แบคทีเรีย หรือ บัคเตรี

            เป็นประเภทของสิ่งมีชีวิตประเภทใหญ่ประเภทหนึ่ง มีขนาดเล็ก มองด้วยตาเปล่าไม่เห็น ส่วนใหญ่มีเซลล์เดียว และมีโครงสร้างเซลล์ที่ไม่ซับซ้อนมาก และโดยทั่วไปแบคทีเรียแบ่งได้หลายรูปแบบทั้ง แบ่งตามรูปร่าง แบ่งได้หลายแบบทั้งกลม (cocci),แบบท่อน (bacilli,rod),แบบเกลียว(spiral)ซึ่งแต่ละแบบก็จะมีการจัดเรียงเซลล์ต่างกัน แบ่งตามการย้อมติดสีแกรม(Gram's strand) มีได้สองลักษณะคือพวกที่ติดสีแกรมบวก(Gram positive)และที่ติดสีแกรมลบ(Gram negative) แต่บางชนิดสามารถติดสีทั้งสองเรียกว่า Gram variable ซึ่งเกี่ยวข้องกับผนังเซลล์ของแบคทีเรีย แบ่งตามความต้องการใช้อ๊อกซิเจน ซึ่งมีหลายแบบคือ aerobic bacteria, anaerobic bacteria, facultativeaerobic bacteria,facultativeanaerobic bacteria, microaerofilic bacteria เป็นต้น / ระบบ Anti-bacteria ด้วยเทคโนโลยี nano

             ภาพ:EscherichiaColi NIAID.jpg

  แบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีอยู่มากมายหลายชนิดทั้งมีอยู่ในสภาพแวดล้อมทั่วไปโดยไม่ก่อโรคและก่อโรคในคนหรือในสัตว์ ดังนั้นการศึกษาและจำแนกชนิดของแบคทีเรียจึงต้องใช้ความละเอียดในการสังเกตและแยกความแตกต่างของแบคทีเรียทั้งลักษณะภายนอก ที่สังเกตได้ด้วยตาเปล่าเช่น สีขนาดโคโลนี ความโปร่งแสงทึบแสง ความสามารถในการทำให้เม็ดเลือดแดงเกิด Hemolysis ใน blood agar การย้อมสีและดูด้วยกล้องจุลทรรศน์และการทดสอบคุณสมบัติทางชีวเคมี ีในการศึกษาและจำแนกชนิดของเชื้อแบคทีเรียนอกจากจะต้องอาศัยการสังเกตและการทดสอบทุกขั้นตอนยังต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ ของเซลล์แบคทีเรียเพื่อจะได้เข้าใจถึงธรรมชาติของแบคทีเรียและกลไกในการดำรงชีวิตและการก่อโรคได้

ลักษณะโคโลนี ( colonial morphology )

      เมื่อเพาะแบคทีเรียบนอาหารเลี้ยงเชื้อแบคทีเรียจะเจริญเติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อและเจริญเพิ่มจำนวนเป็นหลายร้อยล้านเซลล์ ทำให้มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเรียกว่า colony ซึ่งมีลักษณะแตกต่างกันออกไป เช่น ขนาด ความเหนียว ความหยาบ ความละเอียด และสี ความแตกต่างดังกล่าวขึ้นอยู่กับ media ที่ใช้เลี้ยง และสภาวะที่ incubate แบคทีเรีย

ขนาด Colony

    แบคที่เรียที่เลี้ยงในสภาวะที่เหมาะสม ในสายพันธ์ที่ใกล้เคียงกันมักมีขนาดที่ไม่แตกต่างกันมาก โคโลนีอาจมีตั้งแต่ขนาดเล็กมากจนมองด้วยตาเปล่าแทบไม่เห็นจนมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 4-5 มม.

*********** ตาราง หน้า 5 ขนาด colony***********

ลักษณะโคโลนี

 -  ดูลักษณะโคโลนี ( Form ) เช่น กลม รูปกระสวย ลักษณะไม่แน่นอน เหมือนรากไม้ เส้นใย
 -  ขอบโคโลนี (Margin) เช่น ขอบเรียบ หยักเป็นลอน หยักเป็นคลื่น เป็นเส้นใย
 -  ดูลักษณะความนูน ( Elevation) เช่น แบนราบ นูนเล็กน้อย โค้งสูง นูนสูง นูนตรงกลาง บุ๋มตรงกลาง

ความเหนียว ความหยาบหรือความละเอียด

    โคโลนีแบคทีเรียอาจมีความเหนียวต่างกัน บางชนิดเหนียวจนติดกับ loop บางชนิดยืดเป็นสายเมื่อยก loop ขึ้น เมื่อแสงส่องผ่านโคโลนีจะเห็นความละเอียดหรือหยาบได้ ซึ่งอาจละเอียดเป็นเม็ดเล็กๆ (amorphous) โป่งแสง ( translucent ) โปรงใส ( transparent ) มีสีเหลือบ ( opalescent) หรือทึบ ( opaque)

สีของโคโลนี

    แบคทีเรียบางชนิดผลิตสารบางอย่างทำให้โคโลนีมีสี เช่น ผลิตสาร carrotinoid pigments จะให้ colony สีแดง สีส้ม หรือสีเหลือง

แบคทีเรียที่ใช้แสงสว่างเป็นพลังงานจะมีbacteriochlorinทำให้โคโลนีเป็นสีเขียวโดยทั่วไปแบคทีเรียที่มีสีมักจะไม่ก่อโรคแต่มีแบคทีเรีย

บางชนิดที่เป็นเชื้อก่อโรคแต่ให้ colony ที่มีสีเช่น Staphylococcus aureus ซึ่งมีโคโลนีสีเหลือง ลักษณะโคโลนีจะสามารถแยกได้เด่นชัดขึ้นโดยใช้ media

ที่แสดงความแตกต่างของเชื้อ ( differential culture medium ) เช่น เชี้อ Corynebacterium diphtheriae สามารถผลิต tellulium ได้ทำให้เกิด colony สีดำบน

tellurite differential medium หรือการใส่น้ำตาลหรือ indicator บางตัวลงใน media แบคทีเรียที่สามารถ ferment น้ำตาลจะเกิดกรดและเปลี่ยนสี indicator ได้

ทำให้เราสามารถแยกกลุ่มแบคทีเรียที่เจริญอยู่ปนกันได้ในขั้นต้น

Microscopic Morphology

การย้อมสี (staining )

    การดูรูปร่างลักษณะแบคทีเรียด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงสว่างให้เห็นชัดเจนต้องย้อมสีเสียก่อน โดยทำให้เซลล์ติดแน่นกับ Slide

ด้วยความร้อนหรือสารเคมีแล้วจึงย้อมสี ซึ่งอาจจะเป็นสีเบสิก ( Basic dyes ) สีอะซิดิก ( acidic dyes ) สีที่เป็นกลาง ( neutral dyes )

หลักการของการย้อมสีเซลล์แบคทีเรีย

   กรดนิวคลีอิกและโปรตีนเป็นตัวสำคัญในการดูดซึมสีเข้าไปในเซลล์ ผนังเซลล์ของแบคทีเรียมีความเป็นกรดเนื่องจากมีโปรตีนและกรดอะมิโนสายสั้นๆ

ส่วน cytoplasm มี ribonucleic acid และ deoxyribonucleic acid แบคทีเรียจึงติดสี basic ได้ดีกว่าสี acidic

สี Basic ได้แก่ Crystral violat , Methylene blue , Basic fuchsin

สี Acidic ได้แก่ Eosin Y

สี Neutral dyes ได้แก่ Sudan III

การย้อมสีแบคทีเรียทำได้หลายวิธีเช่น การย้อมสีเดียว Simple stain , การย้อมสีทนกรด AFB stian , การย้อมให้ได้สีแตกต่างกัน ( Differential stain ) การย้อมสีพิเศษ ( Special stain )

รูปร่างแบคทีเรีย แบ่งเป็น พวกใหญ่ๆคือ

1. Cocci  มีรูปร่างกลม หรืออาจจะมีรูปร่างที่ผิดแปลกไปบ้างเช่น กลมรี หรือคล้ายเม็ดถั่ว ซึ่งพบได้ในแบคทีเรียบางสายพันธ์ นอกจากนั้น cocci ยังแบ่งได้ตามระนาบการแบ่งตัวดังนี้
   -อยู่เดี่ยวๆ เรียกว่า micrococcus
   -ต่อกันเป็นสายยาว เรียกว่า Streptococcus
   -อยู่เป็นกลุ่มคล้ายพวงองุ่น Staphylococcus
   -อยู่เรียงตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยม เรียกว่า tetrad

2. Bacilli มีรูปร่างเป็นท่อน ซึ่งมีรูปร่างและขนาดแตกต่างกัน เช่นบางชนิดผอมบาง บางชนิดเป็นท่อนสั้น แตกต่างกันไปตามสายพันธ์ของแบคทีเรีย
   - Spirals มีรูปร่างเป็นเกลียว ความโค้งงอของเซลล์มีหลายระดับ เช่นพวก Vibrio มีรูปร่างโค้งงอคล้ายคอมมา บางครั้งเซลล์จะติดต่อกัน ทำให้มีรูปร่างเหมือนตัว S หลายตัวต่อกัน spirals มี พวก พวกหนึ่งมีลักษณะเป็นเกลียวแข็งคงตัว ซึ่งได้แก่แบคทีเรียในกลุ่ม Spirillum และอีกพวกหนึ่งมีเกลียวยืดหยุ่น ซึ่งแบ่งแยกออกได้หลายสกุลตามลักษณะบางอย่างเช่น ความแน่นของเกลียว   การมีปลอกหุ้มรอบนอก แบคทีเรียที่มีรูปร่างเป็นเกลียวยืดหยุ่นเรียกรวมๆ กันว่า Spirochetes

โครงสร้างของเซลล์แบคทีเรีย

   เซลล์ bacteria เป็น prokaryotes cell ซึ่งเป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างที่ไม่ซับซ้อน ยกเว้นผนังเซลล์ซึ่งมีโครงสร้างที่ ซับซ้อนกว่า Eukaryotes โครงสร้างและหน้าที่แบคทีเรียแบ่งออกได้เป็น ส่วนคือ โครงสร้างภายนอกได้แก่ Capsule , Cell wall , เยื่อหุ้มเซลล์ (cytoplasmic membrane) , Flagella , Pili และโครงสร้างภายในได้แก่ Cytoplam , Ribosome , spores และเม็ดสี

Capsule

    แบคทีเรียเกือบทุกชนิดโดยเฉพาะเมื่อเจริญเติบโตในธรรมชาติจะมีโครงสร้างชั้นนอกสุดของเซลล์ซึ่งมีลักษณะเป็นวุ้นมีรูปร่างไม่แน่นอนและไม่ติดสีแกรม โครงสร้างชั้นนอกสุดนี้มีชื่อหลายชื่อเช่น

แคปซูล เอนเวโลป ชั้นเมือก หรือ Glycocalyx ขนาดของแคปซูลของแบคทีเรียแต่ละชนิดแตกต่างกันมากเช่น Streptococcus pneumoniae , Klebsiella และ Bacteroides fragili

จะมีขนาดแคปซูลใหญ่กว่าเส้นผ่าศูนย์กลาง ของเซลล์ แบคทีเรียบางชนิดอาจมีแคปซูลเป็นชั้นบางๆ หรือบางชนิดมีขนาดบางมากจนมองไม่เห็น

สารที่เป็นองค์ประกอบของแคปซูล

   สารที่เป็นส่วนประกอบของแคปซูลส่วนใหญ่เป็น polysaccharides ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามส่วนประกอบและความซับซ้อน องค์ประกอบของแคปซูลของแบคทีเรียแต่ละชนิด ************ตาราง หน้า 13************

หน้าที่และความสำคัญของแคปซูล

- ป้องกันสิ่งที่จะเป็นอันตรายต่อเซลล์แบคทีเรีย เช่น โลหะที่เป็นพิษ ความแห้ง

- แคปซูลมีหน้าที่ที่สำคัญที่สุดคือ ช่วยให้แบคทีเรียเกาะติดกับพื้นผิวใดๆได้ ทั้งในสภาวะก่อโรคและสภาวะแวดล้อมทั่วไป ซึ่งเพิ่มศักยภาพในการเจริญเติบโตและก่อโรคของแบคทีเรีย

- แคปซูลช่วยให้สารอาหารมารวมอยู่รอบๆเซลล์ช่วยเพิ่มความสามารถในการเจริญเติบโต

ผนังเซลล์ ( cell wall )

   Cell wall (ผนังเซลล์) ผนังเซลล์เป็นส่วนประกอบเซลล์ที่อยู่ระหว่างแคปซูลและเยื่อหุ้มเซลล์ แบคทีเรียทุกชนิดยกเว้น Mycoplasma มีโครงสร้างนี้

หน้าที่และความสำคัญของผนังเซลล

- ช่วยให้เซลล์แบคทีเรียสามารถคงรูปร่างได้

- ป้องกันและรักษาความดันภายในเซลล์

- ทำหน้าที่เป็น Precursor ในขบวนการสังเคราะห์สารต่างๆ

- เป็น antigenic determinants ของเซลล์แบคทีเรีย

- lipopolysacaride ที่ผนังเซลล์ของแบคทีเรีย gram negative มีคุณสมบัติเป็น endotoxin

ส่วนประกอบของผนังเซลล์

- ประกอบด้วย โพลีแซ็กคาไรด์ เปปไทด์ และ ไลปิด

- ผนังเซลล์มีโครงสร้างเป็น polymer ที่ประกอบด้วย โพลีแซ็กคาไรด์ เปปไทด์ ที่มีชื่อเรียกแตกต่างกันคือ Peptidoglycan , Murein , Mucopeptide หรือ Glycosaminopeptide จึงมีความแข็งแรงช่วยให้เซลล์คงรูปร่างได้ดี

- ผนังเซลล์แบคทีเรียแกรมบวกและแกรมลบมีข้อแตกต่างกันคังนี้

ส่วนประกอบGram positiveGram negative
กรดอะมิโน

ประกอบด้วยกรดอะมิโน 3-4 ชนิด คือ alanine , glutamic acid , lysine หรือกรดไดอะมิโนพิเมลลิก

 

ส่วนใหญ่เป็นกรดอะมิโนที่เป็นส่วนประกอบของ
โปรตีนซึ่งรวมทั้งกรดไดอะมิโนพิเมลลิก

 

Peptidoglycan
60-100 %
5-20 %
ปริมาณ lipid
0.2 %
10-20 %
Polysaccharide
35-60 %
15-20%
ความหนา
20-80 นาโนเมตร
10 นาโนเมตร
กรดทีโคอิก
บางชนิดมี
ไม่มี
ผนังเซลล์
1 ชั้น
2 ชั้น

ผนังเซลล์แบคทีเรียแกรมบวก
   - มีผนังเซลล์หนาประมาณ 20-80 นาโนเมตร ซึ่งหนากว่าแกรมลบและคิดเป็น 20-40% ของนำ้หนักเซลล์เมื่อทำให้แห้ง
   - องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นเปปติโดกลัยแคน นอกจากนั้นมีโพลีแซ็กคาไรด์เช่น manose arabinose galactose glucosamine, โปรตีน, น้ำตาลที่เป็นกรดเช่น glucuronic acid mannuronic acid teichoic acid ซึ่งเป็น sugar alcohol
  **กรดทีโคอิก เป็นโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้ประกอบด้วย ribital หรือ glycerol

 

Flagella
โครงสร้าง

แบคทีเรียบางชนิดโดยเฉพาะพวกสไปรัลเกือบทั้งหมด และประมาณ 50 % ของพวก bacilli จะเคลื่อนที่ได้ด้วย flegella Flegella มีลักษณะเป็นเส้นยาวกลวง เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 0.01-0.05 ไมโครเมตร มีความยาวแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1-70 ไมโครเมตร
ขณะที่แบคทีเรียมีชีวิตอยู่ Flegella จะมีลักษณะเป็นเกลียวแข็งคงที่ แต่เมื่อแบคทีเรียตายจะเป็นเส้นหยักโค้ง โครงสร้างของ Flegella มี 3 ส่วนคือ ส่วนปลายเป็นเส้น เรียกว่า filament ส่วนที่เป็นขอ hook และส่วนที่เป็นฐาน basal body
การตรวจสอบ
เนื่องจาก flegella มีขนาดเล็กมากจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยการดูสดด้วยกล้องจุลทรรศน์ หรือการย้อมแกรม จึงมีวิธีการย้อมสีที่ใส่สารที่เรียกว่า mordant ทำให้สีจับกับ flegella ได้และทำให้ flegella มีขนาดใหญ่ขึ้นและสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาได้
ตำแหน่งของ flegella บนเซลล์
- flegella เส้นเดียวที่ขั้วเซลล์ข้างใดข้างหนึ่งเรียกว่า monotrichous flegella
- flegella ตั้งแต่ 2 เส้นขึ้นไปที่ขั้วเซลล์ข้างใดข้างหนึ่งเรียกว่า lophotrichous flegella
- flegella ที่เป็นกระจุกที่ขั้วทั้งสองข้างของเซลล์ทั้งสองข้างเรียกว่า amphitrichous
- flegella ที่กระจายอยู่รอบเซลล์ เรียกว่า peritrichous
หน้าที่ flegella
flegella มีหน้าที่ในการเคลื่อนที่ของแบคทีเรีย และเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนของแบคทีเรียและที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่เข้าหาสารเคมีที่เป็นตัวดึงดูด chemotaxis และการรับรู้ sensing แบคทีเรียเคลื่อนที่ได้เร็วมาก flegella ทำให้แบคทีเรียเคลื่อนที่ได้โดยการหมุนรอบตัวเองทวนเข็มนาฬิกาตามแกนยาวเหมือนการหมุนของใบพัด พลังงานที่ใช้ในการหมุนรอบตัวของ flegella ได้มาจากความต่างศักย์ ในการไหลของโปรตอน ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่เรียกว่า พลังการขับเคลื่อนโปรตรอน
การเคลื่อนที่ของแบคทีเรียนั้นเป็นไปอย่างมีจุดหมายและมีทิศทาง ซึ่งแสดงการรับรู้ต่อสิ่งแวดล้อมแบคทีเรียจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่มีสารเคมีบางอย่าง ออกซิเจน รวมทั้งอุณหภูมิ ความเป็นกรดด่าง และแสงสว่าง การรับรู้เกี่ยวกับสารเคมี ที่เป็นตัวดึงดูด นั้นเกิดขึ้นจากตัวรับทางเคมีที่มีอยู่ใน periplasmic space และเยื่อหุ้มเซลล์

Pili หรือ Frimbriae
โครงสร้าง
เป็นระยางค์ที่สั้นและมีลักษณะเป็นเส้นตรงเหมือนขนเส้นผ่าศูนย์กลาง 3-25 นาโนเมตร ยาวประมาณ 300-1,000 นาโนเมตรอาจอยู่ที่ขั้วหรืออยู่ทั่วเซลล์ มีส่วนประกอบเป็นโปรตีนหน่วยย่อยที่มีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 17,000 เรียกว่า pilin ซึ่งรวมตัวกันเป้นเส้นมีรูกลวงตรงกลาง ส่วนต้นของ Pili หรือ Frimbriae อยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์แล้วทะลุผ่านผนังเซลล์ ออกมาที่ผิวนอกเซลล์
หน้าที่
โดยทั่วไปช่วยให้แบคทีเรียมีคุณสมบัติในการยึดเกาะกับผิวเซลล์อื่นๆ เช่น เม็ดเลือดแดง เม็ดเลือดขาว mucosal cells เป็นต้น ซึ่งจะช่วยให้แบคทีเรียสามารถเจริญบน host ได้
Sex pili
ทำหน้าที่เกี่ยวกับการถ่ายทอดสารพันธุกรรม โดยการ conjugation
Cytoplasm และ Ribosome
Cytoplasm ของแบคทีเรียมีองค์ประกอบที่ไม่ซับซ้อน และไม่มี endoplasmic reticulum มีลักษณะเป็นวุ้นประกอบด้วนน้ำ ประจุของสารอนินทรีย์ ตัวกลางต่างๆของกระบวนการ metabolism โพลีเมอร์ของกรดนิวคลีอิก แกรนูล และ ไรโบโซม บางเซลล์อาจมี endospores หรืออาจมี Cytoplasmic vacuoles
ไรโบโซม
โครงสร้าง
มีลักษณะเป็นเม็ดเล็กๆ ขนาด 15-20 นาโนเมตร ประกอบด้วย RNA ประมาณ 60-90 % ปริมาณของไรโบโซมที่มีใน cytoplasm นั้นขึ้นอยู่กับความต้องการในการสร้างโปรตีน ในเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโตอาจจะมีประมาณ 10,000 ไรโบโซมต่อ 1 เซลล์ ไรโบโซมมีหน่วยย่อย 2 ส่วนคือ 30s และ 50s ในขณะที่มีการสร้างโปรตีน หน่วยย่อย 30s และ 50s จะมารวมกันเป็น ไรโบโซม 70s
หน้าที่
ไรโบโซมมีหน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน
Cytoplasmic granules
หน้าที่และความสำคัญ
เป็นแหล่งสะสมอาหารของเซล