میکروبیولوژی
همه چیز دز مورد میکروبیولوژی
نانوذرات: طبق تعریف جوامع علمی مر تبط با نانو تكنولوژي ،یک نانوذره به ذره ای گفته می شود که ابعادی بین یک تا 100 نانومتر داشته باشد. نانو ذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. نانو ذرات دوده از سال 1900 در لاستیک ها استفاده می شده است تا آنها را سیاه رنگ جلوه دهد. خرده ذرات نانویی طلا ونقره سالها پیش در قرن دهم به پیگمنت هایی رنگی در شیشه های رنگی افزوده شده است. رنگ به ابعاد این ذرات بستگی دارد. نقره سالهای متمادی به عنوان التیام دهنده استفاده می شده است. شیر از میلیونها ذره با ابعاد نانویی کازئین تشکیل شده است. مولکول های شکر یک نانومتر قطر دارند. متداول ترین وپرکاربردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود بیاید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهند ماند اما در واقع چنین نیست ونیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را درکنار هم قرار می دهد. خواص نانو ذرات: با توجه به تعریف نانوذرات، یکی از سوال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی وپایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟ در تكنولوژي نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است.افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند.این ویژگی واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد علاوه براین افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده ومنجربه تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود خواص الکترونیکی وشیمیایی : در نانو تكنولوژي تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیر گذار است وقتی اندازه ذرات کاهش می یابد پیوند های الکتریکی در فلزات ظریف تر می شوند جالب است که بپرسیم در چه اندازه دانه ای یک ذره فلزی شبیه یک توده فلز رفتار می کند؟ آیا این تغییر در خواص به تدریج رخ می دهد یا به طور ناگهانی ؟ پاسخ به این سوالات هم ازنظر آزمایشگاهی وهم تئوری مشکل است. کمیت الکترونیکی که راحت تر دردسترس می باشد پتانسیل یونیزاسیون است مطالعات نشان داده اند که پتانسیل یونیزاسیون در اندازه دانه های کوچک (ذرات ریزتر) بیشتر است یعنی با افزایش اندازه ذرات پتانسیل یونیزاسیون آنها کاهش می یابد افزایش نسبت سطح به حجم وتغیرات در هندسه وساختار الکترونیکی تاثیر شدیدی روی فعل وانفعالات شیمیایی ماده می گذارد و برای مثال فعالیت ذرات کوچک با تغییر در تعداد اتم ها(ودرنتیجه اندازه ذرات) تغییر می کند . خواص سطحی در فن آوري نانو خواص دیگری مثل نسبت سطح به حجم و انرژی پتانسیل در مقیاس نانو به طور چشمگیری افزایش می یابند که در قابلیت های محصولات تاثیر بسزایی دارد. ویسکوزیته در مقیاس نانو آب در مقیاس نانو آب روانی نیست که ما در مقیاس های بزرگ استفاده می کنیم. اشیاء کوچک درآب با ماده چسبنده ای مثل عسل یا آب قند احاطه شده اند. خواص سیالات در مقیاس نانو در ویسگوزیته برجسته می گردد حجم سیالی که مسیر مشخص را در زمان تعیین شده طی می کند درست مثل ویسمزیته تغییر می کند اگر این سرعت را با v نشان دهیم اندازه حرکت (حاصل ضرب جرم در سرعت ) را با p نمایش دهیم و A هم مساحت سطح باشد.µ ویسکزیته مایع است هرچه عدد رینولد کوچکتر باشد تاثیر ویسکوزیته بیشتر است بنابراین یک باکنری که یک میلیون بارکوچکتر از یک انسان است باکتری آب را یک میلیون بار از ما ویسکوزتر می بابد[4]. dt/dt ≈ qa2v2= اینرسی نیرو F= µav نیروی ویسکوزی Re= qav/µ=Force/F عددرینولد خواص مغناطیسی در نانو تكنولوژي پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات تاثیر بر خواص مغناطیسی ماده است. یک ماده توده ای فرومغناطیس با حوزه های مغناطیسی که هر کدام حاوی هزاران اتم هستند، شناخته می شود. در یک حوزه مغناطیسی جهت چرخش الکترون ها یکسان است، اما حوزه های مغناطیسی متفاوت، جهات چرخش متفاوتی دارند. تغییر فاز مغناطیسی وقتی رخ می دهد که یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه های مغناطیسی را یک جهت کند. به عنوان مثال در مورد نانو ذرات ، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصور می شود که در این موادسیستم های ساده تری وجود خواهد داشت اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیر مغناطیسی با اندازه دانه کوچک ، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متاثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است که برای فهمیدن آن، نیاز به مطالعه بسیار است.اندازه ذرات مورد بحث ما، معمولاً کمتر از اندازه حوزه های مغناطیسی در جامدات است بنابراین یک ذره مثل یک اتم مجزا رفتار می کند که گشتاور مغناطیسی بزرگی دارد. روش های تولید نانو ذرات: به طور کلی واکنش های شیمیایی برای تولید مواد می تواند در هریک از حالت های جامد، مایع وگاز صورت گیرد. روش متداول برای تولید مواد در جامد آن است که با خردکردن ذرات ، سطح تماس آنها افزایش یافته ودر ادامه جهت افزایش میزان نفوذ اتم ها ویون ها ، این مخلوط در دماهای بالا بیشتر می شود. در شیمی اصطلاحاً به موادی که واکنش های شیمیایی با آنها آغاز می شود،واکنشگر و موادی که در طی انجام واکنش واکنشگربه آنها تبدیل می شود ،محصول گویند.واکنشگر ها می تواند جامد،مایع یا گاز باشد.به علاوه واکنشگرها یا خود یک عنصر مستقل هستند یا می توانند به صورت ترکیبات چند جزئی باشند. ترکیبات چند جزیی را معمولاً پیش ساز گویند. روش های بسیاری برای تولید نانو ذرات یا ذرات نانو ساختار توسعه یافته اند که شامل فرایند های حالت بخار، مایع و جامد است. کاربرد های نانوذرات: مصارف روزمره همانطور که در مطالب پيشين مربوط به (نانو تكنولوژي) بيان شد یکی از خواص مهم نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده ازاین خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی را در ابعاد نانومتری تولید نمود.این نانوکاتالیزورها راندمان واکنش های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آنها را افزایش دهد ویا وزن آنها را کم کندومقاومت شیمیایی وحرارتی آنها را بالا ببرد وواکنش انها را در برابر نور وتشعشعات دیگر تغییر دهد.پس اولین کابردی که برای نانو ذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت ها ست. با استفاده از نانو ذرات، نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت.اخیراًدر ساخت شیشه های ضدآفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها عمر آنها را نیز چندین برابر نموده است از نانو ذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگها، لایه های محافظتی جدید وبسیار مقاوم برای شیشه ها وعینک ها(ضدجوش ونشکن) کاشی ها ودر ضد نوشته برای دیوار ها وپوشش های سرامیکی برای افزایش استجکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.قبلاً بحث شد که با کوچک شدن ذرات خواص کلی آنها تغییر می کند. وقتی اندازه ذرات به نانومتر می رسد یکی از خواصی که تحت تاثیر این کوچک شدن اندازه قرار می گیرد تاثیر پذیری از نور وامواج الکترومغناطیسی است با توجه به این موضوع اخیراً چسب هایی از نانو ذرات تولید شده اند که کاربرد های مهمی در اپتوالکتریک وصنایع الکترونیکی دارند ورود نانو ذرات به رنگها یا مواد ساختمانی وزن را کاهش می دهند ودر استفاده از رنگ در هواپیما مصرف سوخت را کاهش می دهد.نانو ذرات نانویی محیط را پاک تر نگه می دارند استفاده از ابزاری که می تواند وضعیت قلب را نشان دهد نانوذرات اکسید تیتانیوم (بی رنگ ) می تواند در کرم های ضد اشعه UV بکار رود.ذراتی مشابه در شیشه آب را دفع می کند و نور خورشید را به کار می برد تا آلودگی را ازبین برد(شیشه های تمیز کننده) در حال حاضر شرکت های زیادی نانو ذرات را به شکل پودر، اسپری وپوشش تولید می کنند که کاربرد های زیادی در قسمت های مختلف اتومومبیل ، راکت های تنیس، عینک های آفتابی ضدخش، پارچه های ضد لک، پنجره های خود تمیز کن وصفحات خورشیدی دارند. درون جنين ميليونها سلول بنيادی وجود دارد که بزرگی همه آنها کمتر از يک نقطه است. اين سلولها از پتانسيل بالايی برخوردار هستند و میتوانند طی فرايند تمايزيابی به سلولهای بافتهای مختلف در بدن تبديل شوند. پتانسيل تقريبا نامحدود اين سلولها آنها را در کانون تحقيقات پزشکی قرار داده است. تصور کنيد که اين سلولها بتوانند حافظه بيمار مبتلا به آلزايمر را به وی برگردانند. پوستی را که در اثر سانحه آسيب ديده جايگزين کنند يا بيمار معلولی را قادر به راه رفتن دوباره کنند! و .... اما پيش از آنکه دانشمندان نحوه استفاده از سلولهای بنيادی را برای مقاصد پزشکی فرا بگيرند بايد دريابند که چگونه میتوانند قدرت اين سلولها را تحت کنترل خود درآورند. آنها بايد نحوه استفاده از سلولهای بنيادی و تبديل آنها به بافتها يا اندامهای خاصی را فرا بگيرند تا بتوانند يک بيمار يا بيماری علاج کنند. در اوايل دهه 1980 ميلادی دانشمندان نحوه قرار گرفتن سلولهای بنيادی جنينی از موش و کشت آنها را در آزمايشگاه فرا گرفتند و در سال 1998 برای اولين بار در سلولهای بنيادی جنينی انسان را در آزمايشگاه توليد کردند. اما اين سوال پيش میآيد که پژوهشگران جنين انسان را از کجا بدست میآورند؟ جنين را میتوان با توليد مثل ، تلفيق اسپرم وتخمک يا شبيه سازی توليد کرد. سلول بنيادی سازنده بدن انسان است. سلولهای بنيادی درون جنين در نهايت به سلول ، بافت و اندامهای مختلف بدن جنين تبديل میشوند. برخلاف يک سلول معمولی که قادر است با تکثير شدن چندين سلول از نوع خود را بوجود آورد سلول بنيادی همه منظوره و بسيار توانمند است و وقتی تقسيم شود، میتواند به هر يک از انواع سلولها در بدن تبديل شود. سلولهای بنيادی از قابليت خود نوسازی هم برخوردارند. سلولهای بنيادی خود بر دو نوع هستند. سلولهای بنيادی جنينی و سلولهای بنيادی بالغ. سلولهای بنيادی جنينی از جنين بدست میآيند. يک جنين 3 تا 5 روزه حاوی سلولهای بنيادی است که به شدت در حال تکثير هستند تا اندامها و بافتهای مختلف جنين را بسازند. افراد بالغ نيز در قلب ، مغز، مغز استخوان ، ريه ها و اندامهای ديگر خود سلولهای بنيادی دارند. اين سلولها مجموعههای درونی مخصوص ترميم هستند و سلولهايی که بر اثر بيماری ، مصدوميت و کهولت سن صدمه میبينند دوباره توليد میکنند. 1. در بازسازی سلولها : از سلولهای بنيادی میتوان برای بازسازی سلولها يا بافتهايی استفاده کرد که بر اثر بيماری يا جراحت صدمه ديدهاند. اين نوع درمان به درمان سلولی معروف است. 2. در توليد اندام کامل : شايد دانشمندان بتوانند حتی يک اندام کامل را در آزمايشگاه پرورش داده و آن را جايگزين اندامی کنند که بر اثر بيماری آسيب ديده است. 3. در درمان بيماريهای قلبي ـ عروقي : با گسترش و توسعه دانش سلولهای بنيادين تحقيقات اخير نشان داده است که سلولهای بنيادين مغز استخوان می توانند سلولهای آسيب ديده قلب در اثر Ischemia را ترميم کرده و باعث بهبود عمل قلب آسيب ديده از انفارکتوس شوند . 4. در درمان بيماريهای خونی : سلولهای بنيادين از مغز استخوان باعث توليد و فراهم کردن کليه سلولهای خونی در گردش خون انسان می شوند . 5. در درمان ديابت : تحقيقات امروزی در مورد احتمال کاربری سلولهای بنيادين جنينی که پيش سـاز سلولهای جزايـر لانگرهانـس و توليدکننده انسولين می باشند متمرکز شده است . 6. در درمان بيماری های سيستم عصبی : تـحـقيـقـات در سـال هـای اخـيـر نـشـان داده اسـت در مـوش آزمايشگاهی که دچار فلج عصبی شده است با تزريق سلولهای بنيادين بهبود نسبی پيدا می کند . 7. در درمان بيماری های پوستی : سلولهای بنيادين پوششی بزرگسالان در بين کراتينوسيتهای غشا پايه پوست ديده می شوند. اين سلولها باعث توليد سلولهای جديد جهت ترميم بافت سطحی پوست می شوند .
ميکروارگانيسمهاي خاک ، شرکت آنها در چرخههاي بيو- ژئوشيميايي است که به گردش برخي عناصر شيميايي در طبيعت کمک کرده و آنها را قابل مصرف ميسازد. ميکروبيولوژيستها در اين زمينه تحقيقات زيادي انجام دادهاند.
تاریخچه علم میکروبیولوژی از سال 1674 هنگامی که آنتوان لوون هوک ، با عدسی شیشهای خود دنیایی از موجودات ریز را در قطره آب برکه مشاهده کرد. در اواخر قرن 17 نظریه تولید خودبخودی مورد بحث قرار گرفت. در این زمان بسیاری از دانشمندان از جمله فرانسیکوردی ، فکر میکردند میکروارگانیسمها از مواد غیر زنده ایجاد شدهاند. در سال 1766 اسپالانزانی نتیجه گرفت که میکروبها از هوای غیرسترون وارد محلولهای غذایی شده و آنها را فاسد میکنند. دو ابرمرد دنیای علم که به کنار گذاشتن نظریه خلقالساعه کمک شایانی کردند شیمیدان فرانسوی به نام پاستور و پزشک انگلیسی به نام تندال بود. در 100 سال گذشته میکروب شناسان موفق به دریافت چند جایزه نوبل شدهاند.
ویروسها ویروسها به علت داشتن خصوصیات خاصی با سایر موجودات زنده تفاوت دارند. یک ذره ویروس دارای مولکول اسید نوکلئیک DNA یا RNA بوده که توسط پوشش پروتئینی یا کپسید احاطه شده است. اسید نوکلئیک ویروس برای تکثیر در درون سلول به آنزیمهای سلول میزبان وابسته است. از تجمع اسید نوکلئیک و قطعات پروتئینی که به تازگی سنتز شدهاند، ذرات کامل ویروسی تشکیل میشود که به محیط خارج سلول رها میگردند. ویروسها بسیار متنوع بوده و از نظر ساختمان ، تشکیلات ژنوم ، بیان ژنوم ، راههای تکثیر و سرایت باهم تفاوت زیادی دارند. ویروسها قادرند باکتریها ، گیاهان و جانوران را آلوده کنند.
پریونها برخی کشفیات قابل توجه در سه دهه گذشته منجر به شناسایی خصوصیات مولکولی و ژنتیکی عاملی قابل انتقال به نام عامل بیماری اسکراپی که نوعی بیماری تخریب کننده سیستم عصبی مرکزی در گوسفندان است، شده است. ساختمان پریونها فقط از پروتئین ساخته شده و فاقد اسید نوکلئیک است. بیماریهای ناشی از پریون در انسان به علت اینکه به صورت بیماریهای ژنتیکی و عفونی بروز میکند کاملا اختصاصی هستند. بررسی بر روی بیولوژی پریونها ، ضرورتی در تحقیقات پزشکی محسوب میشود.
باکتریها باکتریها متنوعترین و مهمترین میکروارگانیسمها هستند. تعداد کمی از آنها در انسان و حیوانات و گیاهان بیماریزا است. بطور کلی بدون فعالیت آنها ، حیات بر روی زمین مختل میگردد. بطور یقین یوکاریوتها از موجودات زنده باکتری مانند بوجود آمدهاند. نظر به اینکه باکتریها ساختمان سادهای داشته و میتوان به آسانی بسیاری از آنها را در شرایط آزمایشگاه کشت داد و تحت کنترل درآورد، میکروب شناسان مطالعه وسیعی درباره فرایندهای حیاتی آنها انجام دادهاند. درباره نحوه رشد و مرگ باکتریها ، متابولیسم باکتریها ، ژنتیک باکتریها ، ارتباط آنها با ویروسها و ... مطالعات گستردهای صورت گرفته است.
قارچها قارچها دسته جداگانهای از یوکاریوتها را تشکیل میدهند. این دسته از میکروارگانیسمها همگی هتروتروف بوده و برای رشد و تکثیر به ترکیبات آلی جهت اخذ انرژی و کربن نیاز دارند. قارچها هوازی و یا بیهوازی اختیاری هستند. اکثر قارچها ساپروفیت بوده و در خاک و آب به سر میبرند و در این نواحی ، بقایای گیاهی و جانوری را تجزیه مینمایند. قارچها مانند باکتریها در تجزیه مواد و گردش عناصر در طبیعت دخالت داشته و حائز اهمیت هستند. علم مطالعه قارچهای انگل برای انسان را قارچ شناسی پزشکی گویند. که این انگلها بیماریهای زیادی را بوجود میآورند.
پروتوزوئرها پروتوزوئرها جانداران یوکاریوتیک تک سلولی هستند که به قلمرو آغازیان تعلق دارند. پروتوزوئرها از نظر ساختمان تفاوت بسیاری با یکدیگر دارند. این دسته از جانداران ساکن آب و خاک بوده و از ذرات مواد غذایی و باکتریها تغذیه میکنند. عدهای از آنها بخشی از فلور طبیعی بدن جانداران را تشکیل میدهند. مطالعات این جانداران در محدوده علم میکروبیولوژی قرار دارد.
میکروبیولوژی خاک خاک یکی از مخازن عمده میکروارگانیسمها محسوب میشود. فراوانترین میکروارگانیسمها در خاک ، باکتریها هستند. خاک باغچه در هر گرم محتوی میلیونها باکتری است. در جاهای عمیق تعداد آنها کاهش مییابد. قارچها به تعداد کمتر از باکتریها در خاک یافت میشوند. شاید مهمترین نقش میکروارگانیسمهای خاک ، شرکت آنها در چرخههای بیو- ژئوشیمیایی است که به گردش برخی عناصر شیمیایی در طبیعت کمک کرده و آنها را قابل مصرف میسازد. میکروبیولوژیستها در این زمینه تحقیقات زیادی انجام دادهاند.
میکروبیولوژی آب در میکروبیولوژی آب ، میکروارگانیسمها و فعالیت آنها در آبهای طبیعی نظیر دریاچهها ، برکهها ، رودخانهها و دریاها مورد مطالعه قرار میگیرد. و میکروارگانیسمهای مفید و مضر برای انسان و سایر جانداران شناسایی میشوند.
میکروبیولوژی مواد غذایی میکروارگانیسمها تغییرات مطلوب و نامطلوب در مواد غذایی پدید میآورند. و از طرف دیگر تهیه بسیاری از فرآوردههای غذایی بدون کمک میکروارگانیسمها ، امکانپذیر نیست. مانند کلم شور ، زیتون رسیده و پنیر. اسیدهای حاصل توسط میکروارگانیسمها و اضافه کردن آنها به مواد غذیی مانند خیار شور آنها را از گزند میکروارگانیسمهای نامطلوب حفظ میکند. این بخش از میکروبیولوژی ، امروزه کاربرد زیادی دارد.
عوامل ضد میکروبی مواد دارویی موادی هستند که برای درمان بیماریهای عفونی یا جلوگیری از وقوع بیماری بکار میروند . این مواد معمولا از باکتریها و قارچها بدست میآیند و اخیرا برخی از آنها را در کارخانجات میسازند. از مواد شیمیایی هنگامی میتوان برای درمان بیماریهای عفونی استفاده کرد که دارای اثر سمی انتخابی باشند. یعنی ضمن متوقف کردن رشد یا نابودی عامل مولد بیماری ، به سلول میزبان آسیبی نرسانند. علاوه بر سمیت انتخابی ، داروها باید بتوانند به داخل بافتها و سلولهای میزبان نفوذ کننده و تغییری در مکانیزم دفاعی طبیعی میزبان بوجود نیاورند. از عوامل ضد میکروبی میتوان به آنتی بیوتیکها اشاره کرد.
ارتباط میکروبیولوژی با سایر علوم میکروبیولوژی یک علم کاربردی است که با بسیاری از شاخههای علوم رابطه نزدیک دارد. از جمله میتوان به ژنتیک ، پزشکی ، زیست شناسی سلولی ، انگل شناسی ، قارچ شناسی پزشکی و بیوشیمی اشاره کرد
