để phục vụ lợi ích của con người .

Gần đây những kỹ thuật tổng hợp gen, tháo ghép gen làm cho công nghệ sinh học trở thành một lực lượng sản xuất mũi nhọn của nền kinh tế thế giới. Trong lĩnh vực y học những kỹ thuật trên có nhiều triển vọng giải quyết các bệnh di truyền, phòng chống các bệnh nhiễm trùng, bệnh ung thư .

Những vấn đề hiện nay của vi sinh vật y học

Trong y học, vi sinh vật là căn nguyên của các bệnh nhiễm trùng. Vì vậy khi xét về tầm quan trọng hiện nay của vi sinh vật y học phải đề cập tới tình hình các bệnh nhiễm trùng.

Từ ngàn xưa bệnh nhiễm trùng là một tai họa cho nhân loại. Bệnh đậu mùa, bệnh dịch hạch, bệnh dịch tả ... đã giết chết hàng triệu người, tàn phá nhiều làng mạc, thành phố.

Từ khi vi sinh vật học trưởng thành cho đến nay con người đã có khả năng dần dần chế ngự được bệnh nhiễm trùng. Nhưng con đường chế ngự để tiến tới xóa bỏ bệnh nhiễm trùng là con đường khó khăn và lâu dài.

Thành tựu vang dội đầu tiên xảy ra vào năm 1891 lúc Von Behring đã cứu sống một em bé nhờ huyết thanh kháng bạch hầu, mở đầu thời kỳ huyết thanh liệu pháp. Thực tế cho thấy huyết thanh liệu pháp có những mặt hạn chế và chỉ hữu hiệu đối với những bệnh nhiễm độc tố vi khuẩn như bạch hầu, uốn ván, hoại thư sinh hơi .v.v...

Thành tựu vang dội thứ hai là công lao của G.Domagk phát minh sulfonamit năm 1935. Nhưng dần dần vũ khí sulfonamit tỏ ra yếu kém không đủ khả năng điều trị phần lớn các bệnh nhiễm trùng thường gặp.

Năm 1940 Fleming, Florey và Chain phát minh penicillin và đưa vào điều trị mở đầu thời đại kháng sinh. Trong suốt hai thập kỷ, nhiều kháng sinh hữu hiệu đã được phát minh và người ta có thể chế ngự một cách hữu hiệu các bệnh nhiễm trùng. Nhưng thời gian cho thấy bệnh nhiễm trùng vẫn còn lâu mới giải quyết xong vì các vi khuẩn kháng thuốc đã được quan sát trong các loài vi khuẩn. May mắn là các kháng sinh hữu hiệu mới khám phá đã giữ không cho các vi khuẩn kháng thuốc phát triển ở quy mô quá lớn không chế ngự được. Đầu thập kỷ 80, thực tế cho thấy các vi khuẩn kháng thuốc xuất hiện ngày càng nhiều nhưng các kháng sinh hữu hiệu mới khám phá trở nên hiếm dần. Trừ những kháng sinh thuộc nhóm  quinolon, những kháng sinh được gọi là mới chỉ là sự xắp xếp lại hay là sự thay đổi cấu trúc phân tử của những kháng sinh đã khám phá từ trước bằng kỹ thuật bán tổng hợp hoặc tổng hợp.

Hiện nay, phần lớn các bệnh nhiễm trùng đã được chế ngự một cách hữu hiệu, các vụ dịch được dập tắt nhanh chóng nhưng vẫn cần nghiên cứu nhiều để chế ngự các vi khuẩn kháng thuốc và tìm các thuốc hữu hiệu để điều trị các bệnh virus.

Hướng giải quyết bệnh nhiễm trùng hiện nay có thể là sử dụng đồng thời ba biện pháp sau:

Thực hiện một chiến lược kháng sinh để hạn chế các vi khuẩn kháng thuốc.

Tiếp tục tìm kiếm các kháng sinh hữu hiệu mới để điều trị bệnh vi khuẩn và phát minh các thuốc kháng virus hữu hiệu.

Điều chế các vaccine hữu hiệu bằng các kỹ thuật hiện đại như công nghệ gen để phòng ngừa các bệnh nhiễm trùng, dần dần tiến đến xóa bỏ chúng như trường hợp bệnh đậu mùa trên phạm vi toàn thế giới.