Skisser over eksperimentet Louis Pasteur gjorde for å bevise at mikroorganismer ikke oppstod spontant. Wellcome Trust. Falt i det fri (Public domain)

mikrobiologi

Mikrobiologi er læren om levende organismer som er for små til å bli sett med det blotte øye og som man derfor må ha mikroskop for å se. Disse mikroorganismene, eller mikrober, er en stor gruppe som rommer prokaryote organismer som bakterier og arker, samt eukaryote organismer som sopp, protozoer og alger. Virus er ikke celler, men regnes likevel vanligvis som mikroorganismer.

Faktaboks

uttale:
mˈikrobiologi

Mikroorganismene finnes overalt og påvirker forholdene på Jorda på uendelig mange måter. De er viktige nedbrytere og spiller sentrale roller for eksempel i omsetningen av karbon og nitrogen. Mikroorganismer utgjør en livsviktig flora både i og på og kroppen hos dyr og mennesker, men kan også forårsake sykdom.

Mange mikroorganismer er forholdsvis enkle å arbeide med og har derfor vært viktige i utviklingen av fag som biokjemi, molekylærbiologi, fysiologi, cellebiologi, genetikk, økologi og bioteknologi.

Anvendt mikrobiologi

I tillegg til å gi kunnskap om sykdomsframkallende mikroorganismer, har forskning i mikrobiologi gitt nyttig kunnskap om mange helt ufarlige mikroorganismer. Denne kunnskapen er utnyttet på mange områder.

Matvarer

Svak salting av grønnsaker kan føre til fermentering (gjæring), noe man utnytter for eksempel ved fremstilling av tysk surkål (sauerkraut)
Av .
Lisens: CC BY NC ND 2.0

Produksjon av melkeprodukter som ost og yoghurt har vært en del av menneskenes liv gjennom hele historien. I dag vet vi at melkesyrebakterier og sopp er ansvarlige både for holdbarhet og smak på slike produkter på grunn av fermentering. Det samme gjelder øl og vinproduksjon der fermentering hos bestemte mikroorganismer, som for eksempel gjær, er ansvarlige for alkoholproduksjonen.

Bioteknologi

Moderne bioteknologi er basert på genteknologi samt inngående kunnskap om mikroorganismer. Ved hjelp av genteknikk og metoder i molekylærbiologi er det mulig å sette inn fremmede gener for eksempel i en bakterie og få den til å produsere proteinet som genet koder for. Et eksempel på dette er humant insulin som nå produseres industrielt i stor skala ved hjelp av bakterier som har fått innsatt genet for insulin. Mange typer antibiotika og andre forbindelser som aminosyrer, polyamid, cellulose og løsemidler som aceton og butanol produseres også industrielt i store mengder ved hjelp av bakterier.

Miljø og industri

I tillegg til at de selv produserer flere nyttige stoffer, kan mikroorganismer også brukes til å bryte ned ulike forbindelser i omgivelsene. Denne egenskapen er en viktig del av prosessene i renseanlegg for vann og kloakk samt når det gjelder å fjerne uønskede organiske forbindelser for eksempel fra industrien. Dette kalles ‘bioremediering’.

Mikrobiologiens historie

Mikroskopets oppfinnelse

Anton van Leeuwenhoek studerte dyrs og planters bygning ved hjelp av selvlagede mikroskoper. Det beste av disse oppnådde en forstørrelse på nær 300 ganger, men også ved å bruke svakere forstørrelser gjorde han betydelige oppdagelser. Bildet viser funn han gjorde, blant annet menneskelige sædceller (29 og 30) og spermatozoider (31-40).
Av .
Et mikroskop fra 1600-tallet, ikke ulikt det Robert Hooke brukte i utarbeidelsen av verket Micrographia.
/Whipple Museum of the History of Science, Cambridge.

Fordi mikrober ikke er synlige, var det ingen som ante noe om mikrober før de første mikroskopene ble konstruert på 1600- tallet. Dette var enkle sammensatte linser som først ble tatt i bruk av vitenskapsmenn som Johannes Kepler (1571-1630) i Tyskland og Galileo Galilei (1564-1642) i Italia for å se på stjernehimmelen. I England brukte Robert Hooke (1635-1703) mikroskop til å se på plantevev. Han var den første som brukte ordet ‘celle’, som betyr ‘lite kammer’ på latin, om de enhetene som plantene består av.

Den som først så og beskrev mikroorganismer var en velstående hollandsk kjøpmann, Anton van Leeuwenhoek (1632-1723). Van Leeuwenhoek bygde noen enkle, men kraftige mikroskoper som han brukte til å undersøke alt tenkelig. Han tegnet og beskrev det han så i mikroskopet, blant annet små strukturer, som han kalte animalcules. Disse skulle senere vise seg å være bakterier. Van Leewenhoek la merke til at de små strukturene hadde ulike former, og han tegnet dem som kuler, spiraler og staver. I mikroskopet oppdaget han også andre ting, blant annet små encellete dyr (protozoer) og røde blodceller.

Vitenskap formaliseres og formidles

Mikrobiologien som vitenskap begynte med oppdagelsen av mikroskopet og samtidig med at The Royal Society ble stiftet i London. Et av de viktigste formålene til dette lærde selskapet var å publisere vitenskap og formidle nyoppdaget kunnskap. Tegningene og beskrivelsene til Anton van Leeuwenhoeks ble trykket i skriftene til The Royal Society, og på den måten ble det han hadde sett i mikroskopet kjent blant vitenskapsmenn i hele Europa. På den tiden var det i midlertidig ingen som tenkte på at det en så i mikroskopet var aktivt eller på noen måte levende.

Utviklingen videre gikk uhyre sakte, og det tok nesten 300 år fra van Leeuwenhoek første gang så bakterier i sitt enkle mikroskop til det første elektronmikroskopet ble utviklet. I denne lange perioden var det likevel noen ganske få personer som gjorde andre observasjoner slik at man sakte, men sikkert begynte å få innsyn i mikrobenes verden.

Opplysningstiden og mikrobiologiens gullalder

Med oppdagelsene fulgte en rekke spørsmål: Hvor kom de små strukturene fra og hva var de? Oppsto de fra ingenting? Ble de skapt der og da? Det siste spørsmålet førte til heftige diskusjoner om liv kunne oppstå spontant, eller ikke. Den vanlige oppfatningen på denne tiden var at levende ting oppsto spontant, og at det sto en Gud bak.

I Opplysningstiden på 1700-tallet begynte stadig flere å stille spørsmål ved tidens vedtatte dogmer og sannheter og vitenskap og rasjonalitet begynte å fortrenge tidligere tiders oppfatninger. Ikke minst fikk man kunnskap i kjemi, for eksempel ble gassene oksygen og hydrogen oppdaget på denne tiden.

Likevel fortsatte diskusjonen om liv oppstår spontant i tiår etter tiår inntil endelig punktum ble satt i 1859 av Louis Pasteur (1822-1895) i Frankrike.

Pasteur gjorde et berømt forsøk som en gang for alle viste at liv ikke oppstår spontant. Dette ble innledningen til det som kalles mikrobiologiens gullalder.

Louis Pasteur var utdannet kjemiker og en mangfoldig vitenskapsmann. Han hadde blant annet oppdrag for vinindustrien i Frankrike som stadig hadde alvorlige problemer med at vinen ble sur. Da Pasteur undersøkte prøver av vinen i mikroskop, la han merke til at det alltid var bakterier tilstede i den sure vinen. Dermed forstod han at den sure smaken var forårsaket av bakterier som kom til utenfra og produserte melkesyre.

Mikrobiologi og medisinsk utvikling

Briten Joseph Lister (1827-1912) kjente til Pasteurs arbeider. Lister var kirurg og kom på tanken at infeksjoner i forbindelse med kirurgiske inngrep kunne skyldes bakterier som kom til utenfra og forårsaket forråtnelse i vevet. Han innførte sterilisering av instrumenter og brukte karbolsyre for å desinfisere overflatene på kroppen. I begynnelsen ble Listers tiltak møtt med stor skepsis, men det gikk ikke lang tid før resultatene viste seg, og desinfisering ble helt akseptert. Langt færre døde etter operasjoner med disse metodene. På grunn av dette, regnes Lister som den moderne kirurgis far.

Pasteur var også inne på tanken om at mikroorganismer kunne være årsak til sykdom hos mennesker, men det var tyskeren Robert Koch (1843-1910) som var den første til å vise helt sikkert årsakssammenhengen mellom en bestemt bakterie og en bestemt sykdom.

I 1876 viste Koch at bakterien Bacillus anthracis var årsaken til miltbrann (antrax). Like etter viste han at Mycobacterium tuberculosis var årsaken til tuberkulose og at Vibrio cholera forårsaket kolera.

En viktig ting Robert Koch gjorde var å sette opp hvilke kriterier som måtte oppfylles for å med sikkerhet kunne si at en bestemt bakterie var årsak til en bestemt sykdom. Dette er Kochs postulater, og de brukes fortsatt for å avgjøre om en bestemt bakterie er årsak til en bestemt sykdom.

Kochs postulater

  • Mikroorganismen må være tilstede hos alle som har sykdommen, men fraværende hos friske individer
  • Mikroorganismen må kunne isoleres fra det syke individet og dyrkes i renkultur
  • Når mikroorganismen inokuleres i et friskt individ, må den forårsake sykdommen
  • Den samme mikroorganismen må kunne isoleres igjen fra det infiserte, syke individet

Etter hvert ble sammenhengen mellom en rekke ulike bakterier og de tilsvarende sykdommene klarlagt, og derfor blir perioden på slutten av 1800-tallet sett på som mikrobiologiens første gullalder. Den andre gullalderen kom 100 år senere da det ble mulig å manipulere arvestoffet (DNA).

Pasteur og Koch la grunnlaget for faget mikrobiologi, men de la først og fremst vekt på mikroorganismer med medisinsk betydning. Denne delen av faget betegnes ofte som bakteriologi. På slutten av 1800-tallet ble det imidlertid klart at mikrobenes verden omfattet mye, mye mer.

Mikrobiologi og miljøet

Det ble etter hvert mer og mer klart for Pasteur og andre at det er en sammenheng mellom vekst av mikroorganismer på et sted og de forandringene som skjer på stedet.

Med tiden klargjorde Pasteur mange andre systemer der nærvær av mikrober forårsaket aktivitet og forandringer. Fenomenene ble kalt fermentering (gjæring) og forråtnelse. Forråtnelse er kjennetegnet av at det som produseres lukter vondt og er resultatet av nedbryting av protein. Fermentering skjer normalt i forbindelse med plantemateriale og fører til at vi får alkoholer og organiske syrer fordi karbohydrater blir brutt ned. Alle gjæringer skyldes aktiviteten til mikroorganismer.

At mikroorganismer er aktive og kan påvirke omgivelsene var ikke helt ukjent på Pasteurs tid. Allerede i 1845 hadde den britiske presten Berkeley vist at tørråte på poteter var forårsaket av den mikroskopiske soppen Phytopthora infestans. Tørråte gjør at potetene råtner under lagring, og det var tørråte på potetene som forårsaket den store hungersnøden i Irland i årene 1845-1849. Befolkningen var blitt helt avhengig av poteter i kosten, og på grunn av tørråten døde én million mennesker mens like mange emigrerte til USA i denne perioden.

Oppdagelsen av virus

Hollenderen Matinius Beijerinck (1851-1931) var den første som påviste virus. Han var utdannet botaniker og arbeidet med sykdommen ‘mosaikksyke’ på tobakksplanter. Han oppdaget at sykdommen smittet med noe som var enda mindre enn bakterier, som han kalte ‘virus’.

Beijerinck utviklet også en viktig metode for å få tak i bestemte bakterier fra naturen, såkalt anrikningskulturteknikk. Hensikten er å legge forholdene til rette slik at bare én bestemt type bakterier kan vokse frem. Et eksempel er hvordan man lager anrikningskultur for nitrogenfikserende bakterier. Disse bakterier lever i jord og kan utnytte luftas nitrogengass som kilde til nitrogen. For å få tak i nettopp disse bakteriene, tilsetter man litt jord til et vekstmedium uten nitrogen, det vil si uten verken NH3, NO3- eller aminosyrer. Da vil bare de bakteriene som kan utnytte nitrogengass fra lufta vokse opp.

Russeren Dmitry Winogradsky (1864-1920) oppdaget virus uavhengig av Beijerinck, men han arbeidet også med mikroorganismer i jord og vann og oppdaget kjemolitotrofe bakterier. De trenger ikke organiske forbindelser, men får energi fra reduserte uorganiske forbindelser som for eksempel H2S og får karbon fra CO2. Slike mikroorganismer spiller viktige roller i geokjemiske prosesser på Jorda. Han oppdaget også at noen mikroorganismer inneholder klorofyll og har fotosyntese. En annen viktig ting han oppdaget var at noen bakterier kan omdanne nitrogengass, N2 til ammoniakk, NH3. Disse nitrogenbindende bakteriene er sentrale i nitrogensyklusen.

Arbeidsmetoder i mikrobiologi

Fordi mikroorganismer ofte er i størrelsesordenen noen tusendels millimeter, var det viktig å finne måter å undersøke dem på og ikke minst å være sikker på hva man egentlig undersøkte. Det var i forbindelse med de viktige oppdagelsene i laboratoriene til Louis Pasteur i Paris og Robert Koch i Berlin på slutten av 1800-tallet, at de grunnleggende metodene og teknikkene for arbeide med bakterier ble utarbeidet. Mange av disse metodene brukes fortsatt i dag.

Det er begrenset hva man får vite om mikroorganismene bare ved å se i et mikroskop. Det er mulig å få et inntrykk av størrelse og form, om de beveger seg og hvordan, men for å vite mer er det helt nødvendig å undersøke dem biokjemisk. Fordi mikroorganismene er så små, må det være mange av dem når man skal undersøke hvordan de er bygd, hva de består av, hvordan de lever og hvordan de vokser. Bakterier og andre mikrober undersøkes en masse, mange om gangen.

For å få nok materiale til biokjemiske analyser, er det vanlig å dyrke organismene enten i flytende næringsbuljong for eksempel i en glassbeholder, eller på en fast overflate i en petriskål. For å kunne dyrke frem mikroorganismer er det to forhold som må ligge til rette:

  • det må være riktig vekstvilkår for bakterien man ønsker å dyrke frem
  • bakteriekulturen må være ren og det er viktig å unngå kontaminering

På en petriskål med næringsagar kan det for eksempel vokse opp kolonier av bakterier eller sopp, hvor en enkelt koloni som den på figuren kan inneholde mer enn 109 (1.000.000.000) bakterieceller. En godt utvokst flytende kultur kan inneholde tilsvarende mange bakterier per milliliter.

Det finnes hundre tusenvis av ulike arter av mikroorganismer som kan ha svært ulike vilkår for vekst, og derfor er det en stor utfordring å finne ut hvilke krav bakterier må ha for i det hele tatt å vokse. Noen vokser godt på glukose og salter, men andre må ha tilført vekstfaktorer som vitaminer og aminosyrer, atter andre lever på enkle uorganiske forbindelser som hydrogensulfid (H2S) og ammoniakk (NH3).

En mikroorganisme som vokser i næringsbuljong utgjør en kultur. For å få skikkelig kunnskap om organismen i kulturen, er det helt avgjørende at den kulturen man arbeider med bare inneholder én art. Gjør den ikke det, vet man ikke hva man undersøker, og det kan lett føre til kaos i resultatene. Derfor er det avgjørende å arbeide med renkulturer. Det betyr at kulturen bare inneholder en og samme mikrobe. Det er dessuten uhyre viktig å sikre at renkulturen ikke blir forurenset med andre organismer og dessuten sørge for at organismen i renkulturen ikke sprer seg til omgivelsene.

Rendyrking av mikroorganismer

Denne petriskålen inneholder agar-basert næringsmedium hvor det har blitt sådd ut mikroorganismer høstet fra en dypvannssvamp.
Petriskål med utstryk av bakterier på agar.
Av .

Det er viktig hele tiden å undersøke om kulturen man arbeider med er ren og bare inneholder én type mikroorganisme. Da tar man en prøve med en steril nål og sprer (stryker ut) bakteriene på overflaten av en skål med næringsagar som bakterien vil vokse på. Resultatet av et utstryk er vist på figuren. Utstryket fører til at cellene er skilt fra hverandre på overflaten av agaren og deretter har hver enkelt celle vokst og gitt opphav til en isolert koloni. Er kulturen ren, vil alle koloniene se like ut. Hvis koloniene på skålen er forskjellige, så er ikke kulturen ren. Ved å plukke ut en enkelt koloni med en steril nål og deretter overføre kolonien til en ny kolbe med steril næringsbuljong, kan man få en renkultur.

Ved hjelp av en renkultur, er det enkelt å undersøke organismen ikke bare i mikroskop, men også biokjemisk. Bakteriene høstes ved å spinne dem ned i en sentrifuge. Deretter kan cellene knuses mekanisk eller kjemisk for å få ut innholdet som vi så kan analysere. Det er dette som er utgangspunktet for all analyse for eksempel DNA, proteiner eller enzymer fra mikroorganismer. Det er også mulig å følge veksten i en kultur ved å ta ut prøver fra kulturen ved ulike tidspunkt og måle tettheten i kulturen ved hjelp av et enkelt måleinstrument. Man kan også telle celler i et mikroskop, eller spre prøven på overflaten av en agarskål og telle kolonier som vokser opp.

Sterilteknikk

For å tilfredsstille kravene til renkultur, er det utarbeidet flere ulike arbeidsmetoder, hvor sterilteknikk er det viktigste. At noe er sterilt – av latin sterilis, 'ufruktbar' – betyr at det ikke inneholder noe som er levende.

Sterilisering av væsker foregår vanligvis i en autoklav under høyt trykk og ved 120oC. Etter 20 minutter under slike forhold, vil alt levende være drept.

Løsninger som ikke tåler høye temperaturer kan gjøres sterile ved filtrering. Da blir løsningen presset gjennom et sterilt filter med porer som er så små at bakterier ikke kommer gjennom. En vanlig porestørrelse er 0,2 u (mikrometer). Tørre gjenstander kan steriliseres ved å utsette dem for 170oC i 90 min for eksempel i et varmeskap. Også ulike former for stråling som UV-stråling og ioniserende stråling kan brukes på tørre gjenstander.

Pasteurisering er ikke det samme som sterilisering. Pasteurisering brukes for å fjerne eventuelle sykdomsbakterier fra melk og andre matvarer som er varmefølsomme. Ved pasteurisering utsettes for eksempel melken for en temperatur omkring 70oC i 15 sekunder for så å avkjøle raskt. Da ødelegges ikke kvaliteten av melken. Metoden kom først i bruk for å fjerne tuberkulosebakterien Mycobacterum tuberculosis da tuberkulose var et stort problem. Selv om denne bakterien dør ved behandlingen, overlever andre bakterier. Derfor er dette ikke sterilisering.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg