Microbiologie

1. Wat is microbiologie? 

Microbiologie houdt zich bezig met de studie van en onderzoek naar micro-organismen. Veel onderzoek speelt zich af op het laboratorium : Met micro-organismen worden die organismen bedoeld, die uitsluitend met behulp van een microscoop of een elektronenmicroscoop te zien zijn.

Dat klopt niet helemaal, omdat bijvoorbeeld schimmels, die tot een voor het oog zichtbaar schimmeldek of paddestoel kunnen uitgroeien, ook tot de micro-organismen worden gerekend. 

Een betere definitie van micro-organismen is: het zijn organismen opgebouwd uit één (1) cel of meerdere cellen waarbij geen of zeer weinig celdifferentiatie optreedt, deze differentiatie betreft altijd de voortplanting of overleving 
Micro-organismen hebben dus geen weefsels of organen ! 

2. Eigenschappen van levende micro-organisem

Alle levende (micro)organismen hebben een aantal eigenschappen gemeen: 

A. Cellen
Elk organisme is opgebouwd uit één of meer cellen. De kleinste organismen bestaan uit slechts één cel. Grotere organismen bestaan uit enkele tot miljarden cellen. Virussen bestaan niet uit een cel.

B. Organische stoffen
In de natuur zijn de stoffen te verdelen in organische en anorganische stoffen. Organische stoffen komen alleen in levende organismen en hun dode resten voor. Chemisch bekeken bestaan ze uit een keten van twee of meer C-atomen. Aan deze C-atomen zitten weer andere atomen. Voorbeelden van organische stoffen zijn: eiwitten, koolhydraten (vb, suiker en zetmeel) en vetten. Steenkool, olie, wol en leer zijn afkomstig van organismen en bestaan daardoor ook uit organische stoffen. Anorganische stoffen zijn afkomstig uit de levenloze natuur. Voorbeelden zijn: water, ijzer, koper, zuurstof, ijzerzouten, kalkzouten etc. Anorganische stoffen komen ook in organismen erg veel voor.

C. Stofwisseling
In een organisme vinden vele chemische processen plaats. Al deze chemische processen samen noemt men de stofwisseling van dat organisme. De opname van voedingsstoffen is dus een stofwisselingsproces, net als de afgifte van afvalstoffen. Ook in de cel vinden stofwisselingsreacties plaats. Men onderscheidt hier de reacties die dienen om celmateriaal op te bouwen (de bouwstofwisseling of assimilatie) en de reacties die dienen om energie uit te halen (de bedrijfsstofwisseling of dissimilatie)

D. Voortplanting
Ieder organisme kan nakomelingen krijgen, dit is een voorwaarde voor het bestaan van de soort

E.Prikkelbaarheid
Organismen kunnen reageren op prikkels uit hun omgeving. Dit geldt uiteraard voor plant en dier, maar ook ééncellige organismen zijn gevoelig voor prikkels uit hun omgeving.

3. Autotroof en heterotroof 
De organische stoffen die in de organismen voorkomen, worden op verschillende wijze opgebouwd. Er zijn organismen die de organische stoffen zelf opbouwen uit anorganische stoffen. Deze organismen noemt men autotroof. Alle planten, algen en enkele bacteriesoorten zijn autotroof. Alle andere organismen bouwen hun organische stoffen op uit (andere) organische stoffen. Deze organismen zijn de dieren, de meeste bacteriën en de schimmels. Vb. een schimmel die op de kaas groeit haalt organische stof uit de kaas en maakt hiervan de organische stoffen die de schimmelcel zelf nodig heeft. Zie indeling op basis van energie- en koolstofbron.

4. Prokaryoten en eukaryoten 
De levende organismen worden op grond van hun celstructuur verdeeld in de prokaryoten en de eukaryoten. 
De prokaryote cel , zoals bij de bacterie heeft een primitieve bouw: een kern is niet aanwezig. Het erfelijk materiaal (DNA) ligt los in de celvloeistof (protoplasma). Ook andere celorganellen met een membraan zoals mitochondrien en chloroplasten ontbreken. Wel zijn er mitochondrien. Het protoplasma is omgeven door de celmembraan en de celwand. 

De eukaryote cel , bij plant, dier en schimmel bezit een kern en andere organellen. Zoals mitochondrien voor de ademhaling en chloroplasten (planten en algen) voor de fotosynthese.
Bij plantaardige cellen en schimmels is het protoplasma omgeven door een cel-membraan en een celwand.
Bij dierlijke cellen ontbreekt de celwand. 

Het ontstaan van eukaryoten
Naast het kern DNA hebben eukaryoten ook DNA in de mitochondriën en (algen en planten) in de chloroplasten. Lynn Margulis kwam in 1969 op het idee dat eukaryoten ontstaan zouden kunnen zijn door endosymbiose (samenleven) van prokaryote organismen. Zo zouden de mitochondriën ontstaan zijn uit een ingelijfde aerobe bacterie en de chloroplasten hebben zich ontwikkeld uit door de cel opgenomen cyanobacteriën (fotosynthetische bacteriën). Later kon deze Endosymbiontentheorie (https://nl.wikipedia.org/wiki/Endosymbiontentheorie) onderbouwd worden met de uitkomsten van DNA-onderzoek waaruit bleek dat het DNA uit de mitochondriën  grote overeenkomsten bleek te hebben met het DNA van Rickettsiales en de chloroplasten DNA bevatten dat identiek is aan DNA van cyanobacteriën. Door recent onderzoek (juni 2015) is het DNA van een archaebacterie gevonden dat genen bevat gelijk aan de genen die bij eukaryoten een rol spelen in de vormgeving van membranen. Deze Lokiarchaea die dus DNA gemeen hebben met de eukaryoten, maar zelf prokaryoot zijn, zouden een missing link kunnen zijn tussen de prokaryoten en de eukaryoten. Lees meer http://schaechter.asmblog.org/schaechter/2015/06/a-class-asks-questions.html.

Virussen (waartoe ook de bacteriofagen behoren) vormen een aparte groep, hun inwendige structuur wijkt sterk af van de prokaryote en eukaryote cel. Ze hebben geen eigen stofwisseling en zijn voor de voortplanting afhankelijk van een ander (levend) wezen.

5. Welke organismen behoren tot de micro-organismen?

• protozoën, eencellige eukaryote cellen zoals het pantoffeldiertje en de malariaparasiet.
  
• algen, eukaryote fotosynthetische organismen, met name de micro-algen, microscopisch kleine plantachtige organismen zonder wortels of bladeren.
• schimmels, eukaryote organismen waaronder de paddestoelen maar ook de kleinere schimmels die op oud brood voorkomen 
• gisten , eencellige schimmels 
• bacteriën prokaryoot, ook de blauwalgen (cyanobacterien) horen hierbij 
• archaea
• (virussen als je die als organismen beschouwt.)

6. Tegenwoordig worden op basis van DNA /RNA onderzoek alle organismen in drie domeinen onderscheiden:

• Bacteria
• Archaea
• Eukaryota (dus alle eukaryoten bijelkaar !)

Deze domeinen worden dan weer verdeeld in rijken.

 7. Hoe klein zijn de verschillende micro-organismen?

Van groot naar klein:

virussen 0,01-0,3 um

1000 um= 1 mm

Een lichtmicroscoop heeft een oplossend vermogen van 0,2 um , bacteriën zijn hiermee te zien evenals grote structuren binnen hun cel, maar virussen zijn te klein om nog te onderscheiden. De algen, schimmels en protozoën zijn goed waar te nemen onder de microscoop. Kijk ook eens op cells alive om een idee te krijgen van de grootteverschillen. Het is niet moeilijk om zelf cellen te meten met de microscoop.

Om de verhoudingen goed te begrijpen is er een leuke les om als groep buiten of in groot lokaal te doen.

8. Kleine afmetingen, grote gevolgen.

Hoe kleiner, hoe sneller
Het is niet duidelijk waarom bacteriën niet groter worden dan ze worden. Zowel voor eencellige als meercellige heterotrofe organismen geldt, dat de stofwisselingssnelheid omgekeerd evenredig is met de grootte van het organisme. Deze stofwisselingssnelheid is weer bepalend voor de groeisnelheid. De groei van een organisme is des te langzamer naarmate een organisme groter is. Bacteriën zijn dan ook verreweg de snelste groeiers van alle organismen. Dit is ook hun kracht, zijn de groeiomstandigheden ergens gunstig dan zal een bacterie daar direct van profiteren en met hoge snelheid de aanwezige voedingsstoffen consumeren waardoor hij andere organismen een slag voor is. Sommige bacteriën zijn in staat om in 20 minuten een hele nieuwe cel te maken. Dat betekent, dat zo'n cel per seconde 1000 eiwitmoleculen maakt. In weefsels van hogere organismen gaat het heel wat rustiger toe. Zo delen  levercellen zich eens per drie maanden.

Onzichtbaar
Tegenwoordig zijn we ons er van bewust dat overal om ons heen onzichtbare micro-organismen voorkomen, het is voor ons vanzelf sprekend. Toch is men zich pas dankzij Louis Pasteur gaan realiseren dat micro-organismen overal zijn en dat deze micro-organismen een rol spelen bij het ontstaan van ziektes, het bederf maar ook juist bij de bereiding van wijn. Dit terwijl twee eeuwen eerder de micro-organismen al ontdekt waren door Anthonie van Leeuwenhoek. Dat hier twee eeuwen voor nodig waren heeft onder andere te maken met het feit dat micro- organismen zo "lastig" klein zijn, heel lang inactief kunnen zijn en zich vervolgens als de omstandigheden goed zijn razendsnel kunnen vermeerderen.

9. De betekenis van micro-organismen voor de mens

Kringloop
De bacteriën en de schimmels spelen een belangrijke rol bij het verwijderen van organisch afval. Dit gebruiken ze als hun voedsel waardoor het afgebroken wordt tot anorganische stoffen die weer hergebruikt kunnen worden door planten welke op hun beurt weer voedsel zijn voor dieren. Op deze wijze ontstaat een kringloop van elementen zonder welke het leven op aarde onmogelijk is. Van deze rol die bacteriën en schimmels in de natuur spelen kan de mens ook gebruik om van zijn afval af te komen. Dit geldt voor de afvalwaterzuivering waar de bacteriën op grote schaal organische stoffen afbreken. Ook bodemvervuiling kan in een aantal gevallen aangepakt worden met behulp van bacteriën.
Levensmiddelen
Ook in de voedingsmiddelenindustrie worden bacteriën veel gebruikt. Denk aan de bereiding van kaas en yoghurt door melkzuurbacteriën. De meeste bacteriën zijn niet schadelijk.
Ziektes
De bacteriën die wel schadelijk zijn veroorzaken met name ziekten en voedselbederf. Wordt een ziekte veroorzaakt door de aanwezigheid van micro- organismen in voedsel dan spreekt men van voedselinfectie. Ook kan het zijn dat schimmels of bacteriën giftige stoffen in een levensmiddel hebben gevormd, dit noemt men voedselvergiftiging,

Door hun betekenis worden micro-organismen worden op veel laboratoria aangetoond en onderzocht, er zijn verschillende werkvelden :
Levensmiddelenmicrobiologie: het gedrag, de eigenschappen en het aantonen van de aanwezigheid van schadelijke micro-organismen in levensmiddelen , ook het vermijden en bestrijden de levensmiddelenhygiëne hoort hierbij. Ook drinkwater en zwemwater wordt onderzocht
Medische microbiologie : aantonen van ziekteverwekkers (pathogenen) bij patiënten, onderzoek eigenschappen pathogenen
Biotechnologie:het gebruik van micro-organismen bij de productie van zeer veel producten : van kaas tot penicilline, en van wijn tot insuline hierbij worden de eigenschappen van de micro-organismen vaak veranderd met behulp van DNA-technieken, zo kunnen genen van plant of dier in een bacteriecel gebouwd worden , waardoor deze bacterie de plantaardige of dierlijke producten in zijn snelle temp kan maken

10. Naamgeving van micro-organismen 
Populaire Nederlandse namen ontbreken meestal, dit in tegenstelling tot de "hogere" dieren en planten. Omdat we de micro-organismen toch een naam moeten geven en internationaal liefst dezelfde naam zijn er regels opgesteld voor de naamgeving van micro-organismen. Zo geeft men alle organismen een Latijnse (wetenschappelijke) naam. Deze naam bestaat uit twee gedeelten. Voorop staat de naam van het geslacht (= genusnaam) en daarachter de soortnaam (=speciesnaam). 
De geslachtsnaam wordt met een hoofdletter geschreven, de soortnaam met een kleine letter. Bijvoorbeeld :Bacillus anthracis en Bacillus cereus Beide genoemde bacteriesoorten behoren tot het geslacht Bacillus. D.w.z. dat beide soorten de kenmerken van het geslacht bezitten o.a. sporenvormende staafvormige cellen die met zuurstof kunnen leven. Heel vaak zegt de naam iets over het uiterlijk, de stofwisseling of een eventuele ziekte die het micro-organismen veroorzaakt. Omdat de namen echter in een vreemde taal (Latijn of Grieks)zijn geschreven heb je daar meestal weinig steun aan. Een ander voorbeeld is een zeer veel bij onderzoek gebruikte bacterie: Escherichia coli. In dit voorbeeld komt Escherichia van de onderzoeker Escherich die het micro-organismen voor het eerst beschreven heeft. Coli komt van colon, dit is de dikke darm waar deze bacterie altijd voorkomt. 
Deze naamgeving is gebaseerd op onderlinge overeenkomsten tussen (groepen van) micro-organismen. Het gebeurt dus op een systematische manier. Men spreekt ook van systematische eenheden. In het systematisch systeem worden onder andere de volgende eenheden onderscheiden: 

• familie of familia 
• geslacht of genus
• soort of species 

Hieronder volgt een tabel met de indeling van een aantal bekende bacteriën 

Nu op grond van DNA onderzoek  onderlinge verwantschappen beter kunnen worden vastgesteld is de hele indeling op losse schroeven komen te staan en is er een nieuwe indeling van de eubacterien tot stand gekomen, zo zijn de families afgeschaft.

11. Variaties binnen een soort
Binnen een bacteriesoort kan nog een verder onderverdeling gemaakt worden in:

• genotype (DNA-typering)
• biotype (op grond van biochemische eigenschappen)  
• serotype (een indeling naar serologische kenmerken, vergelijk de bloedgroepen van de mens)  
• faagtype(op grond van de gevoeligheid voor een bepaalde faag)
• stam (dat zijn alle individuen van een soort die door deling ontstaan zijn uit een enkele cel)