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微生物学（古代ギリシャ語のμῑκρος（mīkros）「小さい」、βίος（bíos）「生命」、-λογία（-logía）「研究」に由来）は、単細胞（単一細胞）、多細胞（複雑な細胞から成る）、または無細胞（細胞を持たない）の微生物を科学的に研究する学問である。[ 1 ] [ 2 ]微生物学には、ウイルス学、細菌学、原生生物学、菌類学、免疫学、寄生虫学など、数多くの下位分野が含まれる。
微生物界を構成する生物は、原核生物または真核生物に分類されます。真核微生物は膜結合オルガネラを持ち、真菌や原生生物が含まれますが、原核生物は従来、膜結合オルガネラを持たない生物として分類され、細菌や古細菌が含まれます。[ 3 ] [ 4 ]微生物学者は従来、微生物の分離と同定に培養、染色、顕微鏡検査に頼ってきました。しかし、一般的な環境に存在する微生物のうち、現在の方法では分離培養できるのは 1% 未満です。[ 5 ]バイオテクノロジーの出現により、微生物学者は現在、 DNA配列に基づく同定などの分子生物学的手法に頼っています。例えば、細菌の同定には16S rRNA遺伝子配列が用いられています。
ウイルスは、非常に単純な微生物または非常に複雑な分子と考えられてきたため、生物として分類されることは様々でした[ 6 ] 。プリオンは、微生物とは考えられていませんでしたが、ウイルス学者によって研究されてきました。しかし、プリオンに起因する臨床的影響は、当初慢性ウイルス感染によるものと推定されていたため、ウイルス学者は「感染性タンパク質」の発見という探求に乗り出しました。
微生物の存在は、インドのジャイナ教徒や古代ローマのマルクス・テレンティウス・ヴァロなどによって、初めて観察される何世紀も前に予言されていました。記録に残る最初の顕微鏡観察は、1666年にロバート・フックがカビの胞子体を観察したものですが、イエズス会司祭のアタナシウス・キルヒャーが、1658年に牛乳や腐敗物の中で微生物を観察したと述べていることから、おそらく最初に微生物を見た人物でしょう。アントニ・ファン・レーウェンフックとルイ・パスツールは、1670年代に自作の簡易顕微鏡を使って微生物を観察し、実験を行ったことから、微生物学の父とみなされています。科学的微生物学は、19世紀にルイ・パスツールの研究と医学微生物学のロベルト・コッホの研究によって発展しました。
微生物の存在は、実際に発見される何世紀も前から仮説として立てられていました。目に見えない微生物の存在は、紀元前6世紀（紀元前599年～527年）にマハーヴィーラの教えに基づいていたジャイナ教によって提唱されました。 [ 7 ]： 24ポール・ダンダスは、マハーヴィーラが、地、水、空気、火の中に生息する目に見えない微生物の存在を主張したと述べています。[ 7 ]： 88ジャイナ教の聖典には、ニゴダと呼ばれる、大きな集団で生息し、非常に短い寿命を持つ超微細生物が記述されており、植物の組織や動物の肉など、宇宙のあらゆる場所に遍在すると言われています。[ 8 ]ローマ人のマルクス・テレンティウス・ヴァロは、沼地の近くに住居を構えることに警告する際に微生物に言及し、「目に見えない微小な生物が繁殖し、空気中を漂い、口や鼻から体内に入り込み、深刻な病気を引き起こす」と述べた。[ 9 ]
ペルシャの科学者たちは微生物の存在を仮説として立てており、例えば、アヴィセンナは著書『医学典範』の中で、イブン・ズフル（アヴェンゾアルとも呼ばれる）は疥癬ダニを発見し、アル・ラージーは著書『徳のある生活』（アル・ハーウィ）の中で天然痘について最も初期の記述を残している。 [ 10 ] 10世紀の道教の『宝生経』には、野菜の種に似た「無数の微小有機虫」が記述されており、これを受けてオランダの中国学者クリストファー・シッパーは「有害な細菌の存在は当時の中国人に知られていた」と主張した。[ 11 ]
1546年、ジローラモ・フラカストロは、伝染病は直接的または間接的な接触、あるいは媒介物を介して感染を伝播する可能性のある種子のような伝染性物質によって引き起こされると提唱した。 [ 12 ]
1676年、生涯のほとんどをオランダのデルフトで過ごしたアントニ・ファン・レーウェンフックは、自ら設計した単レンズ顕微鏡を用いて細菌やその他の微生物を観察した。[ 14 ] [ 2 ]彼は自ら設計した単純な単レンズ顕微鏡を使用したことから、微生物学の父とみなされている。 [ 14 ]ファン・レーウェンフックは微生物を最初に観察した人物としてよく挙げられるが、ロバート・フックは1665年にカビの子実体の顕微鏡観察を初めて記録している。[ 15 ]しかし、アタナシウス・キルヒャーというイエズス会司祭が微生物を最初に観察した人物であるという説もある。 [ 16 ]
キルヒャーは投影用の幻灯機を設計した最初の人物の一人であり、レンズの特性に精通していた。[ 16 ]彼は1646年に「顕微鏡で調査した自然界の驚くべき構造について」を執筆し、「酢や牛乳に無数の虫がうようよいると誰が信じるだろうか」と述べている。また、腐敗物には無数の這う動物が満ちていることにも言及している。彼は1658年に「ペストの調査」を出版し、この病気は微生物によって引き起こされると正しく述べているが、彼が見たのはペスト病原体そのものではなく、おそらく赤血球か白血球であったと思われる。[ 16 ]
細菌学（後に微生物学の下位分野となる）の分野は、19 世紀に植物学者のフェルディナント・コーンによって創設されました。コーンは藻類と光合成細菌の研究から、バチルス属やベギアトア属などのいくつかの細菌を記述しました。コーンはまた、細菌の分類体系を初めて定式化し、内生胞子を発見した人物でもあります。[ 17 ]ルイ・パスツールとロベルト・コッホはコーンと同時代人で、それぞれ現代微生物学[ 16 ]と医学微生物学[ 18 ]の父とみなされることが多いです。パスツールは、当時広く信じられていた自然発生説を否定するために考案した一連の実験で最も有名で、それによって微生物学が生物科学としての地位を確固たるものにしました。 [ 19 ]彼の教え子の一人であるアドリアン・セルテスは、海洋微生物学の創始者とみなされています。[ 20 ]パスツールは、食品保存法（低温殺菌法）や、炭疽病、鶏コレラ、狂犬病などのいくつかの病気に対するワクチンも考案した。[ 2 ]コッホは、特定の病気が特定の病原微生物によって引き起こされることを証明した病原菌説への貢献で最もよく知られている。彼は、コッホの原則として知られるようになった一連の基準を開発した。コッホは、純粋培養での細菌の分離に焦点を当てた最初の科学者の1人であり、その結果、結核の原因菌である結核菌を含むいくつかの新しい細菌を記述した。[ 2 ]
パスツールとコッホは微生物学の創始者とみなされることが多いが、彼らの研究は、医学的に直接関連する微生物にのみ焦点を当てていたため、微生物世界の真の多様性を正確に反映していなかった。微生物学の真の広がりが明らかになったのは、19 世紀後半のマルティヌス・ベイエリンクとセルゲイ・ウィノグラツキーの研究まで待たなければならなかった。 [ 2 ]ベイエリンクは微生物学に 2 つの大きな貢献をした。ウイルスの発見と濃縮培養技術の開発である。 [ 21 ]タバコモザイクウイルスに関する彼の研究はウイルス学の基本原理を確立したが、生理機能が大きく異なる幅広い微生物の培養を可能にした濃縮培養の開発が微生物学に最も直接的な影響を与えた。ウィノグラツキーは化学無機栄養の概念を最初に開発し、それによって地球化学的プロセスにおける微生物の重要な役割を明らかにした。[ 22 ]彼は硝化細菌と窒素固定細菌の両方の最初の分離と記述を担当した。[ 2 ]フランス系カナダ人の微生物学者フェリックス・デレルは1917年にバクテリオファージを共同発見し、初期の応用微生物学者の1人であった。[ 23 ]
ジョセフ・リスターは、患者の開いた傷口にフェノール消毒剤を使用した最初の人物である。 [ 24 ]
微生物学の分野は、応用科学に分類することも、細菌学、寄生虫学、菌類学、免疫学、原生動物学、ウイルス学、藻類学、微生物遺伝学、微生物生態学のように分類学に従って分割することもできます。微生物学の特定の分野は互いに、また他の分野とかなり重複しており、これらの分野の特定の側面は、微生物学の伝統的な範囲を超える可能性があります。[ 25 ] [ 26 ]微生物学の純粋な研究分野は、細胞微生物学と呼ばれています。
一部の微生物が様々な人間の病気と関連しているため、微生物を恐れる人もいますが、多くの微生物は工業発酵（例えば、アルコール、酢、乳製品の製造）や抗生物質の生産など、数多くの有益なプロセスにも関わっています。科学者たちはまた、微生物に関する知識を活用して、Taqポリメラーゼ[27]などのバイオテクノロジー的に重要な酵素、他の遺伝子システムで使用するためのレポーター遺伝子、酵母ツーハイブリッドシステム[ 28 ]などの新しい分子生物学技術を生産してきました。
細菌は、アミノ酸、有機酸、ビタミン、タンパク質、抗生物質、および微生物によって生産されるその他の商業的に利用される代謝物の工業生産に利用できます。コリネバクテリウム・グルタミカムは、年間200万トン以上のアミノ酸（主にL-グルタミン酸とL-リジン）を生産する最も重要な細菌種の1つです。[ 29 ]一部の細菌は抗生物質を合成する能力を持っているため、アミノグリコシド系抗生物質を製造するストレプトマイセスなどのように、医療目的で使用されています。[ 30 ]
多糖類、ポリエステル、ポリアミドなどの様々な生体高分子は微生物によって生産されます。微生物は、組織工学や薬物送達などの高付加価値医療用途に適した特性を持つ生体高分子のバイオテクノロジー生産に利用されています。例えば、微生物はキサンタン、アルギン酸、セルロース、シアノフィシン、ポリ（γ-グルタミン酸）、レバン、ヒアルロン酸、有機酸、オリゴ糖、多糖類、ポリヒドロキシアルカノエートの生合成に利用されています。[ 31 ]
微生物は、家庭、農業、産業廃棄物、および土壌、堆積物、海洋環境における地下汚染の微生物による生分解または生物修復に有益です。各微生物の有毒廃棄物を分解する能力は、各汚染物質の性質に依存します。現場には通常複数の種類の汚染物質が存在するため、微生物による生分解に最も効果的なアプローチは、1つ以上の種類の汚染物質の生分解にそれぞれ特化した細菌種と真菌種および株の混合物を使用することです。[ 32 ]
共生微生物群集は、消化を助けたり、有益なビタミンやアミノ酸を生成したり、病原性微生物を抑制したりするなど、ヒトや動物の宿主の健康に利益をもたらします。発酵食品、プロバイオティクス（消化器系に有益な可能性のある細菌）、またはプレバイオティクス（プロバイオティクス微生物の増殖を促進するために摂取される物質）を摂取することで、何らかの利益が得られる可能性があります。[ 33 ] [ 34 ]マイクロバイオームがヒトや動物の健康に及ぼす影響、およびマイクロバイオームに影響を与える方法は、活発な研究分野です。[ 35 ]
研究では、微生物が癌の治療に役立つ可能性があることが示唆されている。非病原性クロストリジウムのさまざまな株は、固形腫瘍内に浸潤して増殖することができる。クロストリジウムベクターは安全に投与でき、治療用タンパク質を運搬する可能性は、さまざまな前臨床モデルで実証されている。[ 36 ]
一部の細菌は、基本的なメカニズムを研究するために使用されています。運動性[ 37 ]や多糖類の産生と発達を研究するために使用されるモデル細菌の例としては、 Myxococcus xanthus [ 38 ]があります。
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