Khoa học vi sinh vật

Khoa học vi sinh vật (tiếng Anh: microbiology, từ tiếng Hy Lạp cổ μῑκρος (mīkros) 'nhỏ', βίος (bíos) 'sự sống', và -λογία (-logía) 'nghiên cứu về') là lĩnh vực nghiên cứu về các vi sinh vật, có thể là đơn bào, đa bào hoặc không có cấu trúc bào quan. Ngành này bao gồm nhiều phân ngành như vi-rút học, vi khuẩn học, nguyên sinh vật học, nấm học, miễn dịch học và ký sinh trùng học.

Vi sinh vật nhân thực có bào quan có màng, bao gồm nấm và sinh vật nguyên sinh, trong khi vi sinh vật nhân sơ — tất cả đều là vi sinh vật — được phân loại là không có bào quan màng, bao gồm vi khuẩn và cổ khuẩn. Truyền thống, các nhà vi sinh vật học sử dụng nuôi cấy, nhuộm và hiển vi học. Tuy nhiên, chưa tới 1% vi sinh vật trong môi trường có thể được nuôi cấy phân lập bằng phương tiện hiện tại. Các nhà vi sinh vật học hiện nay thường sử dụng công cụ sinh học phân tử như nhận dạng dựa trên trình tự DNA, chẳng hạn như trình tự gen 16S rRNA để nhận diện vi khuẩn.

Virus được phân loại là sinh vật biến dị, vì chúng được coi là các vi sinh vật rất đơn giản hoặc các phân tử rất phức tạp. Tuy nhiên, prion (chưa bao giờ được xem là vi sinh vật) đã được nghiên cứu vì ảnh hưởng lâm sàng của chúng, ban đầu bị nhầm lẫn là do nhiễm virus mãn tính và các nhà nghiên cứu virus đã phát hiện ra 'protein lây nhiễm'.

Khả năng tồn tại của vi sinh vật đã được dự đoán từ nhiều thế kỷ trước khi chúng được quan sát lần đầu tiên, như bởi các tín đồ Kỳ Na giáo ở Ấn Độ và Marcus Terentius Varro ở La Mã cổ đại. Quan sát qua kính hiển vi đầu tiên được ghi nhận là của Robert Hooke vào năm 1666 khi ông nhìn thấy thể quả của nấm mốc. Tuy nhiên, linh mục Dòng Tên Athanasius Kircher có thể được coi là người đầu tiên thấy vi sinh vật khi ông quan sát chúng trong sữa và thực phẩm bị hỏng vào năm 1658. Antonie van Leeuwenhoek, với kính hiển vi đơn giản của mình, được coi là cha đẻ của vi sinh vật học nhờ vào các quan sát và thí nghiệm của ông vào thập niên 1670. Ngành vi sinh học phát triển mạnh mẽ vào thế kỷ 19 nhờ công trình của Louis Pasteur và nghiên cứu vi sinh y học của Robert Koch.

Lịch sử

Con người đã giả thuyết về sự tồn tại của vi sinh vật hàng thế kỷ trước khi phát hiện ra chúng. Các tín đồ Kỳ Na giáo đã tin vào sự sống vi sinh vô hình theo các lời dạy của Mahavira vào đầu thế kỷ 6 TCN (599 TCN - 527 TCN). Paul Dundas ghi nhận rằng Mahavira đã khẳng định sự tồn tại của những sinh vật vi sinh vô hình sống trong đất, nước, không khí và lửa. Kinh thánh Jain mô tả nigoda là các sinh vật siêu nhỏ sống theo cụm lớn và có tuổi thọ ngắn, hiện diện khắp nơi trong vũ trụ, kể cả trong thực vật và thịt động vật. Marcus Terentius Varro cũng đề cập đến vi sinh vật khi ông cảnh báo không nên xây nhà gần đầm lầy vì những sinh vật nhỏ không thể nhìn thấy bằng mắt thường, lơ lửng trong không khí và có thể xâm nhập vào cơ thể qua mũi và miệng, gây ra các bệnh nghiêm trọng.

Các nhà khoa học Ba Tư đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của vi sinh vật, như Avicenna trong cuốn The Canon of Medicine; Ibn Zuhr (còn gọi là Avenzoar) phát hiện bệnh ghẻ và Al-Razi mô tả sớm nhất về bệnh đậu mùa trong cuốn The Virtuity Life (al-Hawi).

Vào năm 1546, Girolamo Fracastoro đã đề xuất rằng các bệnh dịch được gây ra bởi những thực thể dạng hạt có khả năng lây nhiễm qua tiếp xúc trực tiếp, gián tiếp, hoặc thậm chí ở khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc.

Năm 1676, Antonie van Leeuwenhoek, sống phần lớn thời gian ở Delft, Hà Lan, đã quan sát vi khuẩn và các vi sinh vật khác bằng kính hiển vi một thấu kính mà ông tự thiết kế. Van Leeuwenhoek được coi là cha đẻ của vi sinh vật học nhờ vào việc sử dụng kính hiển vi đơn giản của chính mình. Mặc dù Van Leeuwenhoek thường được công nhận là người đầu tiên quan sát vi sinh vật, Robert Hooke đã thực hiện quan sát đầu tiên về thể quả của nấm mốc bằng kính hiển vi vào năm 1665. Tuy nhiên, một số ý kiến cho rằng linh mục Dòng Tên Athanasius Kircher mới là người đầu tiên nhìn thấy vi sinh vật.

Kircher là một trong những người tiên phong trong việc thiết kế đèn lồng ảo thuật cho trình chiếu, nên ông rất quen thuộc với các đặc tính của thấu kính. Ông ghi lại vào năm 1646 rằng 'Liên quan đến cấu trúc tuyệt vời của sự vật trong tự nhiên, nhờ Kính hiển vi', và thắc mắc 'liệu có ai tin rằng giấm và sữa chứa hàng triệu giun.' Ông cũng lưu ý rằng thực phẩm hỏng chứa nhiều vi động vật. Trong tác phẩm Scrutinium Pestis (Quan sát dịch hạch) xuất bản năm 1658, ông khẳng định bệnh dịch hạch là do vi sinh vật gây ra, mặc dù những gì ông quan sát có thể là các tế bào hồng cầu hoặc bạch cầu hơn là tác nhân gây bệnh dịch hạch.

Khởi nguồn của vi khuẩn học

Ngành vi khuẩn học (sau này trở thành một phân ngành của vi sinh vật học) được thành lập vào thế kỷ 19 bởi Ferdinand Cohn, nhà thực vật học nghiên cứu tảo và vi khuẩn quang hợp, giúp ông mô tả một số vi khuẩn như Bacillus và Beggiatoa. Cohn cũng là người đầu tiên xây dựng hệ thống phân loại vi khuẩn và phát hiện nội bào tử. Louis Pasteur và Robert Koch, những người đồng thời với Cohn, thường được coi là cha đẻ của vi sinh vật học và vi sinh y học hiện đại. Pasteur nổi tiếng với các thí nghiệm bác bỏ thuyết tự sinh, qua đó khẳng định vi sinh vật học như một ngành khoa học sinh học độc lập. Một học trò của ông, Adrien Certes, được coi là người sáng lập vi sinh vật biển. Pasteur cũng phát triển các phương pháp bảo quản thực phẩm (thanh trùng) và vắc-xin phòng các bệnh như bệnh than, dịch tả gà và bệnh dại. Koch nổi tiếng với những đóng góp cho thuyết mầm bệnh, chứng minh rằng các bệnh cụ thể là do các vi sinh vật gây bệnh gây ra. Ông phát triển nguyên tắc Koch và là một trong những nhà khoa học đầu tiên chú trọng đến phân lập vi khuẩn trong môi trường nuôi cấy thuần túy, từ đó mô tả một số vi khuẩn mới, bao gồm Mycobacterium tuberculosis, tác nhân gây bệnh lao.

Dù Pasteur và Koch thường được xem là những người tiên phong trong lĩnh vực vi sinh vật học, nghiên cứu của họ chỉ tập trung vào các vi sinh vật liên quan đến y học và không phản ánh đầy đủ sự đa dạng của thế giới vi sinh vật. Đến cuối thế kỷ 19, nhờ vào nghiên cứu của Martinus Beijerinck và Sergei Winogradsky, phạm vi thực sự của vi sinh học mới được làm sáng tỏ. Beijerinck đóng góp hai điều quan trọng cho vi sinh vật học: phát hiện virus và phát triển kỹ thuật nuôi cấy gia phú. Nghiên cứu của ông về virus khảm thuốc lá đã xác lập những nguyên tắc cơ bản của virus học, trong khi việc phát triển kỹ thuật nuôi cấy gia phú cho phép nuôi cấy nhiều loại vi khuẩn với các đặc điểm sinh lý đa dạng. Winogradsky là người đầu tiên phát triển khái niệm hóa vô cơ dưỡng, tiết lộ vai trò quan trọng của vi sinh vật trong các quá trình địa hóa, và phân lập cũng như mô tả vi khuẩn nitrat hóa và cố định đạm đầu tiên. Felix d'Herelle, nhà vi sinh vật học người Canada-Pháp, không chỉ đồng phát hiện thể thực khuẩn vào năm 1917 mà còn là một trong những nhà vi sinh vật học đầu tiên ứng dụng nó.

Joseph Lister là người đầu tiên áp dụng chất khử trùng phenol cho các vết thương hở của bệnh nhân.

Phân ngành

Vi sinh vật học có thể được chia thành nhiều phân ngành, bao gồm các lĩnh vực ứng dụng hoặc theo kiểu phân loại như vi khuẩn học, nấm học, nguyên sinh động vật học, virus học, tảo học, và sinh thái vi sinh. Có sự giao thoa đáng kể giữa các phân ngành cụ thể của vi sinh vật học và các lĩnh vực khác, với một số khía cạnh vượt ra ngoài phạm vi truyền thống. Một phân ngành nghiên cứu thuần túy của vi sinh vật học được gọi là vi sinh tế bào.

Ứng dụng

Mặc dù một số người lo ngại về vi sinh vật do chúng liên quan đến nhiều bệnh tật ở con người, nhưng nhiều vi sinh vật lại đóng vai trò quan trọng trong các quá trình có lợi như lên men công nghiệp (chẳng hạn như sản xuất rượu, giấm và chế phẩm sữa), sản xuất kháng sinh và cung cấp phương tiện phân tử để chuyển DNA đến các sinh vật phức tạp như thực vật và động vật. Các nhà khoa học cũng áp dụng hiểu biết về vi sinh vật để phát triển các enzym quan trọng trong công nghệ sinh học như Taq polymerase, gen chỉ thị cho các hệ thống di truyền khác, và các kỹ thuật sinh học phân tử mới như hệ thống lai hai loại men.

Vi khuẩn có thể được sử dụng trong sản xuất amino acid công nghiệp. Corynebacterium glutamicum là một trong những loài vi khuẩn quan trọng nhất, sản xuất hàng triệu tấn amino acid mỗi năm, chủ yếu là L-glutamate và L-lysine. Một số vi khuẩn có khả năng tổng hợp kháng sinh, như Streptomyces, được dùng trong y học để tạo ra kháng sinh aminoglycoside.

Vi sinh vật có thể tạo ra nhiều loại polyme sinh học như polysaccharide, polyester, và polyamide. Những polyme này được sản xuất bằng công nghệ sinh học với các đặc tính đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng y tế quan trọng như kỹ thuật mô và vận chuyển thuốc. Ví dụ, vi sinh vật được sử dụng để tổng hợp xanthan, alginate, cellulose, cyanophycin, poly (axit gamma-glutamic), levan, acid hyaluronic, acid hữu cơ, polysaccharide, oligosaccharide, và polyhydroxyalkanoate.

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy sinh học và xử lý sinh học các loại chất thải từ sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, cũng như ô nhiễm trong đất, trầm tích và môi trường biển. Khả năng phân hủy các chất thải độc hại của vi sinh vật phụ thuộc vào loại ô nhiễm cụ thể. Vì thường có nhiều loại chất gây ô nhiễm trong môi trường, phương pháp hiệu quả nhất để phân hủy sinh học là sử dụng hỗn hợp các loài vi khuẩn và chủng nấm, mỗi loại đảm nhiệm phân hủy một hoặc nhiều loại chất ô nhiễm.

Quần xã vi sinh vật cộng sinh mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe con người và động vật, như hỗ trợ tiêu hóa, sản xuất vitamin và amino acid có lợi, và ngăn chặn vi sinh vật gây bệnh. Những lợi ích này có thể đạt được thông qua việc tiêu thụ thực phẩm lên men, men vi sinh (vi khuẩn có lợi cho hệ tiêu hóa), hoặc tiền sinh (chất kích thích sự phát triển của vi sinh vật). Nghiên cứu về cách hệ vi sinh vật ảnh hưởng đến sức khỏe và các phương pháp tác động lên hệ vi sinh vật là rất thiết thực.

Nghiên cứu cho thấy vi sinh vật có thể có lợi trong việc điều trị ung thư. Một số chủng clostridia không gây bệnh có khả năng xâm nhập và nhân lên trong các khối u rắn. Những vector clostridia này có thể được sử dụng an toàn và cung cấp protein điều trị, điều này đã được chứng minh qua nhiều mô hình tiền lâm sàng.

Một số vi khuẩn được sử dụng để nghiên cứu các cơ chế cơ bản. Ví dụ, Myxococcus xanthus là một loại vi khuẩn mô hình được dùng để nghiên cứu tế bào di động hoặc quá trình sản xuất và phát triển polysaccharide.

• An toàn sinh học
• Vi sinh vật và Con người

Hiệp hội chuyên ngành

• Hiệp hội Vi sinh học Hoa Kỳ
• Liên đoàn Các Hiệp hội Vi sinh học Châu Âu
• Hiệp hội Vi sinh học Ứng dụng
• Hiệp hội Vi sinh học Tổng quát

Tạp chí chuyên ngành

• Những Đánh giá Quan trọng trong Vi sinh học
• Tạp chí Quốc tế về Vi sinh học Hệ thống và Tiến hóa
• Tạp chí Vi khuẩn học
• Những Đánh giá về Vi sinh học của Nature

Ghi chú

Đọc thêm

• Kreft JU, Plugge CM, Grimm V, Prats C, Leveau JH, Banitz T và cộng sự (tháng 11 năm 2013). “Nhỏ bé vĩ đại: Quan sát và mô hình hóa các vi sinh vật đơn lẻ trở thành khoa học lớn”. Biên niên sử của Học viện Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ. 110 (45): 18027–18028. Bibcode:2013PNAS..11018027K. doi:10.1073/pnas.1317472110. PMC 3831448. PMID 24194530.
• Madigan MT, Martinko JM, Bender KS, Buckley DH, Stahl DA (5 tháng 6 năm 2015). Brock Biology of Microorganisms, Global Edition. Pearson Education Limited. ISBN 978-1-292-06831-2.

• Lân Dũng, Nguyễn; Đình Quyên, Nguyễn; Văn Ty, Phạm (2017). Vi sinh vật học. Hà Nội: Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.
• Lân Dũng, Nguyễn; Văn Ty, Phạm; Văn Hợp, Dương; Liên Hoa, Nguyễn; Thúy Hằng, Đinh; Thị Lương, Đào; Thị Hoài Hà, Nguyễn; Hoàng Yến, Lê; Kim Nữ Thảo, Nguyễn. Vi sinh vật học. Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

Các liên kết ngoài

• Tài liệu liên quan đến Vi sinh vật học trên Wikimedia Commons
• Trích dẫn về Vi sinh vật học tại Wikiquote
• “Nghiên cứu, đánh giá và tin tức mới nhất về vi sinh vật học” [Những tin tức, bài đánh giá và nghiên cứu vi sinh vật học mới nhất]. Nature.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 17 tháng 4 năm 2023.
• Microbes.info là một cổng thông tin vi sinh vật học với nhiều bài báo, tin tức, câu hỏi thường gặp và liên kết liên quan đến chuyên ngành vi sinh vật học
• Vi sinh vật học trong chương trình In Our Time của BBC. (Nghe tại đây)
• “Miễn dịch học, Vi khuẩn học, Virus học, Ký sinh vật học, Nấm học và Bệnh truyền nhiễm” [Miễn dịch học, vi khuẩn học, virus học, ký sinh vật học, nấm học và bệnh truyền nhiễm]. Microbiologybook.org (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 17 tháng 4 năm 2023.
• “Đánh giá Vi sinh vật học hàng năm” [Bài đánh giá vi sinh vật học thường niên]. Annual Reviews (bằng tiếng Anh). Lưu trữ bản gốc ngày 20 tháng 1 năm 2009. Truy cập ngày 17 tháng 4 năm 2023.