Mikrobiologia lekarska. Tom 1 - ebook

AUTORZY TOM 1–2

prof. dr hab. n. med. Ewa Augustynowicz-Kopeć

Zakład Mikrobiologii, Krajowe Referencyjne Laboratorium Prątka, Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie

prof. dr hab. Małgorzata Bała

Zakład Higieny i Dietetyki, Katedra Epidemiologii i Medycyny Zapobiegawczej, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr n. med. i dr n. o zdr. Anna Bielecka-Oder

Departament Bezpieczeństwa, Ministerstwo Zdrowia

prof. dr hab. n. wet. Marian Binek

Pracownik emerytowany, Katedra Nauk Przedklinicznych, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

prof. dr hab. n. med. Monika Brzychczy-Włoch

Zakład Molekularnej Mikrobiologii Medycznej, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Małgorzata Bulanda

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr hab. n. med. Agnieszka Chmielarczyk

Zakład Bakteriologii, Ekologii Drobnoustrojów i Parazytologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr n. med. Marta Ciszek-Lenda

Zakład Immunologii, Katedra Immunologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr n. med. Artur Drzewiecki

Szpital Uniwersytecki w Krakowie

dr hab. n. med. Tomasz Dzieciątkowski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

prof. dr hab. n. med. Katarzyna Dzierżanowska-Fangrat

Zakład Mikrobiologii i Immunologii Klinicznej, Instytut „Pomnik-Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie

dr n. med. Małgorzata Fleischer

Katedra i Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

prof. dr hab. n. med. Stefania Giedrys-Kalemba

Pracownik emerytowany, Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

dr n. med. Edyta Golińska

Zakład Bakteriologii, Ekologii Drobnoustrojów i Parazytologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Tomasz Gosiewski

Zakład Molekularnej Mikrobiologii Medycznej, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr. hab. n. med. Eugenia Gospodarek-Komkowska

Katedra Mikrobiologii, Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu; Zakład Mikrobiologii Klinicznej, Szpital Uniwersytecki nr 1 im. dr. Antoniego Jurasza w Bydgoszczy

prof. dr hab. med. Piotr B. Heczko

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. Elżbieta Katarzyna Jagusztyn-Krynicka

Zakład Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Warszawski Uniwersytet Medyczny

dr n. med. Piotr Kochan

Redaktor naczelny, World Journal of Medical Images, Videos and Cases,

European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases Fellow

dr n. med. Janusz Kocik, prof. CMKP

Zakład Epidemiologii Chorób Zakaźnych i Nowotworowych, Centrum Medyczne Kształcenia Podyplomowego w Warszawie

prof. dr hab. Magdalena Kosz-Vnenchak

Pracownik emerytowany, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr n. med. Paweł Krzyściak

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Ph.d. Paweł Łaniewski

Department of Basic Medical Sciences, College of Medicine – Phoenix, University of Arizona

prof. dr hab. n. med. Anna B. Macura

Pracownik emerytowany, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Gajane Martirosian

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

dr n. biol. Marcin Niemcewicz

Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii w Warszawie

dr hab. n. med. Małgorzata Paul

Katedra i Klinika Chorób Tropikalnych i Pasożytniczych, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr n. biol. Agata Pietrzyk

Zakład Bakteriologii, Ekologii Drobnoustrojów i Parazytologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Anna Przondo-Mordarska

Pracownik emerytowany, Katedra i Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we Wrocławiu

dr hab. n. med. Maciej Przybylski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

dr n. med. Dorota Romaniszyn

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr hab. n. o zdr. Magdalena Rosińska, prof. NIZP PZH – PIB

Zakład Epidemiologii Chorób Zakaźnych i Nadzoru, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego PZH – Państwowy Instytut Badawczy w Warszawie

prof. dr hab. n. biol. Barbara Różalska

Pracownik emerytowany, Katedra Immunologii i Biologii Infekcyjnej, Instytut Mikrobiologii, Biotechnologii i Immunologii, Uniwersytet Łódzki

dr hab. n. med. Anna Różańska

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr hab. Beata Sadowska, prof. UŁ

Katedra Immunologii i Biologii Infekcyjnej, Instytut Mikrobiologii, Biotechnologii i Immunologii, Uniwersytet Łódzki

dr n. med. Dominika Salamon

Zakład Molekularnej Mikrobiologii Medycznej, Katedra Mikrobiologii,

Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

dr n. med. Magdalena Skóra

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. Magdalena Strus

Zakład Bakteriologii, Ekologii Drobnoustrojów i Parazytologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Hanna Stypułkowska-Misiurewicz

Pracownik emerytowany, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny w Warszawie

dr hab. n. med. Sława Szostek

Zakład Molekularnej Mikrobiologii Medycznej, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Jadwiga Wójkowska-Mach

Zakład Kontroli Zakażeń i Mykologii, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Marta Wróblewska

Zakład Mikrobiologii Stomatologicznej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

dr n. med. Anna Zabost

Zakład Mikrobiologii, Krajowe Referencyjne Laboratorium Prątka, Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie

dr hab. n. med. Barbara Zawilińska

Zakład Molekularnej Mikrobiologii Medycznej, Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w KrakowiePRZEDMOWA

Szanowni Czytelnicy!

Z wielką przyjemnością przekazujemy w Państwa ręce nowoczesny dwutomowy podręcznik zawierający najnowszą wiedzę z zakresu mikrobiologii medycznej, pracę zbiorową wielu najwybitniejszych polskich Autorów.

W ostatnim dziesięcioleciu nastąpił znaczący rozwój w dziedzinie mikrobiologii. Dokonano zmian w zakresie taksonomii i klasyfikacji drobnoustrojów, pojawiły się nowe możliwości wykrywania mikroorganizmów chorobotwórczych i nowe koncepcje w zakresie patomechanizmów zakażeń, opisano nowe, nieznane wcześniej drobnoustroje powodujące schorzenia infekcyjne u ludzi. Zmiany te dotyczyły praktycznie wszystkich działów mikrobiologii medycznej, tym nie mniej szczególnie wiele z nich nastąpiło w zakresie wirusologii i mykologii.

W podręczniku zawarte są treści dotyczące szczegółowego opisu poszczególnych drobnoustrojów, zagadnienia z zakresu wiedzy podstawowej, w tym historii rozwoju mikrobiologii wraz z jej najwybitniejszymi postaciami oraz ogólne wiadomości z zakresu epidemiologii i immunologii infekcyjnej, zdrowia publicznego, a także rozdziały poświęcone najnowszym osiągnięciom naukowym, oparte na aktualnym piśmiennictwie ogólnoświatowym, jak np. rozdział poświęcony zagadnieniom mikrobiomu człowieka.

Pragniemy zwrócić Państwa uwagę także na teksty poświęcone diagnostyce mikrobiologicznej w bakteriologii, wirusologii, mykologii i parazytologii oraz napisanemu – w bardzo przystępny sposób – rozdziałowi z zakresu farmakoterapii zakażeń, a także rozdziałowi szeroko omawiającemu ciągle aktualny i bardzo ważny w polskim lecznictwie problem zakażeń związanych z opieką zdrowotną. Ostatnie strony tego obszernego podręcznika stanowią część kliniczną omawiającą najistotniejsze choroby infekcyjne występujące w Polsce.

Książka jest adresowana przede wszystkim do studentów kierunków medycznych i zawiera wszystkie treści niezbędne do nabycia wiedzy wymaganej od przyszłych medyków. Ważnymi odbiorcami podręcznika są także diagności laboratoryjni i lekarze odbywający specjalizację zarówno z mikrobiologii medycznej, jak i mikrobiologii lekarskiej. Dlatego treści zawarte w tym wydaniu posiadają wiele bardzo praktycznych informacji, koniecznych do wykorzystania i wprowadzania w nowoczesnej diagnostyce mikrobiologicznej.

Chciałybyśmy wyrazić naszą głęboką wdzięczność wszystkim Autorom za ich ogromny trud włożony w przygotowanie podręcznika oraz całemu zespołowi redaktorów Wydawnictwa Naukowego PWN zaangażowanemu w opracowanie i wydanie książki. Głęboko wierzymy, że podręcznik zostanie dobrze przyjęty i stanie się lubianą i pomocną pozycją dla wszystkich jego Czytelników.

Małgorzata Bulanda

Agata Pietrzyk

Marta Wróblewska1
HISTORIA MIKROBIOLOGII
MARIAN BINEK

Mikrobiologia, jako dyscyplina naukowa, powstała stosunkowo późno. Liczy sobie około 150 lat. Za datę jej narodzin można przyjąć początek drugiej połowy XIX wieku (tab. 1.1), kiedy to za pomocą naukowych metod udało się rozwiązać fundamentalne dla tej dyscypliny kwestie – Louis Pasteur obalił teorię samorództwa (1861 rok), a Robert Koch udowodnił bakteryjną etiologię chorób zakaźnych.

W 1884 roku Friedrich Loeffler opublikował zasady, zgodnie z którymi można wykazać etiologiczny związek pomiędzy drobnoustrojem i chorobą, znane jako postulaty Kocha. Do ojców bakteriologii należy również zaliczyć Ferdinanda Juliusa Cohna, niemieckiego botanika i bakteriologa, pracującego na uniwersytecie we Wrocławiu. W 1875 roku jako pierwszy dokonał on klasyfikacji bakterii (zakwalifikował je do rzędu _Schizomycetes_), uznawanych wówczas za rośliny, zgodnie z zasadami ustanowionymi przez Karola Linneusza. Cohn stworzył w ten sposób formalne podstawy do uznania bakteriologii za dyscyplinę naukową.

Mykologia medyczna rozwijała się wolniej. Znaczącą dla niej datą było wprowadzenie w 1910 roku przez Raymonda Sabourauda przydatnego do izolacji i hodowli chorobotwórczych grzybów podłoża.

Za narodziny wirusologii uważa się odkrycie przez Dmitrija Iwanowskiego w 1892 roku przesączalnych czynników odpowiedzialnych za chorobę mozaikową tytoniu. Koncepcję wirusa, a jednocześnie doktrynę wirusologii, przedstawił Martinus Beijerinck. Wykazał on, że wirus jest związany z komórką gospodarza i wymaga żywych komórek do namnażania się.

Pojęcie prionu (_Proteinaceous infectious particle_, białkowa cząsteczka zakaźna) wprowadził Stanley Prusiner w 1981 roku. Rozszerzył tym samym listę czynników zakaźnych o cząsteczki białka, stanowiące czynniki etiologiczne, m.in. choroby kuru, choroby Creutzfeldta-Jakoba (_Creutzfeldt-Jakob disease_, CJD), encefalopatii gąbczastej bydła (_bovine spongiform encephalopathy_, BSE) i scrapie.

Współczesna mikrobiologia to era badań molekularnych – genomiki, której przedmiotem zainteresowania jest porównawcza analiza genów różnych organizmów, oraz proteomiki, zajmującej się oceną ekspresji białek w komórkach.

TABELA 1.1.

Ważniejsze odkrycia z początków mikrobiologii ogólnej i medycznej

----------- --------------------------------- ------------------------------------------------
Rok Badacz(e) Odkrycie
1798 Edward Jenner Szczepienia przeciwko ospie prawdziwej
1867 Joseph Lister Zasady antyseptyki w chirurgii
1876 Ferdinand Cohn Odkrycie endospor
1882 Ilia Miecznikow Zjawisko fagocytozy
1884 Hans Christian Gram Barwienie metodą Grama
1889/1890 Sergei Winogradsky Chemolitotrofizm
1889/1901 Martinus Beijerinck Koncepcja wirusa/podłoża wzbogacone
1908 Paul Ehrlich Chemioterapia, czynnik chemioterapeutyczny
1911 Francis Rous Odkrycie wirusa onkogennego
1915/1917 Frederick Twort/Félix d’Hérelle Odkrycie wirusów bakterii (bakteriofagii)
1928 Frederick Griffith Odkrycie transformacji u pneumokoków
1928 Aleksander Fleming Odkrycie penicyliny
1935 Gerhard Domagk Odkrycie sulfonamidów jako środków leczniczych
1935 Wendell Stanley Krystalizacja wirusa mozaiki tytoniowej
----------- --------------------------------- ------------------------------------------------

1.1.
Mikrobiologia XIX i początku XX wieku zdominowana przez mikrobiologię medyczną

Mikroorganizmy jako submikroskopowe formy życia znane były już wcześniej, między innymi dzięki badaniom Anglika Roberta Hooke’a, który obserwował w powiększeniu komórki roślin i zobaczył również strzępki grzybów pleśniowych. Wykonany przez niego rysunek został opublikowany w _Micrographia_ w 1655 roku. Mikroskop, którego używał Hooke, nie pozwalał na dostrzeżenie bakterii. Te, jako tzw. małe zwierzęta (_little animalcules_), zobaczył Holender Anton van Leeuwenhoek przez skonstruowany własnoręcznie mikroskop dający powiększenie od 30 do 266 razy. Swoje obserwacje w 1676 roku przesłał do Towarzystwa Królewskiego w Londynie. Jego publikacja została zamieszczona w _Philosophical Transactions_. Kilka lat później zaobserwował organizmy w osadzie na zębach. Doniesienie to wraz z rysunkami odpowiadającymi dzisiejszym znanym formom morfologicznym bakterii zostało opublikowane w 1684 roku. Leeuwenhoekowi nauka zawdzięcza również pierwszy opis pasożytniczych pierwotniaków, znanych współcześnie jako _Giardia duodenalis_, które wykrył we własnym kale.

Odkrycia submikroskopowych form życia nie przełożyły się jednak na sposób myślenia ludzi i zmianę poglądów na temat udziału mikroorganizmów w wywoływaniu chorób, które, jak sądzono, biorą się z oddziaływania szkodliwych wyziewów czy morowego powietrza. Próby udowodnienia, że tak nie jest, zostały podjęte przez Francesco Rediego, który wykazał, że larwy much nie powstają w mięsie zabezpieczonym od środowiska zewnętrznego przez zamknięcie w słoju, a także później przez Lazarro Spallanzaniego, który udowodnił, że w przegotowanym bulionie zatopionym w szklanym pojemniku nie rosną mikroorganizmy. Nie zmieniło to jednak istniejących przekonań. W dalszym ciągu sądzono, że mikroorganizmy ze względu na niewielkie rozmiary muszą być niezwykle prostymi strukturami. Takie natomiast powstają spontanicznie. Opublikowanie w 1858 roku przez Félixa Poucheta pracy na temat spontanicznego powstawania protoorganizmów w odżywczym powietrzu i tlenie skłoniło Francuską Akademię Nauk do zaoferowania nagrody dla tego, kto ostatecznie wyjaśni wszystkie kontrowersje związane z samoistnym powstawaniem mikroorganizmów. Wyzwanie podjął Louis Pasteur. Wzorując się na doświadczeniu przeprowadzonym przez Theodora Schwanna (wykazał w 1837 roku, że podgrzane, a następnie oziębione powietrze nie zakaża przegotowanego bulionu), przeprowadził swoje badania. Zastosował kolby do przetrzymywania bulionu z tzw. zakończeniem w formie łabędziej szyi, w których pożywka była podgrzewana do zagotowania się, a po ochłodzeniu powietrze mogło ponownie płynąć do wnętrza kolby. Wygięcie szyjki zapobiegało wnikaniu cząstek materii zanieczyszczonych drobnoustrojami. Zagotowana zawartość kolby tego typu pozostawała jałowa dopóty, dopóki wygięcie szyjki nie zetknęło się z zawartym w kolbie płynem. Pasteur udowodnił w ten sposób, że mikroorganizmy nie powstają samoistnie nawet przy dostępie powietrza, którego brak był koronnym argumentem przeciwników Spallanzaniego, tłumaczących, że do rozwoju mikroorganizmów jest ono niezbędne. Wyniki swojej pracy opublikował w 1861 roku, uznawanym za datę obalenia teorii samorództwa, i otrzymał nagrodę Akademii.

Wykrycie przez Ferdinanda Cohna (w 1877 roku opublikował pracę na temat pałeczkowatych bakterii wytwarzających formy przetrwałe) i Johna Tyndalla (w 1877 roku przedstawił przed Towarzystwem Królewskim w Londynie pracę na temat sterylizacji) ciepłoopornych form przetrwałych bakterii ostatecznie wyeliminowało argumenty zwolenników samorództwa.

Odkrycie mikroorganizmów i wykazanie przez Pasteura ich obecności w powietrzu nie było równoznaczne z powiązaniem bakterii z chorobami. W XIX wieku oficjalnie obowiązywały poglądy upowszechniane przez anatomopatologów, m.in. Rudolfa Virchowa, zgodnie z którymi do powstania choroby dochodziło w wyniku zaburzenia wewnętrznej struktury i funkcji ciała. Istniała pewna świadomość co do tego, że zakażenie może być spowodowane przez cząstki organiczne, jednak natura tego zjawiska była nieznana. Wykazanie w końcu lat 30. XIX wieku przez Schwanna i Charlesa Cagniarda de Latour, że procesy fermentacji i gnicia substancji organicznej spowodowane są obecnością zorganizowanych „małych stworzeń”, nasunęło skojarzenie, że być może podobnie dzieje się w przypadku choroby, która niejednokrotnie charakteryzuje się rozkładem tkanek, a więc również może zachodzić pod wpływem żywych czynników. Idea taka nie była obca Jacobowi Henlemu, który, mimo że wywodził się ze szkoły Virchowa, widział potrzebę eksperymentalnego wyjaśnienia tych wątpliwości. W 1865 roku Pasteur na podstawie wykonanych przez siebie doświadczeń wysunął sugestię, że choroba musi brać się z powietrza.

Ostatecznych dowodów na powiązanie zakażenia z chorobą dostarczył Robert Koch. Jako lekarz powiatowy w Wolsztynie, dysponując mikroskopem, oglądał preparaty z krwi i narządów wewnętrznych owiec padłych z powodu choroby znanej współcześnie jako wąglik. Stwierdził w nich wydłużone ciałka (laseczki _Bacillus anthracis_) (tab. 1.2).

Znając idee Henlego, którego poznał jako profesora w czasie studiów medycznych na Uniwersytecie w Getyndze, podjął próbę wywołania choroby z wykorzystaniem zaobserwowanych ciałek. W prowizorycznym przydomowym laboratorium wstrzykiwał krew chorych na wąglik owiec i bydła dzikim myszom złapanym w stodole. Odkrył, że u myszy występowały podobne objawy i zmiany sekcyjne, jak u zwierząt gospodarskich. Bakterie wyizolował na pożywce z cieczy wodnistej przedniej komory oka bydła. Zaobserwował splątane nici bakterii i wytwarzanie przez nie spor. Po zakażeniu uzyskaną kulturą bakterii kolejnych myszy następnego dnia stwierdził u nich charakterystyczne symptomy wąglika i wykrył bakterie we krwi. W ten sposób Koch zamknął pewien cykl badań, zgodnie z którym wymagania postawione przez Henlego w celu zdefiniowania przyczyny choroby zakaźnej zostały spełnione. Udowodnił, że specyficzne bakterie wywołują specyficzne i charakterystyczne zakażenia.

Prace nad chorobami zakaźnymi i zakażeniami ran u żołnierzy podczas wojny prusko--francuskiej (1870–1871) przyniosły Kochowi uznanie świata naukowego i w 1880 roku stanowisko dyrektora laboratorium bakteriologicznego w Cesarskim Instytucie Zdrowia w Berlinie. Rozwijał tam metody badań bakteriologicznych i przeprowadzał doświadczenia nad plagą tamtych czasów – gruźlicą (nazywaną białą plagą), a także błonicą i durem brzusznym. Tezę o specyficznym związku między drobnoustrojem i wywoływaną przez niego chorobą potwierdził w badaniach nad gruźlicą. Koch izolował prątki na ściętej termicznie surowicy bydlęcej lub owczej i zakażał nimi świnki morskie, u których dochodziło do rozwoju gruźlicy. Wyniki pracy nad etiologią gruźlicy przedstawił 24 marca 1882 roku (stąd 24 marca jest światowym dniem gruźlicy) w Berlińskim Towarzystwie Fizjologicznym, ogłaszając jednocześnie nową koncepcję przyczyny choroby na podstawie postulatów Kocha i Henlego. Koch nie został zaproszony do przedstawienia wykładu w bardziej prestiżowym Berlińskim Towarzystwie Lekarskim, zdominowanym przez Virchowa, zwolennika teorii powstawania choroby z powodu nieprawidłowej czynności własnych komórek. Formalnie postulaty zostały opublikowane w 1884 roku przez Friedricha Loefflera, współpracownika Kocha, w odniesieniu do błonicy, z powołaniem się na zasady ustanowione przez Kocha.

TABELA 1.2.

Gatunki bakterii chorobotwórczych ważne dla człowieka i zwierząt odkryte w latach 1877–1898

------ -------------------- ------------------------------ -----------------------------------------------
Rok Odkrywca Bakterie Choroba
1877 Robert Koch _Bacillus anthracis_ Wąglik
1879 Albert Neisser _Neisseria gonorrhoeae_ Rzeżączka
1881 Aleksander Ogston _Staphylococcus aureus_ Ropne zakażenia
1882 Robert Koch _Mycobacterium tuberculosis_ Gruźlica
1884 Arthur Nicolaier _Clostridium tetani_ Tężec
1884 Robert Koch _Vibrio cholerae_ Cholera
1884 Georg Gaffky _Salmonella_ Typhi Dur brzuszny
1887 David Bruce _Brucella melitensis_ Bruceloza (gorączka maltańska)
1888 August Gärtner _Salmonella_ Enteritidis Toksykoinfekcje pokarmowe (_gastroenteritis_)
1892 William Welch _Clostridium perfringens_ Zgorzel gazowa
1894 Alexandre Yersin _Yersinia pestis_ Dżuma
1897 Emile van Ermengem _Clostridium botulinum_ Botulizm
1898 Kiyoshi Shiga _Shigella dysenteriae_ Dyzenteria (czerwonka)
------ -------------------- ------------------------------ -----------------------------------------------

We współczesnej formie postulaty Kocha można przedstawić w sposób następujący:

• Mikroorganizm występuje u wszystkich chorych osobników i jest odpowiedzialny za obserwowane zmiany chorobowe i objawy kliniczne.

• Mikroorganizm nie bierze udziału w wywoływaniu innej choroby i nie stwierdza się go jako czynnika przypadkowego lub niechorobotwórczego.

• Mikroorganizm po wyizolowaniu od chorego i pasażowaniu w czystej kulturze jest zdolny do wywołania identycznej choroby u innego osobnika.

Z czasem dodano jeszcze jeden warunek, że ten sam drobnoustrój powinien móc zostać ponownie wyizolowany od doświadczalnie zakażonego osobnika, co wynika z logicznych następstw wcześniejszych założeń. Sam Koch nie widział potrzeby podkreślania w szczególny sposób tego warunku.

Ustanowione przez Kocha postulaty były kamieniem milowym w mikrobiologii medycznej, ponieważ dzięki nim poza wszelką wątpliwością można było udowodnić, że poszczególne drobnoustroje stanowią przyczynę choroby zakaźnej. Równocześnie wpłynęły niestety na utrwalenie się w medycynie schematycznego i prostego myślenia o chorobie jako wyniku oddziaływania jednego szczególnego czynnika (tzw. jednoczynnikowa koncepcja choroby).

Jeszcze za życia Kocha zaczęły pojawiać się wątpliwości, czy w oparciu o te postulaty zawsze można wyjaśnić przyczynę choroby. Wynikały one m.in. z badań nad cholerą. Choroba ta endemicznie występowała w Indiach i podejrzewano jej bakteryjną etiologię. Gdy w 1883 roku zaatakowała Egipt, pojawiła się obawa, że może dotrzeć do Europy. Rządy europejskie wysłały do Afryki najlepszych badaczy. Prusy – Roberta Kocha, Georga Gaffky’ego i Bernharda Fische’a. Dzięki zastosowaniu podłoży stałych dość szybko wyizolowali oni w czystej kulturze _Vibrio cholerae_ ze środowiska i próbek od pacjentów. Przecinkowce spełniały pierwszy i drugi postulat Kocha. Trzeci został wypełniony przez przypadek, kiedy lekarz z ekipy francuskiej połknął bakterie i doszło u niego do rozwoju choroby. Zwierzęcy model (świnka morska) został odkryty po powrocie Kocha do Berlina w czasie wybuchu epidemii cholery w Europie w 1884 roku. Okazało się jednak, że _Vibrio cholerae_ obecne są również u osobników zdrowych (nosicielstwo), co stało w sprzeczności z wynikającym z 2. postulatu specyficznym związkiem między drobnoustrojem i chorobą.

Trudności napotkano także w odniesieniu do _Plasmodium falciparum_, czynnika etiologicznego malarii, nad którą również pracował Koch (uznawany jest również za ojca medycyny tropikalnej). Nie udawało się go bowiem wyizolować _in vitro_. Koch miał świadomość pewnych ograniczeń w wykazaniu etiologicznej roli określonego czynnika wynikających z postulatów i uważał, że jeżeli dwa pierwsze z nich są spełnione, to związek przyczynowy między czynnikiem a chorobą można jednak udowodnić.

Współczesne prace nad _Vibrio cholerae_ i odkrycie środowiskowego rezerwuaru tych bakterii w śluzowej otoczce niebieskozielonych alg, a także wpływu na ich namnażanie się temperatury wód oceanicznych i zmian klimatycznych, pozwoliły na opracowanie biokompleksowego modelu ryzyka wystąpienia cholery. Uwzględnia on molekularne podłoże chorobotwórczości bakterii, ale również wiąże wystąpienie choroby z socjalno-bytowymi uwarunkowaniami ludzi i zmianami klimatycznymi. Późniejsze odkrycie biofilmów uświadomiło badaczom rolę w tym procesie konsorcjów drobnoustrojów czy polimikrobiologicznych kompleksów, będących swego rodzaju prototkankami, które w takiej formie uorganizowania uczestniczą w procesach patofizjologicznych. Nie zawsze przy takiej formie organizacji drobnoustrojów daje się zauważyć związki przyczynowe pomiędzy jednym gatunkiem bakterii i zakażeniem obejmującym jedną specyficzną tkankę.

Niezależnie od współczesnego spojrzenia na postulaty Kocha jego prace nad chorobami zakaźnymi (zasady higieny, oczyszczanie wody podczas epidemii cholery w Hamburgu w 1892 roku itp.) odnoszące się do populacji dały początek epidemiologii chorób zakaźnych i rozwojowi metod im zapobiegania.

W czasach, gdy rodziła się mikrobiologia, na mapie Europy nie było Polski, nie było państwa, które stwarzałoby instytucjonalne ramy do rozwoju kultury, oświaty i nauki. Ośrodki naukowe w Warszawie i Wilnie podlegały represjom. Nieco lepiej funkcjonowały Uniwersytet Jagielloński i Uniwersytet Lwowski. Do wybitnych Polaków, twórców mikrobiologii lekarskiej na ziemiach polskich, należy zaliczyć Odo Bujwida, który po ukończeniu studiów lekarskich na Uniwersytecie Warszawskim odbył staże naukowe w Berlińskim Instytucie Higieny u Roberta Kocha i w Instytucie Pasteura w Paryżu. Zdobytą wiedzę i doświadczenie wykorzystał do stworzenia pracowni bakteriologicznych w Polsce. Powołał filie Instytutu Pasteura w Warszawie i Krakowie. Podjął badania nad chorobotwórczymi mikroorganizmami i wywoływanymi przez nie chorobami (m.in. nad gruźlicą, wścieklizną, promienicą) oraz zainicjował szczepienia. Wytworzył również surowice odpornościowe, m.in. przeciwko błonicy, tężcowi, czerwonce i przeciwko różycy dla potrzeb weterynarii. Wychował wielu lekarzy i mikrobiologów kontynuujących badania mikrobiologiczne. Jednym z nich był Julian Nowak. Specjalizował się w bakteriologii i po odbyciu stażu w Instytucie Pasteura w Paryżu objął Katedrę Weterynarii na Uniwersytecie Jagiellońskim (1899 rok). Zajmował się bakteriologią lekarską i weterynaryjną. Jest odkrywcą mykoplazm i jednym z nielicznych polskich mikrobiologów cytowanym przez „Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology”.

Do światowej elity polskich mikrobiologów należy zaliczyć również Ludwika Hirszfelda, odkrywcę pałeczki duru rzekomego C (_Salmonella paratyphi C_ – _Salmonella hirschfeldi_) i odczynu serodiagnostycznego (tzw. koaguloreakcji) wykorzystywanego do diagnozowania kiły.

1.2.
Dyscypliny towarzyszące mikrobiologii medycznej

W czasach, w których rodziła się mikrobiologia, powstawało również wiele innych dyscyplin, wtedy wyraźnie z niej niewyodrębnionych, a obecnie mających status niezależnych nauk, np. wakcynologia, immunologia, antyseptyka czy chemioterapia.

1.2.1.
Wakcynologia

Za moment narodzin wakcynologii można uznać wprowadzenie szczepień przeciwko ospie (wywołanej przez wirusa ospy prawdziwej) u ludzi za pomocą inokulacji materiałem pochodzącym ze zmian od krów chorych na ospę bydlęcą (wywoływaną przez wirusa krowianki). Ospa była straszną chorobą, atakującą ludzi od tysiącleci. Charakteryzowała się 40% śmiertelnością i prowadziła do potwornych oszpeceń poprzez pozostawianie blizn i zniekształceń na całym ciele u pacjentów, którzy chorobę przeżyli. Jeszcze w starożytnych Chinach zauważono, że osoby, które łagodnie przechorowały ospę, np. miały tylko kilka krost, stawały się odporne na nowe zakażenia. W Azji, a od XVII wieku również w Europie, spostrzeżenie to wykorzystywano do wywoływania łagodnej formy ospy, specjalnie zakażając strupami pobranymi od chorych dotychczas niechorujących w celu wytworzenia odporności. Nie zawsze się to jednak udawało i prowadziło czasem do ostrej formy choroby.

Edward Jenner jako młody chłopiec żyjący na angielskiej wsi słyszał od dojarki, że nie musi się ona obawiać ospy, ponieważ ma ospę bydlęcą. Choroba ta manifestowała się u ludzi drobną, niegroźną wysypką na rękach, jednakże chroniła przed zachorowaniem na ospę prawdziwą. Już jako praktykujący na wsi lekarz usłyszał, że jeżeli chce mieć żonę nieoszpeconą przez ospę, powinien ożenić się z dojarką. Gdy w 1788 roku ospa pojawiła się w Anglii, Jenner wykorzystał zasłyszane opowieści do eksperymentowania na ludziach. Wykonał inokulację miejscowego chłopca materiałem pobranym z rąk dojarki, a po 8 tygodniach materiałem pobranym od osoby chorej na ospę prawdziwą. Chłopiec okazał się odporny na zakażenie, a Jenner w 1798 roku zaprezentował swoje badania Towarzystwu Królewskiemu. W 1803 roku szczepienia przeciwko ospie prawdziwej z wykorzystaniem materiału pobranego od krów wprowadzono w całej Anglii. Wkrótce Benjamin Franklin rozpowszechnił je również w Stanach Zjednoczonych. Inokulację materiałem powodującym powstawanie odporności nazwano wakcynacją, od łacińskiego _vacca_, czyli krowa.

Znaczący wpływ na rozwój wakcynologii miał w późniejszym okresie Pasteur. Podczas badań nad cholerą u drobiu (wywoływaną przez _Pasteurella multocida_) zauważył, że gdy zwierzętom podaje się osłabiony drobnoustrój (forma awirulentna), nie dochodzi do zakażenia, natomiast uzyskuje się dobrą odporność na ponowne zakażenie szczepem zjadliwym. Zdobyte doświadczenia wykorzystał w pracach nad szczepionkami przeciwko wściekliźnie i wąglikowi. W 1885 roku zastosował po raz pierwszy szczepionkę (homogenat mózgu królika zakażonego wścieklizną, inaktywowany formaliną) przeciwko wściekliźnie u 9-letniego chłopca pogryzionego przez wściekłego psa, zapoczątkowując w ten sposób erę immunizacji.

W 1882 roku Rosjanin Ilia Miecznikow dokonał pierwszych obserwacji związanych z odpornością komórkową i wprowadził termin fagocytoza, a w 1891 roku Paul Ehrlich zróżnicował odporność na bierną i czynną.

Emil von Behring i Shibasaburo Kitasato wykryli, że króliki uodparniane inaktywowaną toksyną tężcową wykazują odporność na tężec. Co więcej, surowica takich zwierząt podana innym zwierzętom, np. myszom, również chroni je przed chorobą. Surowica zawierała więc antytoksynę i można było przenieść odporność w sposób bierny. Podobne badania von Behring (1890 rok). przeprowadził z toksyną błoniczą, która w formie toksoidu (zneutralizowana toksyna) służyła do uodporniania ludzi przeciwko błonicy. Léon Calmette i Camillie Guérin po kilkunastu latach pracy nad atenuacją prątków bydlęcych wynaleźli w 1921 roku pierwszą szczepionkę BCG (_Bacillus Calmette-Guérin_) przeciwko gruźlicy.

Znaczące osiągnięcia w światowej wakcynologii mieli również polscy badacze, tacy jak Rudolf Weigl i Hilary Koprowski. Rudolf Weigl pracował w Instytucie Biologii na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie. Jako pierwszy na świecie zastosował szczepionkę przeciwko tyfusowi epidemicznemu wywoływanemu przez _Rickettsia prowazekii_. Ponieważ bakterie nie rosły _in vitro_, opracował oryginalną metodę ich namnażania _in vivo_. W tym celu wyprowadził specjalny szczep wszy, w jelitach których namnażał bakterie. Gdy ich liczba osiągała 10⁷ komórek w komórce nabłonka jelitowego, wypreparowywał jelita i przygotowywał z nich zawiesinę bakterii, które inaktywował fenolem. Szczepionka dawała doskonałą odporność, jednakże z powodu trudnego wojennego okresu, podczas którego przypadł moment jej opracowania, nie była powszechnie znana na świecie. Instytut Weigla w czasie II wojny światowej dawał schronienie wielu prześladowanym i poszukiwanym przez hitlerowców wybitnym przedstawicielom polskiej kultury i nauki, a wytwarzana w nim szczepionka przez polski ruch oporu była przemycana m.in. do warszawskiego getta.

Hilary Koprowski, lekarz pracujący w Lederle Laboratories w Nutley w Stanach Zjednoczonych, uważany jest za prawdziwego ojca żywej szczepionki przeciwko _poliomyelitis_ (znanej również jako choroba Heinego-Medina). Dokonał on pasażu szczepu wirusa polio typu drugiego u szczurów bawełnianych, a następnie podał go domózgowo małpom. Małpy nie zachorowały i nie wystąpiły u nich objawy neurologiczne. Na bazie tak atenuowanego wirusa przygotowano pierwszą partię doustnej szczepionki, którą przyjęli najpierw sami jej twórcy. Pierwsze zastosowanie szczepionki u pacjentów miało miejsce w 1950 roku. Podano ją grupie zagrożonych epidemią choroby niepełnosprawnych dzieci z Litchworth Village sąsiadującej z Lederle Laboratories, które po przyjęciu szczepionki uodporniły się na polio. Wyniki badań nad uodparnianiem przeciwko _poliomyelitis_ Koprowski przedstawił na konferencji w Hershley w Pensylwanii, na której obecny był sceptycznie nastawiony do całego przedsięwzięcia Albert Sabin (uznany później za odkrywcę tej szczepionki). W 1952 roku badacze opublikowali w „American Journal of Hygiene” artykuł na temat zastosowania po raz pierwszy u ludzi doustnej szczepionki przeciwko polio. Koprowski przekazał uzyskany przez siebie szczep wirusa Sabinowi, który wraz z Jonasem Salkiem kontynuował prace nad szczepionką. Szczepy wirusa obecnie używane w szczepionce doustnej nie mają nic wspólnego z oryginalnymi szczepami Koprowskiego i Sabina. Reprezentują one liczne pasaże oryginalnego szczepu. Hilary Koprowski opracował i wprowadził do praktyki wiele innych szczepionek przygotowanych w komórkach ssaków, a w ostatnim okresie pracy również w komórkach roślin (genetycznie modyfikowane jadalne szczepionki roślinne) jako w systemie alternatywnym.

1.2.2.
Higiena i antyseptyka

Połowa XIX wieku to również początki powstawania higieny, aseptyki i antyseptyki. Miano pioniera higieny można przypisać węgierskiemu lekarzowi Ignazowi Semmelweisowi. W 1844 roku rozpoczął on pracę na oddziale położniczym Głównego Szpitala w Wiedniu. Szpitale w tamtych czasach były miejscami leczenia przede wszystkim biednych ludzi i miały złą reputację. Umieralność matek z powodu gorączki połogowej i dzieci, jak można by to dziś nazwać, z powodu sepsy była bardzo wysoka. Na oddziałach chirurgicznych często dochodziło do masowych śmiertelnych zakażeń. Oczywiście były to czasy, gdy oficjalnie panowała jeszcze teoria samorództwa i nie wiedziano o roli drobnoustrojów w wywoływaniu chorób. Semmelweis miał zmysł obserwacyjny i analityczny. Spostrzegł, że gorączka połogowa występowała częściej u chorych w tej części szpitala, która służyła nauczaniu, z czym wiązało się częstsze badanie pacjentek zarówno przez lekarzy, jak i studentów. Swoje obserwacje poparł badaniami statystycznymi i wyciągnął wniosek, że to za sprawą lekarzy i studentów dochodzi do zwiększonych zachorowań. Zauważył również, że lekarze przychodzą na oddział bezpośrednio z sali sekcyjnej, w tej samej odzieży, i bez mycia rąk badają pacjentki. Zakładał, że przenoszą w ten sposób niewidzialne czynniki powodujące śmierć rodzących matek i ich dzieci. Wprowadził zasadę zmiany odzieży i mycia rąk przez lekarzy w wodzie chlorowanej przed badaniem pacjentek. Tak prosty i oczywisty z dzisiejszego punktu widzenia, a wyśmiewany przez współczesnych Semmelweisowi zabieg spowodował, że umieralność spadła prawie o dwie trzecie.

Po postawieniu w 1865 roku przez Pasteura tezy, że choroby mogą rodzić się z powietrza, angielski chirurg Joseph Lister przyjął założenie, że można zmniejszyć liczbę śmiertelnych zakażeń, jeżeli rany zabezpieczy się opatrunkiem polewanym środkami chemicznymi. W ten sposób ograniczało się dostęp do rany bakteriom z powietrza i zabijało je. Lister wiedział, że do sterylizacji ścieków używano kwasu karbolowego, który ze względu na silny i nieprzyjemny zapach nie mógł być stosowany u chorych. Jednak po jego oczyszczeniu uzyskano środek o przyjemniejszym zapachu, nazywany fenolem, którego Lister z powodzeniem używał do przemywania ran i nasączania opatrunków. Wyniki swojej pracy opublikował w 1867 roku w „The Lancet”. Odkrycie Listera w przeciwieństwie do zaleceń Semmelweisa zostało przychylnie przyjęte przez środowisko lekarskie, co zainicjowało okres antyseptyki w chirurgii.

1.2.3.
Chemioterapia

Erę chemioterapii zapoczątkował niemiecki chemik Paul Ehrlich, współpracownik Kocha. Związki używane do specyficznego wybarwiania bakterii próbował wykorzystać w celu hamowania wzrostu drobnoustrojów. Poszukiwał takich połączeń związków chemicznych, które zabijałyby bakterie, nie szkodząc gospodarzowi (selektywna toksyczność). W 1881 roku odkrył, że błękit metylenowy jest skuteczny przeciwko malarii. Nie znalazł on jednak szerszego zastosowania w leczeniu tej choroby ze względu na udowodnioną wyższą skuteczność chininy. Na początku XX wieku wraz z japońskim asystentem Kiyoshim Shigą rozpoczęli badania nad zastosowaniem organicznych związków arsenu w leczeniu trypanosomozy. W doświadczeniach na myszach, prawdopodobnie wskutek niewyjaśnionego do dziś błędu, wykazali, że kwas arsanilowy jest nieskuteczny przeciwko tej chorobie. Wkrótce brytyjski bakteriolog Harold Thomas dowiódł jednak niezwykłej skuteczności arsenu przeciwko trypanosomozie u myszy.

Drugim błędem, który tym razem szczęśliwie wpłynął na zainteresowanie arsenem, było uznanie przez Fritza Schaudinna i Ericha Hoffmana krętków _Treponema pallidum_ za pierwotniaki, dzięki czemu preparaty arsenowe można było zastosować również do leczenia kiły.

Ehrlich został pierwszym dyrektorem Instytutu George’a Speyera, powołanego w celu prowadzenia badań nad chemioterapią. W 1907 roku doszło tu do odkrycia salwarsanu, który Sahachirō Hata wykorzystał w leczeniu kiły. W 1909 roku środek ten został zastosowany u ludzi.

Kolejnym ważnym wydarzeniem, które wpłynęło na rozwój chemioterapii, było odkrycie w 1935 roku przez Gerharda Domagka antybakteryjnego działania czerwonego barwnika – prontosilu. Był on z powodzeniem stosowany w leczeniu płatowego zapalenia płuc i przyczynił się do zmniejszenia śmiertelności z powodu tej choroby o dwie trzecie. W tym samym roku francuskie małżeństwo Jacques i Thérèse Tréfouël wykazało, że aktywnym składnikiem prontosilu nie jest barwnik, lecz sulfonamid – sulfanilamid.

W 1928 roku szkocki lekarz Aleksander Fleming odkrył penicylinę. Zaobserwował on, że pleśnie _Penicillium_, które przerosły hodowle gronkowców na pozostawionej w laboratorium płytce Petriego, powodowały lizę bakterii. Uznał, że dzieje się tak za sprawą lizozymu znajdowanego przez niego w różnych płynach tkankowych, uwalnianego tym razem przez grzyby. Zjawisko antagonizmu między drobnoustrojami było znane od czasów Pasteura i nie wzbudzało większego zainteresowania, tym razem jednak doszło do lizy bakterii w wyniku oddziaływania grzybów, co było nowym wydarzeniem. Fleming zdawał sobie sprawę z ważności dokonanej obserwacji. Poszukując mechanizmu odpowiedzialnego za zabijanie bakterii przez grzyby, stwierdził antybakteryjną substancję w płynnej hodowli grzyba i nazwał ją penicyliną. Zastosował bogate w nią filtraty hodowli płynnej grzybów w leczeniu powierzchownych zakażeń bakteryjnych, jednak bez większego sukcesu. Niestety ani jemu, ani jego kolegom nie udało się oczyścić penicyliny. W publikacji poświęconej tej substancji stwierdził, że zabija ona m.in. gronkowce, paciorkowce i gonokoki, a nie działa lub działa bardzo słabo na _Salmonella_ i prątki gruźlicy. Fleming brał pod uwagę lecznicze zastosowanie penicyliny i sugerował, że bakterie mogą stać się na nią oporne.

W 1939 roku René Dubos odkrył gramicydynę. Okazała się ona jednak tak toksyczna, że znalazła zastosowanie tylko w miejscowym leczeniu niektórych zakażeń powierzchownych.

Dopiero w czasie II wojny światowej Howard Florey i Ernst Chain oczyścili penicylinę i odkryli sposób uzyskiwania jej w ilości tak dużej, że można ją było zastosować w lecznictwie. Przemysłową produkcję tego leku rozpoczęto w ramach wojennego projektu z udziałem Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii. Fleming, Florey i Chain za pracę nad penicyliną otrzymali Nagrodę Nobla. Momentem przełomowym w syntezie tych leków było uzyskanie w 1959 roku kwasu 6-aminopenicylinowego.

Bakteriobójcze właściwości penicyliny i wprowadzenie tego antybiotyku do lecznictwa spowodowały, że zaczęto intensywnie szukać podobnych substancji. Jeden z programów poszukiwania antybiotyków wytwarzanych przez glebowe promieniowce kierowany był przez Selmana Waksmana. W 1944 roku wraz z Albertem Schatzem odkrył on streptomycynę, a później kolejne aminoglikozydy. Wkrótce pojawiły się inne antybiotyki, kolejno m.in. tetracykliny, syntetyczne antybiotyki (np. chloramfenikol), oporne na penicylinazy antybiotyki β-laktamowe i półsyntetyczne penicyliny (np. ampicylina).

Opisane wcześniej substancje w większości z powodzeniem stosowane są do dziś, choć często po licznych modyfikacjach.

1.3.
Era genomiki i proteomiki

Możliwość poznania sekwencji bakteryjnych genomów otworzyła drogę do ujawnienia struktury genomu i porównawczej analizy genów różnych organizmów, czyli do powstania genomiki. Stało się to za sprawą Fredericka Sangera (1974 rok), który opracował metodę sekwencjonowania DNA. Sanger wykorzystał swoje wcześniejsze doświadczenia z pracy nad odczytaniem sekwencji aminokwasów bydlęcej insuliny do stworzenia podstaw nowoczesnego sekwencjonowania DNA. Przyjął założenie, że odtwarzanie kolejności zasad w łańcuchu kwasu nukleinowego jest zgodne z zasadą ich komplementarności. Technika Sangera w początkach jej użycia była zbyt wolna i przez całe lata udawało się zapisać tylko miliony liter kodu z łańcucha DNA zawierającego ich miliony, czy nawet miliardy. Z kolei wykorzystywanie DNA do rekombinacji genetycznej było istotnie ograniczone przez brak możliwości uzyskania tego związku w dostatecznej ilości. Problem ten został rozwiązany w pierwszej połowie lat 80. XX wieku przez Karego Mullisa który wynalazł metodę powielania kwasu nukleinowego (amplifikacji) przy zastosowaniu odkrytej pod koniec lat 70. przez Thomasa Brocka i Hudsona Freeze’a ciepłostabilnej polimerazy _Tag_ (_Thermus aquaticus_) DNA. Metodą łańcuchowej reakcji polimerazy (_polymerase chain reaction_, PCR) można było uzyskać olbrzymią liczbę kopii specyficznego fragmentu DNA, a później również RNA. Metoda znalazła wkrótce zastosowanie w szeroko pojętej diagnostyce mikrobiologicznej w formie diagnostycznych testów do wykrywania specyficznej dla danego drobnoustroju sekwencji i jej powielania, szczególnie w odniesieniu do drobnoustrojów niehodujących się _in vitro_ lub szczególnie niebezpiecznych dla pracowników laboratorium. Metoda zrewolucjonizowała również sposoby sekwencjonowania kwasów nukleinowych, dając możliwości powielania dowolnego fragmentu DNA i jego odrębnej analizy.

Gen stał się przedmiotem badania w celu poznania sprawowanej funkcji, produktu i sposobu regulacji jego ekspresji. Na podstawie identyfikacji genów zjadliwości, poznania profilu transkrypcyjnego patogenu, jego udziału w pobudzaniu lub hamowaniu transkrypcji genów komórek gospodarza itp. można było poznać i zrozumieć biologię mikroorganizmów oraz mechanizmy ich patogenności, łącznie z patogenezą wywoływanych chorób, na poziomie molekularnym. Zjawiska te można było analizować w komórkach gospodarza podczas zakażenia, rozwoju choroby i jej przebiegu oraz leczenia. Genomika wraz z wywodzącą się z niej proteomiką (bada ekspresję białek) znacząco przyczyniły się do doskonalenia szczepionek poprzez stworzenie możliwości doboru najbardziej immunogennych białek kodowanych przez geny różnych mikroorganizmów, poznania mechanizmów lekooporności i punktów uchwytu dla nowych antybiotyków. Z kolei przy udziale proteomiki udało się wykryć i określić funkcje kodowanych białek. Sekwencje genomowego DNA kodujące białka między kodonem startu i stopu nazywa się otwartą ramką odczytu (_open reading frame_, ORF). Pierwszym etapem po odczytaniu sekwencji jest identyfikacja otwartych ramek odczytu i przetłumaczenie sekwencji DNA na sekwencje aminokwasów. Kodony startu mają sekwencje AUG, stopu – UCA, UAA i UGA. Każdy trójzasadowy kodon w mRNA odpowiada określonemu aminokwasowi. Po odnalezieniu ORFs można porównać sekwencje znanych białek (w bazach danych) do sekwencji ORFs i na tej podstawie przewidzieć ich funkcje. Około ²/₃ ORFs w pełni zsekwencjonowanych genomach bakteryjnych koduje białka o znanych funkcjach. Poznanie specyficznych białek, jakie powstają podczas zakażenia, stwarza dodatkowo możliwości poszukiwania w nich punków uchwytu dla neutralizujących je potencjalnych leków.

Genomika przyczyniła się również do poznania ewolucji świata ożywionego. Ewolucyjne powiązania różnych form świata ożywionego mogą być wyprowadzane na podstawie porównywania sekwencji ich związków wielkocząsteczkowych, w szczególności rybosomowego RNA. Koncepcję taką wysunął w latach 70. XX wieku Carl Woese. W 1981 roku poddał pomysł, aby na podstawie porównania sekwencji genów kodujących 16S rRNA różnych organizmów przeanalizować ich genetyczne pokrewieństwo. Wyszedł z założenia, że skoro wszystkie organizmy mają 16S rRNA i u wszystkich służy on do kodowania syntezy białek, musi: to być sekwencja niezwykle konserwatywna. Przez następne lata tworzył olbrzymią bibliotekę sekwencji 16S rDNA różnych organizmów, które można ze sobą porównywać i utworzyć w ten sposób filogenetyczne zależności między nimi składające się na uniwersalne drzewo życia. Wdrożenie nowych technologii sekwencjonowania i włączenie komputerów do analizy sekwencji rybosomowego RNA w celu odtwarzania filogenetycznych zależności pomiędzy badanymi organizmami (tworzenia drzewa filogenetycznego) spowodowało, że metody te stały się powszechne. Nowo rozpoznawane sekwencje są porównywane ze znanymi sekwencjami zgromadzonymi w bazach danych, jak np. RPD (_Ribosomal Database Project_), GenBank (USA), DDBs (DNA Data Bank, Japonia), czy EMBL (_European Molecular Biology Laboratory, Niemcy_). Uniwersalne drzewo filogenetyczne jest więc mapą drogową życia. Przedstawia ewolucyjną historię wszystkich organizmów i w jasny sposób odsłania ten moment w historii ewolucji, od którego wszystkie przejawy życia na Ziemi wzięły swój początek od wspólnego przodka określanego jako uniwersalny przodek. W różnicowaniu się organizmów początkowo można zaobserwować dwa kierunki: _Bacteria_ i drugi wspólny, który dał początek – _Archea_ i _Eukarya_. 16S rRNA stał się więc powszechnie wykorzystywanym celem analizy filogenetycznej. Za pomocą metod amplifikacji oraz określania sekwencji można było wykryć i zidentyfikować do poziomu gatunku trudno lub niehodujące się patogeny bezpośrednio w tkankach zwierząt i człowieka. Co więcej, takim drobnoustrojom można było nadać taksonomiczną przynależność i na tej podstawie przewidzieć właściwości w porównaniu do drobnoustrojów pokrewnych.

Ukoronowaniem osiągnięć biologii molekularnej i genomiki było zakończenie w 2000 roku projektu badawczego poświęconego poznaniu sekwencji ludzkiego genomu. Badania, które w oryginale brzmiały „U.S. Human Genome Project”, zostały zapoczątkowane w 1990 roku i były koordynowane przez Departament Energii USA i Narodowy Instytut Zdrowia (NIH). Miały trwać 15 lat i przeznaczono na nie wydatek 13 miliardów USD. Realizujący projekt zespół badawczy z The Institute for Genomic Research (TIGR) pod przewodnictwem Craiga Ventera przy współpracy Hamiltona Smitha opracował w 1991 roku nową metodę sekwencjonowania nazwaną _shotgunning_. Pozwalała ona na odczytanie sekwencji genów w obydwu kierunkach nici DNA. Opierając się na tej metodzie, TIGR zbadał i opublikował w 1995 roku kompletną sekwencje genomu bakterii _Haemophilus influenzae_, składającą się z prawie 2 milionów nukleotydów. W 1998 roku w wyniku nieporozumienia co do opatentowania wynalazku i jego opublikowania, Venter opuścił TIGR, przechodząc do PE Corporation i założył własną firmę o nazwie Celera, co po łacinie oznacza „szybko”. Dzięki nowoczesnym zautomatyzowanym urządzeniom (Applied Biosystem’s ABI Prism 3700) praca posuwała się w dużym tempie. Równolegle badania były prowadzone w NIH, jednak Celera w nich przodowała. Po ogłoszeniu przez prezydenta Billa Clintona, że sekwencja DNA ludzkiego genomu zostanie upubliczniona, obydwie instytucje połączyły siły i prace udało się zakończyć w czerwcu 2000 roku. Odkryta sekwencja została zaś opublikowana 15 lutego 2001 roku w czasopiśmie „Nature and Science”.