Ein Überblick über die Mikrobiologie

Mikrobiologie wird einfach als das Studium von Mikroorganismen definiert, wobei „Mikro“ klein bedeutet und „Biologie“ sich auf das Studium von Lebewesen bezieht. Die untersuchten Mikroorganismen sind sehr unterschiedlich und das Gebiet der Mikrobiologie ist in viele Teilgebiete unterteilt.

Das Gebiet der Mikrobiologie ist für den Menschen nicht nur aufgrund der durch diese Mikroben verursachten Infektionskrankheiten von entscheidender Bedeutung , sondern auch, weil „gute“ Mikroorganismen für unser Leben auf dem Planeten notwendig sind.1 2Es wird oft gesagt, dass die Bakterien in und auf unserem Körper zahlreicher sind als unsere eigenen Zellen. Untersuchungen zeigen, dass sie mindestens so viele Zellen haben wie Zellen, wenn nicht sogar zahlreicher sind, sodass dieses Forschungsgebiet als eines der wichtigsten Wissens- und Studiengebiete angesehen werden kann.

Arten von Mikroorganismen

Mikroorganismen oder „Mikroben“ sind kleine Lebewesen. Die meisten dieser Organismen sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen, und bis zur Erfindung des Mikroskops und der Keimtheorie hatten wir keine Ahnung, wie zahlreich sie vorkommen.

Mikroben kommen fast überall auf der Erde vor. Man findet sie in kochenden Wasserbecken im Yellowstone-Nationalpark und in Vulkanschloten in den tiefsten Tiefen des Meeres. Sie können in Salzwüsten leben und einige gedeihen auch im Salzwasser (so viel zur Verwendung von Salz als Konservierungsmittel ). Manche brauchen Sauerstoff zum Wachsen, andere nicht.

Der „härteste“ Mikroorganismus der Welt ist ein Bakterium namens Deinococcus radiodurans , ein Bakterium, das Strahlung in phänomenalem Maße widerstehen kann, wie der Name schon sagt, aber auch ohne Wasser, starke Säuren und sogar im Vakuum überleben kann.3

Klassifizierung von Mikroorganismen in der Mikrobiologie

Es gibt viele verschiedene Arten, wie Wissenschaftler die Millionen von Mikroben in unserer Mitte klassifiziert und dabei versucht haben, sie zu verstehen.

Mehrzellig vs. Einzellig vs. Azellulär 

Mikroben werden unter anderem danach klassifiziert, ob sie Zellen haben oder nicht und wenn ja, wie viele. Mikroorganismen können sein:

• Mehrzellig : Mit mehr als einer Zelle
• Einzellig : Eine einzelne Zelle haben
• Azellulär : Fehlende Zellen wie Viren und Prionen; Prionen werden üblicherweise eher als „infektiöse Proteine“ als als Mikroben bezeichnet.

Eukaryoten vs. Prokaryoten

Eine andere Art, Mikroorganismen zu klassifizieren, hängt mit der Art der Zelle zusammen. Dazu gehören Eukaryoten und Prokaryoten:

• Eukaryoten sind Mikroben mit „komplexen Zellen“, die über einen echten Zellkern und membrangebundene Organellen verfügen. Beispiele für Eukaryoten sind Helminthen (Würmer), Protozoen , Algen und Pilze.
• Prokaryoten sind Mikroben mit „einfachen Zellen“, die keinen echten Zellkern und keine membrangebundenen Organellen haben. Beispiele hierfür sind Bakterien.

Die wichtigsten Klassen von Mikroorganismen

Die verschiedenen Arten von Mikroben können auch unterteilt werden in:

• Parasiten: Parasiten sind manchmal furchterregender als andere Mikroorganismen, zumindest wenn sie mit bloßem Auge beobachtet werden können. Zu den Parasiten zählen Helminthen (Würmer), Egel, Protozoen und andere. Beispiele für parasitäre Infektionen sind Malaria , Giardien und die Afrikanische Schlafkrankheit. Es ist bekannt, dass Ascariasis (Spulwürmer) weltweit eine Milliarde Menschen infizieren.4
• Pilze: Pilze sind Mikroorganismen, die Pflanzen in gewisser Weise ähneln. Hefen sind eine Pilzart. Beispiele hierfür sind Fußpilz oder andere Arten von Hefepilzinfektionen, die alle zur Klasse der Pilzinfektionen gehören . In diese Kategorie fallen auch Pilze und Schimmelpilze. Wie Bakterien haben auch wir viele „gute Pilze“, die auf unserem Körper leben und keine Krankheiten verursachen.5
• Bakterien: Wir haben in und auf unserem Körper genauso viele Bakterien wie Zellen, und die überwiegende Mehrheit dieser Bakterien sind „gesunde Bakterien“. Sie schützen uns vor Infektionen durch schlechte oder pathologische Bakterien und spielen eine Rolle bei der Verdauung unserer Nahrung.6Beispiele für durch Bakterien verursachte Infektionen sind Tuberkulose und Halsentzündung.
• Viren: Viren kommen in der Natur häufig vor, obwohl die meisten Menschen mit denen vertraut sind, die beim Menschen Krankheiten verursachen. Viren können auch andere Mikroorganismen wie Bakterien und Pflanzen infizieren.7Impfungen haben das Risiko einiger furchterregender Krankheiten verringert, aber andere, wie Ebola und das Zika-Virus , erinnern uns daran, dass wir noch nicht damit begonnen haben, diese Miniaturbedrohungen zu besiegen.
• Prionen: Die meisten Wissenschaftler klassifizieren Prionen derzeit nicht als Mikroorganismen, sondern eher als „infektiöse Proteine“.8  Allerdings werden sie häufig von Virologen untersucht. Prionen sind im Wesentlichen ein Stück abnormal gefaltetes Protein und wirken auf den ersten Blick möglicherweise nicht beängstigend. Dennoch gehören Prionenkrankheiten wie der Rinderwahnsinn und Kuru zu den am meisten gefürchteten Infektionskrankheiten.9

Geschichte der Mikrobiologie

Was wir heute über Mikroorganismen wissen und worauf wir weiter eingehen werden, ist relativ neu in der Geschichte. Werfen wir einen kurzen Blick auf die Geschichte der Mikrobiologie:

Erstes Mikroskop/erste Mikroorganismen sichtbar gemacht: Der erste große Schritt in der Mikrobiologie erfolgte, als Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) das erste Einlinsenmikroskop entwickelte. Durch eine Linse mit einer etwa 300-fachen Vergrößerung konnte er zum ersten Mal Bakterien sichtbar machen (die von Abschürfungen seiner Zähne stammten).

Entwicklung der Keimtheorie: Der menschliche Körper wurde von drei Wissenschaftlern als Infektionsquelle erkannt:

• Dr. Oliver Wendall Holmes fand heraus, dass Frauen, die zu Hause entbunden haben, seltener an Infektionen erkrankten als Frauen, die in einem Krankenhaus entbunden haben.
• Dr. Ignaz Semmelweis brachte Infektionen mit Ärzten in Verbindung, die direkt vom Autopsieraum zur Entbindungsstation gingen, ohne sich die Hände zu waschen.
• Joseph Lister führte aseptische Techniken ein, darunter Händewaschen und die Verwendung von Hitze zur Sterilisation.

Keimtheorie: Die beiden Personen, denen die Akzeptanz der Keimtheorie am meisten zugeschrieben wird, waren Louis Pasteur und Robert Koch:

• Louis Pasteur (1822-1895): Pasteur wird die Theorie der Biogenese zugeschrieben, in der er feststellte, dass alle Lebewesen von etwas abstammen und nicht von der vorherrschenden Ansicht zur Zeit der spontanen Zeugung. Er behauptete, dass viele Krankheiten durch Mikroben verursacht würden. Er zeigte, dass Mikroorganismen für Gärung und Verderb verantwortlich sind und entwickelte die Methode namens Pasteurisierung, die noch heute angewendet wird.10Er entwickelte auch die Impfstoffe gegen Tollwut und Milzbrand.
• Robert Koch (1843-1910): Koch ist der Autor von „Kochs Postulaten“, der wissenschaftlichen Reihe von Schritten, die die Keimtheorie bewiesen und die seitdem (mit einigen Überarbeitungen) in wissenschaftlichen Studien verwendet wird. Er identifizierte die Ursache von Tuberkulose, Milzbrand und Cholera.

Zu den Meilensteinen seit dieser Zeit gehören:

• 1892: Dmitri Iosifovich Ivanoski entdeckte das erste Virus.
• 1928: Alexander Fleming entdeckt Penicillin.
• 1995: Die erste mikrobielle Genomsequenz wurde veröffentlicht.

Infektiöse Mikroorganismen

Wenn wir an Mikroorganismen denken, denken die meisten von uns an Krankheiten, obwohl diese kleinen „Käfer“ uns insgesamt eher helfen als schaden. (Lesen Sie weiter, um mehr über „gute Mikroben“ zu erfahren.)

Bis vor weniger als einem Jahrhundert und auch heute noch waren Infektionen mit Mikroorganismen an vielen Orten der Welt die häufigste Todesursache. Die Lebenserwartung in den Vereinigten Staaten hat sich im letzten Jahrhundert dramatisch verbessert, nicht nur, weil wir länger leben, sondern vor allem, weil weniger Kinder im Kindesalter sterben.11

In den Vereinigten Staaten sind nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention Herzerkrankungen und Krebs mittlerweile die zweithäufigste Todesursache. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind in Ländern mit niedrigem Einkommen weltweit Infektionen der unteren Atemwege die häufigste Todesursache, gefolgt von Durchfallerkrankungen.12

Das Aufkommen von Impfungen und Antibiotika sowie, was noch wichtiger ist, sauberes Wasser haben unsere Besorgnis über infektiöse Organismen verringert, aber es wäre falsch, arrogant zu sein. Derzeit sind wir nicht nur mit neu auftretenden Infektionskrankheiten, sondern auch mit Antibiotikaresistenzen konfrontiert .13

Mikroorganismen, die für den Menschen hilfreich sind

Obwohl wir selten darüber sprechen, sind Mikroorganismen nicht nur hilfreich, sondern in fast jedem Aspekt unseres Lebens notwendig. Mikroben sind wichtig in:

• Wir schützen unseren Körper vor „schlechten“ Mikroben
• Essen machen. Von Joghurt bis hin zu alkoholischen Getränken ist die Fermentation eine Methode, bei der das Wachstum von Mikroben zur Herstellung von Nahrungsmitteln genutzt wird.
• Die Aufteilung der Abfälle am Boden und die Wiederverwertung atmosphärischer Gase oben. Bakterien können sogar bei schwierigen Abfällen wie Ölverschmutzungen und Atommüll helfen.
• Produktion von Vitaminen wie Vitamin K und einigen B-Vitaminen. Auch für die Verdauung sind Bakterien äußerst wichtig.
• Informationsspeicherung. Im Bereich der Kryptographie wird sogar nach Möglichkeiten gesucht, Bakterien als Festplatte zum Speichern von Informationen zu nutzen.

Mikroben erfüllen nicht nur viele Funktionen für uns – sie sind ein Teil von uns. Es wird angenommen, dass die Anzahl der Bakterien in und auf unserem Körper unsere Zellen gleich eins zu eins ist.14

Sie haben wahrscheinlich schon das Neueste zum Thema gesunde Ernährung gehört. Zusätzlich zum Verzehr von Brokkoli und Blaubeeren empfehlen einige Gesundheitsdienstleister, täglich oder zumindest so oft wie möglich fermentierte Lebensmittel zu sich zu nehmen.15Ohne Bakterien gäbe es keine Gärung.

Wenn Sie in letzter Zeit die Nachrichten gelesen haben , wurde sogar postuliert, dass die Bakterien in unserem Darm für unsere alltägliche Stimmung verantwortlich sind. Die Erforschung des Mikrobioms wird mittlerweile genutzt, um viele Dinge zu erklären, beispielsweise warum Antibiotika zu einer Gewichtszunahme führen können.16

Bereiche der Mikrobiologie

Innerhalb der Mikrobiologie gibt es verschiedene Bereiche. Beispiele für einige dieser nach Organismentypen aufgeschlüsselten Bereiche sind:

• Parasitologie: Das Studium der Biologie von Parasiten und parasitären Krankheiten
• Mykologie: Die Lehre von Pilzen
• Bakteriologie: Die Lehre von Bakterien
• Virologie: Das Studium von Viren
• Protozoologie: Das Studium der Protozoen
• Phykologie: Das Studium der Algen

Die Bereiche der Mikrobiologie können auch nach Umfang unterteilt werden, um ein breites Themenspektrum abzudecken. Einige Beispiele unter vielen sind:

• Mikrobielle Physiologie : Die Untersuchung des Stoffwechsels, des Wachstums und der Struktur von Mikroben
• Mikrobielle Genetik : Die Untersuchung der Genetik innerhalb von Mikroorganismen wie Bakterien, Viren und Pilzen
• Umweltmikrobiologie : Die Untersuchung der Interaktion von Mikroorganismen mit der Umwelt und untereinander
• Industrielle Mikrobiologie : Die Untersuchung, wie Mikroorganismen in industriellen Prozessen wie Antibiotika und Abwasserbehandlung eingesetzt werden
• Lebensmittelmikrobiologie : Die Untersuchung der Mikroorganismen, die in Lebensmitteln leben, diese verändern oder kontaminieren
• Biotechnologie : Die Verwendung lebender Organismen zur Herstellung eines neuen Produkts
• Bioremediation : Der Einsatz lebender Organismen zur Entfernung von Schadstoffen aus dem Boden und Wasser

Die Zukunft der Mikrobiologie

Das Gebiet der Mikrobiologie ist faszinierend und es gibt noch mehr, was wir nicht wissen. Was wir in diesem Bereich am meisten gelernt haben, ist, dass es noch so viel mehr zu lernen gibt.

Mikroben können nicht nur Krankheiten verursachen, sondern auch zur Entwicklung von Medikamenten zur Bekämpfung anderer Mikroben (z. B. Penicillin) genutzt werden. Einige Viren scheinen Krebs zu verursachen, während andere als Mittel zur Krebsbekämpfung untersucht werden.

Einer der wichtigsten Gründe für Menschen, etwas über Mikrobiologie zu lernen, ist der Respekt vor diesen „Geschöpfen“, die uns zahlenmäßig weit überlegen sind. Es wird angenommen, dass die Antibiotikaresistenz durch die unsachgemäße Verwendung nicht nur von Antibiotika, sondern auch von antibakteriellen Seifen zunimmt.17

Und das nur, wenn man sich die Mikroben ansieht, die wir derzeit erkennen. Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Infektionskrankheiten und der Tatsache, dass wir mit drei Flügen fast überall auf der Welt reisen können, besteht ein großer Bedarf an Ausbildung und Vorbereitung für Mikrobiologen.