《微生物学研究生》课件

微生物学研究生课程概述系统探索微观世界奥秘研究微生物结构、功能与应用课程目标和学习成果掌握微生物学基础理论深入理解微生物分类、结构与生理熟练实验技术与方法培养、分离、鉴定与分子生物学技术培养科研思维与能力设计实验、分析数据与解决问题了解学科前沿进展微生物学的历史和发展117世纪列文虎克发现微生物219世纪巴斯德推翻自然发生说320世纪初弗莱明发现青霉素420世纪中期DNA结构解析与分子生物学兴起521世纪组学技术与合成生物学蓬勃发展微生物的分类和多样性细菌原核单细胞微生物病毒非细胞形态生命真菌真核微生物原生生物单细胞真核微生物微藻光合自养微生物原核生物vs真核生物原核生物无核膜无膜结合细胞器环状DNA细胞结构简单代表：细菌、古菌真核生物有核膜含多种膜结合细胞器线性染色体细胞结构复杂代表：真菌、原生生物细菌的细胞结构细胞壁革兰阳性菌：肽聚糖层厚革兰阴性菌：外膜+薄肽聚糖层细胞膜磷脂双分子层控制物质转运核区环状DNA无核膜包被细胞附属结构鞭毛：运动菌毛：黏附荚膜：保护病毒的结构和分类1结构特点核酸+蛋白质壳2形态分类杆状、球形、螺旋形、多面体3核酸类型DNA病毒、RNA病毒4宿主范围动物病毒、植物病毒、细菌病毒真菌的形态和生理形态多样性单细胞酵母、多细胞丝状真菌繁殖方式有性生殖、无性生殖生态角色腐生、寄生、共生应用价值食品发酵、药物生产、环境治理微生物的营养需求碳源有机碳源或二氧化碳氮源氨盐、硝酸盐或有机氮氧气需求好氧、厌氧、兼性微生物矿物质磷、钾、镁等大量元素生长因子维生素、氨基酸等辅助因子微生物的生长曲线延滞期适应环境，准备分裂对数期快速分裂，数量指数增长平衡期新生与死亡平衡衰亡期营养耗尽，死亡率增加影响微生物生长的环境因素pH值酸碱度大多数细菌适宜pH6-8温度生长温度范围嗜冷、嗜温、嗜热微生物水分水活性影响酶活性与代谢速率压力渗透压与气压深海微生物耐高压微生物的代谢途径糖酵解葡萄糖分解为丙酮酸TCA循环丙酮酸氧化为CO₂，产生还原力电子传递链产生跨膜质子动力氧化磷酸化合成ATP提供能量发酵过程和产物乳酸发酵酒精发酵丙酸发酵丁酸发酵混合酸发酵微生物在无氧条件下通过发酵产生多种有价值的代谢产物乳酸发酵在食品工业中应用最广泛微生物的能量代谢光合作用光能转化为化学能有氧呼吸完全氧化有机物，产能高无氧呼吸使用替代电子受体发酵部分氧化有机物，产能低微生物基因组学概述研究微生物基因组结构、功能与进化高通量测序技术推动研究发展DNA复制和转录过程1DNA复制解旋-引物合成-延伸-连接转录RNA聚合酶结合-链延伸-终止3翻译核糖体转化mRNA为蛋白质后转译修饰蛋白质折叠与功能调控蛋白质的生物合成转录DNA转录为mRNAmRNA加工真核生物中进行剪接与修饰tRNA氨基酸化tRNA与相应氨基酸结合核糖体翻译起始-延伸-终止三阶段蛋白质折叠形成功能性三维结构基因表达调控机制转录水平调控启动子与增强子转录因子结合操纵子系统翻译水平调控核糖体结合位点调节mRNA稳定性非编码RNA调控蛋白质水平调控翻译后修饰蛋白质降解途径反馈抑制微生物的遗传变异10⁻⁶自发突变率每代每基因组的突变概率3种基因水平转移转化、转导与接合数百种移动遗传元件插入序列、转座子与整合子多样性重组机制促进遗传多样性产生突变和DNA修复突变原因自发错误、辐射、化学物质突变类型点突变、缺失、插入、倒位修复机制碱基切除修复、错配修复、光修复进化意义遗传多样性来源，适应环境变化横向基因转移转化作用直接吸收环境DNA接合作用通过性菌毛传递DNA转导作用噬菌体介导的基因转移质粒和转座子质粒独立于染色体的环状DNA自主复制能力携带抗药性、毒力等基因可通过接合转移基因工程重要载体转座子可移动DNA序列在基因组内转位携带有益或有害基因促进遗传重组增加基因组可塑性微生物的基因工程技术1目标基因分离PCR扩增或基因合成基因编辑限制性内切酶或CRISPR技术基因重组连接酶构建重组DNA转化与筛选导入宿主细胞并筛选阳性克隆CRISPR-Cas9系统及应用原理RNA引导的DNA切割系统组成Cas9核酸酶和引导RNA优势高效、精准、简便、多靶点应用基因敲除、基因修饰、抗病育种微生物组学研究方法样品采集保证代表性与完整性DNA/RNA提取高效裂解与纯化2测序与分析16S测序或宏基因组学数据处理生物信息学分析流程功能验证培养组学与实验验证宏基因组学分析环境样本采集无需分离培养单一菌株总DNA提取获取所有微生物遗传物质高通量测序产生海量序列数据生物信息分析物种组成与功能注释微生物生态学原理种群动态微生物种群增长与调控群落互作竞争、互利、共生关系物质循环碳氮等元素生物地球化学循环生态平衡微生物在生态系统中的平衡作用微生物群落结构和功能微生物多样性指数功能多样性不同生态系统中微生物多样性与功能差异明显土壤拥有最高的物种和功能多样性微生物与环境的相互作用适应与进化环境选择压力微生物快速适应基因突变与转移环境改造改变pH值释放代谢产物分解复杂物质生态功能物质循环能量流动维持生态平衡土壤微生物学10⁹每克土壤细菌数量数量庞大，多样性丰富10⁶每克土壤真菌数量菌丝网络遍布土壤30%全球碳储存比例土壤微生物参与碳固定90%土壤生化反应由微生物介导完成水体微生物学表层水域光合微生物为主中层水域好氧异养微生物丰富深层水域厌氧微生物占主导沉积物特化分解者群落极端环境微生物学嗜热菌：生存于80-110°C环境嗜盐菌：耐受高达30%盐度嗜酸菌：pH值低至0.5环境中生长嗜冷菌：南极-15°C环境中活跃微生物与植物的相互作用根际微生物促进植物生长，增加养分吸收叶际微生物参与植物表面防御菌根共生扩展根系吸收面积内生菌提高植物抗逆性微生物与动物的共生关系反刍动物瘤胃分解纤维素，提供营养鱼类肠道共生促进营养吸收，增强免疫昆虫内共生菌提供必需营养物质发光细菌共生海洋生物利用微生物发光人体微生物组研究进展肠道口腔皮肤泌尿生殖道上呼吸道其他人体微生物总数约39万亿，超过人体细胞数量肠道微生物组在人体健康中作用最为重要病原微生物学概述病毒引起流感、艾滋病等细菌引起肺炎、结核等3真菌引起皮肤病、肺炎等寄生虫引起疟疾、血吸虫病等细菌感染的分子机制定植通过黏附因子附着宿主细胞入侵穿透上皮屏障进入宿主组织逃避免疫产生荚膜或改变抗原毒力因子释放分泌毒素或使用分泌系统扩散与损伤造成宿主组织损伤病毒感染和复制周期吸附病毒识别宿主细胞受体穿透病毒进入宿主细胞脱壳释放病毒核酸生物合成复制基因组和合成蛋白组装与释放新病毒形成并释放真菌致病机制侵袭因子黏附素水解酶菌丝穿透能力形态转换毒力因素真菌毒素荚膜形成生物膜形成耐受氧化应激免疫逃避机制隐匿抗原抑制补体激活干扰吞噬作用调节宿主免疫反应微生物毒素和致病因子外毒素分泌到细胞外高度特异性常为蛋白质例：肉毒杆菌毒素内毒素脂多糖成分革兰阴性菌细胞壁引发炎症反应可导致休克其他致病因子侵袭酶荚膜黏附分子分泌系统宿主免疫应答先天免疫物理屏障、巨噬细胞、NK细胞炎症反应细胞因子释放、血管通透性增加3抗原呈递识别病原并激活特异性免疫获得性免疫T细胞、B细胞、抗体反应免疫记忆记忆细胞形成，预防再感染微生物的抗药性机制药物失活产生分解抗生素的酶1靶点改变修饰抗生素结合位点2外排系统将抗生素泵出细胞3通透性降低减少抗生素进入细胞4替代代谢途径绕过被抑制的代谢环节5新发传染病和人兽共患病COVID-192019年出现的冠状病毒病禽流感禽类源性流感病毒埃博拉蝙蝠源性出血热病毒疫苗开发策略抗原选择确定保护性抗原疫苗类型灭活、减毒、亚单位或核酸疫苗佐剂与递送系统增强免疫应答效果临床试验安全性与有效性评估抗生素研发现状新抗生素开发速度明显放缓耐药性问题日益严重需投入更多资源促进新药研发工业微生物学应用60%生物制药抗生素与酶制剂生产35%食品工业发酵食品与饮料42%生物能源生物乙醇与沼气生产25%化学品生产有机酸与氨基酸食品微生物学益生菌在发酵乳制品中的应用奶酪成熟过程中的微生物转化泡菜发酵中的乳酸菌作用啤酒酿造中酵母的发酵过程农业微生物学固氮微生物根瘤菌与豆科植物共生蓝藻固定大气氮减少化肥使用促生菌产生植物激素溶解磷酸盐提高作物产量生物防控拮抗病原微生物寄生昆虫害虫减少农药使用环境微生物学与生物修复石油降解降解海洋油污染物重金属处理微生物吸附或还原重金属有机废物处理堆肥与厌氧消化植物辅助修复微生物与植物协同净化微生物燃料电池技术工作原理微生物分解有机物释放电子通过外电路产生电流阳极：微生物生物膜阴极：氧气还原反应优势与应用废水处理同时发电环境友好可再生能源生物传感器应用污染物原位检测合成生物学与微生物改造基因电路设计计算机辅助设计基因网络DNA合成人工合成基因片段基因组编辑CRISPR技术精准修饰微生物底盘改造构建标准化微生物平台功能验证测试改造微生物性能微生物组学在精准医疗中的应用个体化用药肠道菌群影响药物代谢微生物疗法益生菌、粪菌移植治疗生物标志物微生物组成预测疾病风险免疫调节微生物影响免疫系统功能微生物实验室生物安全BSL-4最高防护，致命病原体BSL-3高度防护，结核杆菌等BSL-2中度风险病原体BSL-1低风险微生物微生物培养技术进展微流控培养单细胞水平培养与分析扩散室培养模拟自然环境条件3D打印培养系统构建复杂三维培养环境微生物分子检测方法125PCR技术扩增特异性核酸序列原位杂交直接检测组织中微生物芯片技术高通量筛查多种微生物CRISPR检测快速、高灵敏度诊断测序技术宏基因组检测未知病原体生物信息学在微生物学中的应用序列分析基因注释与功能预测比较基因组学多物种基因组比较系统发育分析构建进化关系树宏基因组分析复杂样品中物种鉴定网络分析代谢与调控网络研究微生物学前沿研究热点基因编辑技术改造微生物