Bakteriernes forfædre var de første levende organismer der dukkede på Jorden. I det meste af menneskets historie, kendte folk kun lidt til årsag, smittevej og behandling af sygdomme. Lad os se på nogle af de vigtigste udviklinger i mikrobiologien, der har ansporet feltet til sin nuværende teknologiske tilstand.
1.3.1 De første observationer
I 1665, efter observation af en tynd skive kork gennem et primitivt mikroskop, offentliggjorde englænderen Robert Hooke, at livets mindste byggesten var ”små bokse” eller ”celler”. Senere, så Hooke ved brug af sit forbedrede mikroskop, enkelte celler. Hookes opdagelse markerede begyndelsen på celleteorien – Teorien om at alt levende er opbygget af celler.
Selvom Hookes mikroskop gjorde det muligt at se store celler, manglede det opløsningsevnen til at vise mikroorganismer tydeligt. Den hollandske købmand og amatørvidenskabsmand, Anton van Leeuwenhoek, var sandsynligvis den første der observerede levende mikroorganismer, gennem de forstørrende linser på de mere end 400 mikroskoper han konstruerede. Mellem 1673 og 1723, skrev han om de ”animakuler” han så gennem hans simple, enkeltlinsede mikroskoper. Van Leeuwenhoek lavede detaljerede tegninger af de organismer han fandt i regnvand, afføring og tandafskrabninger. Disse tegninger er senere blevet identificeret som visende bakterier og protozoer.
1.3.2 Debatten om spontan genese
Efter van Leeuwenhoek opdagede den tidligere ”usynlige” verden af mikroorganismer, blev videnskaben interesseret i disse små levende organismer. Indtil den sidste halvdel af det nittende århundrede, troede mange videnskabsfolk og filosoffer, at noget liv kunne opstå spontant fra ikke levende stof. De kaldte denne hypotetiske proces for spontan genese. For ikke mere end 100 år siden, troede mange folk på at, tudser, slanger og mus kunne fødes af fugtig jord, at fluer kunne opstå af gødning og at maddiker (som vi nu ved er fluers laver) kunne opstå af rådnende lig.
Lægen Francesco Redi, satte sig for at bevise, at maddiker ikke opstod spontant. Han fyldte derfor to krukker med rådnende kød. Den første blev efterladt åben, så fluer kunne lægge deres æg, som udviklede sig til maddiker. Den anden blev forseglet, og fordi fluerne derfor ikke kunne komme ind i krukken, udvikledes der heller ikke maddiker. På trods af dette, var Redis modstandere ikke overbeviste. De påstod, at der behøvedes frisk luft for at spontan genese kunne opstå. Redi opsatte derfor en andet eksperiment, hvor den anden krukke blev overdækket med et fintmasket net i stedet for at forsegle det. Der udvikledes stadig ikke maddiker i den tildækkede krukke, selv om der var frisk luft til stede.
Redis resultater var et alvorligt slag mod den længe holdte tro på at større former for liv kunne opstå af ikke levende materialer. Mange videnskabsfolk mente dog stadig, at små organismer, som Leeuwenhoeks animakuler, var simple nok til at kunne opstå fra ikke-levende materialer.
Sagen om spontan genese, syntes at blive forstærket i 1745, da John Needham viste, at selv efter han havde opvarmet kyllingefond og majsfond før han hældte dem på overdækkede flasker, var de afkølede væsker snart fyldt med mikroorganismer. Needham proklamerede, at mikroorganismer udviklede sig spontant fra væskerne. Tyve år senere, foreslog Lazzaro Spallanzani, at mikroorganismer i luften, sandsynligvis var kommet ned i Needhams flasker efter de var blevet kogt. Spallanzani viste, at næringssubstrater ikke udviklede mikroorganismevækst, hvis de var blevet forseglet inden de var blevet opvarmet. Needham svarede igen, ved at påstå at ”den vitale kraft” der var nødvendig for spontan genese, var blevet ødelagt ved kogningen og at forseglingen forhindrede denne kraft i at komme ned i flaskerne.
Spallanzanis observationer blev også kritiseret på grund af at man mente der ikke var nok oxygen til stede i flaskerne, til at levende mikroorganismer kunne udvikle sig.
1.3.3 Teorien om biogenese
I 1858 udfordrede Rudolf Virchow den spontane genese med konceptet biogenese, ved at opstille en hypotese om, at levende celler kun kunne opstå fra allerede eksisterende levende celler. Fordi han ikke kunne stille nogle beviser for sin teori, fortsatte diskussionerne omkring spontan genese frem til 1861, hvor den franske videnskabsmand Louis Pasteur satte endeligt punktum i sagen.
Pasteur viste, at der er mikroorganismer til stede i luften, der kan forurene sterile opløsninger, men luften selv ikke kan danne mikroorganismer. Han fyldte adskillige korthalsede flasker med oksefond og kogte dem herefter. Nogle af dem forblev åbne og fik log til at afkøle. På få dage, blev disse fundet forurenet med mikroorganismer. De andre flasker, der var blevet forseglet efter opvarmningen, var stadig fri for mikroorganismer. Ud fra disse resultater, resonerede Pasteur, at mikroorganismer i luften var ansvarlige for at forurene ikke-levende stof.
Pasteur gentog forsøget, ved at hælde fond i flasker med meget lang åben hals, hvorefter han bøjede halsen til en S-form. Indholdet af flaskerne blev herefter kogt og efterfølgende afkølet. Fonden i de flaskerne henfaldt ikke og viste ikke nogen spor af liv, selv efter måneder. Pasteurs unikke design, tillod luft at passere ind i flasken, men den S-formede hals fangede luftbårne mikroorganismer, der kunne forurene indholdet (nogle af disse originale flasker er stadig udstillet på Pasteur Institute i Paris. De er dog blevet forseglet, men som flaskerne i forsøget, viser de stadig ingen tegn på forurening, selv her mere end 100 år efter).
Pasteur viste, at mikroorganismer kan være til stede i ikke-levende materialer – på faste stoffer, i væsker og i luften. Ydermere viste han endegyldigt af mikrobielt liv kan ødelægges med varme og at metoder kan udvikles, for at forhindre adgang for luftbårne mikroorganismer til næringsmedier. Disse opdagelser danner grundlaget for de aseptiske teknikker, som er procedurer der forhindrer forurening med uønskede mikroorganismer og er standardprocedure i laboratorier og for mange medicinske procedurer. Moderne aseptiske teknikker, er blandt det første en kommende mikrobiolog lærer.
Pasteurs arbejder, leverede bevis for, at mikroorganismer ikke stammer fra mystiske kræfter, som er til stede i ikke levende materialer. Al fremkomst af ”spontant” liv i ikke-levende opløsninger, kunne tilskrives mikroorganismer der allerede er til stede i luften eller i væskerne selv. Videnskabsfolk mener nu, at en form for spontan genese sandsynligvis alligevel opstod på den primitive Jord, da livet første gang så dagens lys, men de er alle enige om, at dette ikke forekommer under nutidens miljømæssige betingelser.
1.3.4 Mikrobiologiens guldalder
Perioden fra 1857 til 1914 er meget passende blevet kaldt for mikrobiologiens guldalder. Hurtige fremskridt, som hovedsageligt Pasteur og Robert Koch stod i spidsen for, ledte til etableringen af mikrobiologi som videnskab. Opdagelserne inkluderede både årsagerne til sygdomme og immunitetens rolle i forebyggelse og helbredelse af sygdomme. Gennem denne produktive periode, studerede mikrobiologer mikroorganismernes kemiske aktiviteter, forbedrede teknikkerne for mikroskopi og dyrkning af mikroorganismer og udviklede vacciner og kirurgiske teknikker.
Fermentering og pasteurisering
Et af de hovedskridt, der etablerede forholdet mellem mikroorganismer og sygdomme, skete af en gruppe af franske handelsmænd bad Pasteur finde ud af, hvorfor vin og øl syrnede. De håbede på at udvikle en metode der ville forhindre fordærv, når disse drikkevarer blev transporteret over lange afstande. På den tid, troede mange videnskabsfolk, at luft forvandlede sukker i disse drikkevarer, til alkohol. Pasteur fandt i stedet ud af, at mikroorganismer kaldet gær, omdannede sukker til alkohol når der ikke var luft til stede. Denne proces, kaldes for fermentering og bruges til at lave vin og øl. Syrning og fordærvelse bliver forårsaget af forskellige mikroorganismer, kaldet bakterier. Når der er luft til stede, omdanner bakterierne sukkeret til eddike (eddikesyre).
Pasteurs løsning på problemet, var at varme øllet og vinen så meget op, at det lige var nok til at dræbe de fleste af bakterierne der var årsagen til fordærvelsen. Denne proces kaldes for pasteurisering og er i dag vidt brugt til at reducere fordærv og dræbe potentielt farlige bakterier i mælk og i nogle alkoholiske drikke.
Teorien om sygdom og bakterier
Før Pasteurs tid, blev mange effektive behandlinger for sygdomme, opdaget ved at prøve sig frem. Erkendelsen af, at gær spiller en central rolle i fermentering, var den første forbindelse mellem en mikroorganismes aktivitet og fysiske og kemiske ændringer i organiske materialer. Denne opdagelse, advarede videnskabsfolk om, at lignende forhold mellem mikroorganismer og dyr og planter, kunne gøre sig gældende. I sær, at mikroorganismer kunne forårsage sygdomme. Denne ide blev kendt som Teorien om sygdom og bakterier.
Teorien mødte stor modstand i begyndelsen, fordi man i århundrede troede, at sygdomme var en straf for den individuelles forbrydelser eller ugerninger. Når indbyggerne i en hel landsby blev syge, skød folk ofte skylden på dæmoner der optrådte som modbydelige lugte fra affald, elle på giftige dampe fra sumpe. De fleste folk på Pasteurs tid, fandt det uforståeligt at ”usynlige” mikroorganismer kunne rejse gennem luften, for at inficere planter og dyr, eller at de kunne blive siddende i tøj og sengelinned og dermed blive overført fra en person til en anden. På trods af tvivlen, oparbejdede videnskabsfolk gradvist den information de behøvede, for at støtte den nye teori om sygdom og bakterier.
I 1865 blev Pasteur tilkaldt, for at bekæmpe en sygdom hos silkeorme, der truede med at ruinere hele den Europæiske silkeindustri. Årtier tidligere, havde amatørmikroskopisten Agostino Bassi bevist, at en anden sygdom hos silkeorm var forårsaget af en svamp. Ved at bruge data fremskaffet af Bassi, fandt Pasteur frem til, at den nye infektion blev forårsaget af en protozo og han udviklede en metode, til at genkende de inficerede silkemøl.
I 1860’erne, anvendte Joseph Lister, en engelsk kirurg, teorien om sygdom og bakterier til medicinske procedurer. Lister var klar over, at en ungarsk læge ved navn Ignaz Semmelweis, i 1840’erne havde bevist, at læger der ikke desinficerede deres hænder, rutinemæssigt overførte infektioner fra en obstetrisk patient til en anden. Lister havde også hørt om Pasteurs arbejde om forbindelsen mellem mikroorganismer og sygdomme hos dyr. Desinfektionsmidler blev ikke brugt på den tid, men Lister vidste at phenol (en carboxylsyre) dræber bakterier, så han begyndte at behandle kirurgiske står med en phenolopløsning. Denne praksis, reducerede forekomsten af infektioner og dødsfald, at andre kirurger hurtigt adopterede denne praksis.
Det første bevis på, at bakterier faktisk kan forårsage sygdom, kom fra Robert Koch i 1876. Koch, en tysk læge, var Pasteurs konkurrent i kapløbet om at opdage årsagen til miltbrand, en sygdom der dræbte får og kvæg i Europa. Koch opdagede en stavformet bakterie, i dag kendt som Bacillus anthracis, i blodet på kvæg der var døde af miltbrand. Han dyrkede bakterierne i næringssubstrat og indsprøjtede prøver af kulturen ind i sunde dyr. Da disse dyr blev syge og døde, isolerede Koch bakterierne i deres blod og sammenlignede dem med de oprindeligt isolerede bakterier. Han fandt at de to sæt blodkulturer indeholdt den samme bakterie.
Koch, etablerede herefter Kochs postulater, som er en sekvens af eksperimentelle trin, til direkte at relatere en specifik mikroorganisme til en bestemt sygdom. Gennem de seneste 100 år, har disse kriterier været uvurderlige i undersøgelser, der beviser at specifikke mikroorganismer forårsager mange sygdomme. Kochs postulater, og deres begrænsninger, vil blive behandlet mere detaljeret i et senere afsnit.
Vaccination
Ofte bliver en behandling eller en forebyggende behandling, udviklet før videnskabsfolkene ved hvorfor den virker. Skoldkoppevaccinen er et eksempel. Næsten 70 år før Koch fastslog, at specifikke mikroorganismer forårsagede specifikke sygdommen miltbrand, havde den unge engelske læge, Edward Jenner, indledt et eksperiment der havde til formål at beskytte folk mod skoldkopper. Sygdommen fejede med jævne mellemrum gennem Europa og dræbte i tusindevis. Sygdommen udslettede også 90% af den indfødte indianske befolkning på den amerikanske østkyst, da Europæiske nybyggere bragte sygdommen med sig til den nye verden (USA).
Da en ung malkepige fortalte Jenner, at hun ikke kunne blive syg af skoldkopper fordi hun allerede havde haft kokopper – en meget mildere sygdom – besluttede han sig for at teste den unge piges historie. Først indsamlede Jenner udskrab fra kokoppeblærer. Herefter indsprøjtede han en sund otte årig frivillig med kokoppemateriet, ved at kradse personens arm, med en kokoppeinficeret nål. Riften svulmede op til en hævet bule. Et par dage senere, blev den frivillige små syg, men kom sig hurtigt og pådrog sig aldrig herefter hverken kokopper eller skoldkopper. Beskyttelsen mod sygdommen opnået gennem vaccination (eller ved at komme sig over selve sygdommen) kaldes immunitet. Mekanismerne ved immunitet, vil blive behandlet mere detaljeret i et senere afsnit.
År efter Jenners eksperiment, opdagende Pasteur hvorfor vaccinationer virker. Han fandt, at bakterien der forårsager fjerkræskolera, mistede sin evne til af fremkalde sygdom (den mistede sin virulens eller blev avirulent), efter den var blevet dyrket i laboratoriet gennem en lang periode. Dog var den i stand til – og andre mikroorganismer med formindsket virulens – at skabe immunitet mod efterfølgende infektioner fra dens fuldt virulente modparter. Opdagelsen af dette fænomen, gav et fingerpeg om Jenners succesfulde eksperiment med kokopper. Både ko- og skoldkopper er forårsaget af vira. Selvom kokoppevirus ikke er et laboratoriefremstillet derivat af skoldkopper, har den en så tæt familiær forbindelse til skoldkoppevirusen, at den kan fremkalde immunitet mod begge vira. Pasteur brugte begrebet vaccine for de avirulente kulturer af mikroorganismer brugt til indsprøjtningerne (Det latinske ord vacca betyder ko – dermed ærer begrebet vaccination, Jenners tidligere arbejde med kokoppeinsprøjtningerne).
Jenners eksperiment var faktisk ikke den første gang et levende viralt middel – i Jenners tilfælde, kokoppevirusen – blev brugt til at frembringe immunitet. I staren af 1500-tallet, havde kinesiske læger immuniseret patienter mod skoldkopper, ved at tage skæl fra indtørrende pustler fra personer der led af en mild skoldkoppeinfektion. Af disse pustler, fremstilledes et pulver ved at knuse pustlerne, og putte pulveret op i næsen på de personer der skulle beskyttes.
Nogle vacciner, produceres stadig af avirulente mikrobielle stammer, der stimulerer immunitet til den relaterede virulente stamme. Andre vacciner fremstilles af dræbte virulente mikroorganismer, af isolerede komponenter af virulente mikroorganismer eller ved gensplejsningsteknikker.
1.3.5 Fødslen af den moderne kemoterapi – Drømmen om den ”Magiske Kugle”
Efter forholdet mellem mikroorganismer og sygdomme var blevet fastslået, fokuserede medicinske mikrobiologer herefter søgen efter stoffer, der kunne ødelægge patogene mikroorganismer uden at skade det inficerede dyr eller menneske. Behandling hvor der anvendes kemiske stoffer kaldes for kemoterapi (begrebet anvendes også ofte om behandling af ikke-infektionssygdomme som for eksempel kræft). Kemikalier, produceret naturligt af mikroorganismer, til beskyttelse imod andre mikroorganismer, kaldes for antibiotika. Kemoterapeutiske stoffer, fremstillet i laboratoriet, kaldes for syntetisk medicin. Succesen bag kemoterapi er baseret på de fakta, at nogle kemikalier er mere giftige for mikroorganismerne end for værten der er inficeret med dem. Antimikrobiel terapi, vil blive behandlet mere detaljeret i et senere afsnit.
De første syntetiske mediciner
Paul Ehrlich var den opfindsomme tænker, der affyrede det første skud i den kemoterapeutiske revolution. Som medicinstuderende, spekulerede Ehrlich på en ”magisk kugle”, der kunne jagte og ødelægge et patogen uden at skade den inficerede vært. I 1910, efter at have testet hundredevis af stoffer, fandt han et kemoterapeutisk stof kaldet salvarsan, som er et arsenikderivat effektivt mod syfilis. Stoffet blev kaldt salvarsan, fordi det blev betragtet som at yde frelse (af engelsk salvation) mod syfilis og fordi det indeholdt arsenik. Før denne opdagelse, var det eneste kendte kemikalie i Europas medicinske arsenal, et ekstrakt fra barken på et Sydamerikansk træ, kinin, der var blevet brugt af de spanske conquestadorer til behandling af malaria.
Sidst i 1930’erne, havde forskere udviklet adskillige andre syntetiske mediciner der kunne ødelægge mikroorganismer. De fleste af disse stoffer, var derivater af farvestoffer. Dette var fordi de fremstillede farver til tekstiler, rutinemæssigt blev testet for antimikrobielle egenskaber, af mikrobiologer der ledte efter den ”magiske kugle”, sulfonamider blev fremstillet første gang omkring samme tidspunkt.
Et heldigt uheld – Antibiotika
Det første antibiotika, blev opdaget ved et uheld. Alexander Flemming, en skotsk læge og bakteriolog, var lige ved at smide nogle dyrkningsplader ud fordi de var blevet forurenet med skimmelsvampe. Han bemærkede heldigvis et sært vækstmønster på pladerne – et klart område omkring skimmelsvampene, hvor bakterievæksten var blevet hæmmet. Skimmelsvampen blev kendt som Penicillium chrysogenum og dens aktive inhibitor blev kaldt penicillin. Penicillin er således et antibiotikum produceret af en svamp. Den enorme anvendelighed af penicillin, stod ikke klart indtil 1940’erne, hvor det endeligt blev klinisk testet og sat i masseproduktion.
Siden disse tidlige opdagelser, er tusinde andre antibiotika blevet opdaget. Uheldigvis, er antibiotika og andre kemoterapeutiske mediciner ikke uden problemer. Mange antimikrobielle kemikalier dræber mikroorganismer, med skader også den inficerede vært. Af årsager der vil blive belyst senere, er giftigheden for mennesker en særligt problem, ved mediciner udviklet til behandling af virale infektioner. Viral vækst, er afhængig af livsprocesserne af normale værtsceller. Derfor er der meget få succesfulde antivirale mediciner, fordi et stof der blander sig i den virale reproduktion, også med stor sandsynlighed vil påvirke uinficerede celler i kroppen.
Henover årene, har mange mikroorganismer også udviklet resistens mod antibiotika der tidligere var effektive mod dem. Resistensen er et resultat af genetiske ændringer i mikroorganismerne der gør det muligt for dem at tolerere bestemte mængder af antibiotika, der normalt ville hæmme dem. For eksempel kan en mikroorganisme producere enzymer der inaktiverer antibiotika eller en mikroorganisme kan ændre opbygningen af dens cellemembran, så antibiotikummet hindres i at sætte sig på overfladen, eller trænge ind i cellen.
Den seneste fremkomst af vancomycin-resistente Staphylococcus aureus og Enterococcus faecalis har foruroliget sundhedspersonale, da det indikerer at nogle bakterieinfektioner der tidligere kunne behandles, snart kan blive umulige at behandle med antibiotika.
1.3.6 Moderne udviklinger i mikrobiologien
Opgaven med at løse medicinresistens, identificere vira og udvikle vacciner, kræver sofistikeret forskningsteknikker, man aldrig havde forestillet sig på Pasteurs og Kochs tid.
Fundamentet der blev lagt under mikrobiologiens guldalder, dannede grundlag for flere monumentale resultater i årene efter. Nye grene af mikrobiologien blev udviklet, inklusiv immunologi og virologi. Senest har udviklingen af et sæt nye metoder, kaldet rekombinant DNA-teknologi, revolutioneret forskning og praktisk anvendelse på alle områder af mikrobiologien.
Bakteriologi, mycologi og parasitologi
Bakteriologi, der er studiet af bakterier, begyndte med vand Leeuwenhoeks første undersøgelser af tandudskrab. Nye patogene bakterier opdages stadig regelmæssigt. Mange bakteriologer, som Pasteur, kigger på bakteriernes rolle i føde og i miljøet. En spændende opdagelse, kom i 1997, da Heide Schulz opdagede en bakterie, der var stor nok til at kunne ses med det blotte øje (0,2 mm bred). Denne bakterie, kaldet Thiomargarita namibiensis, lever i mudderet på den afrikanske kyst. Thiomargarita er usædvanlig på grund af dens størrelse og miljømæssige niche. Bakterien spiser hydrogensulfid, der er giftig for dyr der ellers lever i mudderet.
Mycologi, der er studiet af svampe, inkluderer medicinske, landbrugs- og miljømæssige grene. Svampeinfektionsraterne er steget gennem det senest årti og er ansvarlig for ca. 10% af alle hospitalserhvervede infektioner. Klimatiske og miljømæssige ændringer (alvorlig tørke), menes at være ansvarlig for en tifold øgning af infektioner med Coccidioides immitis i Californien alene. Nye metoder og teknikker til diagnosticering og behandling af svampeinfektioner bliver i øjeblikket undersøgt.
Parasitologi, er studiet af protozoer og parasitiske orm. Fordi mange parasitiske orm, er store nok til at kunne ses med det blotte øje, har de været kendt i flere tusinde år. Der er spekulationer fremme om, at medicinens symbol, Asclepius’ stav, repræsenterer fjernelsen af den parasitiske Guinea orm. Asclepius var en græsk læge der praktiserede omkring år 1.200 før vor tidsregning og som blev guddommeliggjort som medicinens gud.
Rydningen af rengskovene, har udsat arbejderne for hidtil ukendte parasitter. Parasitiske sygdomme, som indtil fornylig var ukendte, bliver også fundet i patienter hvis immunforsvar er blevet undertrykt på grund af organtransplantationer, kræft kemoterapi eller AIDS.
Bakteriologi, mycologi og parasitologi gennemgår i øjeblikket en guldalder for klassifikation. De nyeste fremskridt i genomforskning, som er studiet af alle levende organismers gener, har gjort det muligt for videnskabsfolk, at klassificere bakterier, svampe og protozoer i forhold til deres genetiske relationer med andre bakterier, svampe eller protozoer. Disse mikroorganismer, blev tidligere klassificeret i forhold til et begrænset antal synlige karakteristika.
Immunologi er studiet af immunitet. Viden om immunsystemet har oparbejdet sig støt og er vokset hurtigt. Vacciner er nu tilgængelige for en lang række sygdomme, blandt andet mæslinger, røde hunde, fåresyge, skoldkopper, pneumokok lungebetændelse, stivkrampe, tuberkulose, influenza, kighoste polio og hepatitis B. Skoldkoppevaccinen var så effektiv, at sygdommen i dag regnes for udryddet. Verdenssundhedsorganisationen (WHO) vurderer at polio vil være udryddet inden for få år på grund af poliovaccinen.
Et stort fremskridt i immunologi kom i 1933, da Rebecca Lancefield foreslog, at streptokokker blev klassificeret i forhold til serotyper (varianter inden for samme art), baseret på bestemte komponenter i cellevæggene på bakterien. Streptokokker er ansvarlig for en række sygdomme, som for eksempel ondt i halsen (halsbetændelse), streptokoktoksisk shock syndrom, og septikæmi (blodforgiftning).
I 1960, blev interferoner, som er stoffer produceret af kroppens eget immunforsvar, opdaget. Interferoner hæmmer replikeringen af vira og ar udløst omfattende forskning på området for behandling af virale sygdomme og kræft. En af nutidens største udfordringer for immunologer, er at lære hvordan immunforsvaret stimuleres til afværge den virus der er ansvarlig for AIDS, en sygdom der nedbryder immunforsvaret.
Virologi
Studiet af vira, virologi, stammer fra mikrobiologiens guldalder. Dmitri Iwanowski rapporterede i 1892, at organismen der forårsagede mosaiksyge i tobaksplanter, var så lille, at den kunne passere igennem filtre der var fine nok til at stoppe alle kendte bakterier. På det tidspunkt, var Iwanowski ikke klar over at denne organisme var en virus. Wendell Stanley, viste i 1935, at organismen kaldet tobaksmosaikvirus, var fundamentalt anderledes end andre mikroorganismer, og så simpel og homogen, at den kunne krystalliseres på samme måde som et kemisk stof. Stanleys arbejde lettede studiet af den virale struktur og kemi. Siden udviklingen af elektronmikroskopet i 1940’erne, har mikrobiologer været i stand til at studere viras struktur i detaljer og der vides i dag meget som deres struktur og aktivitet.
Rekombinant DNA-teknologi
Mikroorganismer, kan i dag genetisk modificeres til at fremstille en langrække humane hormoner og medicinske stoffer til andre vigtige behov. Sidst i 1960’erne, viste Paul Bergman, at fragmenter af menneskelig eller dyrisk DNA (gener), der koder for vigtige proteiner, kunne indsættes i bakteriers DNA. Den fremkomne hybrid var det første eksempel på rekombineret DNA. Rekombineret DNA-teknologi (rDNA-teknologi), indsætter rekombineret DNA ind i bakterier (eller andre mikroorganismer) for at lave store mængder af et ønsket protein. Dette felt kombinerer elementer fra to andre studieområder, mikrobiel genetik, der undersøger de mekanismer hvorved mikroorganismer nedarver egenskaber og molekylær biologi, der kigger på hvordan genetisk information bæres i DNA molekylerne og hvordan DNA styrer syntesen af proteiner.
Selvom molekylær biologi omfavner alle organismer, er meget af vores viden om hvordan gener bestemmer bestemte egenskaber, blevet afsløres gennem forsøg med bakterier. Encellede organismer, primært bakterier, har adskillige fordele i forhold til genetisk og biokemisk forskning. Bakterier er mindre komplekse end planter og dyr, og mange bakteriers livscyklus, spænder over mindre end en time. Videnskabsfolk kan derfor dyrke store mængder bakterier til undersøgelse på relativ kort tid.
Da videnskaben først havde vendt sig mod undersøgelsen af encellet liv, skete der hurtige fremskridt i forskningen i genetik. George W. Beadle og Edward L. Tatum, viste i 1940’erne forholdet mellem gener og enzymer; DNA blev etableret som det nedarvelige materiale af Oswald Avery, Colin MacLeod og Maclyn McCarty; og Joshua Lederberg og Edward Tatum opdagede at genetisk materiale kunne overføres fra en bakterie til en anden ved en proces kaldet konjugation. Så i 1950’erne, foreslog James Watson og Francis Crick, en model for DNAs struktur og replikering. Begyndelsen af 1960’erne, var også vidne til en yderligere eksplosion af opdagelser vedrørende den måde DNA styrer proteinsyntesen. François Jacob og Jacques Monod opdagede messenger-RNA (mRNA), et kemikalie involveret i proteinsyntese, og senere gjorde de den første store opdagelse, omkring regulering af genfuktionen i bakterier. I samme periode, blev videnskabsfolk i stand til at knække den genetiske kode og dermed forstå hvordan informationen for proteinsyntese i mRNA bliver oversat til aminosyresekvenserne for fremstilling af proteiner.