《微生物學(xué)研究生》課件

微生物學(xué)研究生課程概述系統(tǒng)探索微觀世界奧秘研究微生物結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)成果掌握微生物學(xué)基礎(chǔ)理論深入理解微生物分類、結(jié)構(gòu)與生理熟練實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法培養(yǎng)、分離、鑒定與分子生物學(xué)技術(shù)培養(yǎng)科研思維與能力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)與解決問題了解學(xué)科前沿進(jìn)展微生物學(xué)的歷史和發(fā)展117世紀(jì)列文虎克發(fā)現(xiàn)微生物219世紀(jì)巴斯德推翻自然發(fā)生說320世紀(jì)初弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素420世紀(jì)中期DNA結(jié)構(gòu)解析與分子生物學(xué)興起521世紀(jì)組學(xué)技術(shù)與合成生物學(xué)蓬勃發(fā)展微生物的分類和多樣性細(xì)菌原核單細(xì)胞微生物病毒非細(xì)胞形態(tài)生命真菌真核微生物原生生物單細(xì)胞真核微生物微藻光合自養(yǎng)微生物原核生物vs真核生物原核生物無核膜無膜結(jié)合細(xì)胞器環(huán)狀DNA細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單代表：細(xì)菌、古菌真核生物有核膜含多種膜結(jié)合細(xì)胞器線性染色體細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜代表：真菌、原生生物細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁革蘭陽性菌：肽聚糖層厚革蘭陰性菌：外膜+薄肽聚糖層細(xì)胞膜磷脂雙分子層控制物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)核區(qū)環(huán)狀DNA無核膜包被細(xì)胞附屬結(jié)構(gòu)鞭毛：運(yùn)動菌毛：黏附莢膜：保護(hù)病毒的結(jié)構(gòu)和分類1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)核酸+蛋白質(zhì)殼2形態(tài)分類桿狀、球形、螺旋形、多面體3核酸類型DNA病毒、RNA病毒4宿主范圍動物病毒、植物病毒、細(xì)菌病毒真菌的形態(tài)和生理形態(tài)多樣性單細(xì)胞酵母、多細(xì)胞絲狀真菌繁殖方式有性生殖、無性生殖生態(tài)角色腐生、寄生、共生應(yīng)用價(jià)值食品發(fā)酵、藥物生產(chǎn)、環(huán)境治理微生物的營養(yǎng)需求碳源有機(jī)碳源或二氧化碳氮源氨鹽、硝酸鹽或有機(jī)氮氧氣需求好氧、厭氧、兼性微生物礦物質(zhì)磷、鉀、鎂等大量元素生長因子維生素、氨基酸等輔助因子微生物的生長曲線延滯期適應(yīng)環(huán)境，準(zhǔn)備分裂對數(shù)期快速分裂，數(shù)量指數(shù)增長平衡期新生與死亡平衡衰亡期營養(yǎng)耗盡，死亡率增加影響微生物生長的環(huán)境因素pH值酸堿度大多數(shù)細(xì)菌適宜pH6-8溫度生長溫度范圍嗜冷、嗜溫、嗜熱微生物水分水活性影響酶活性與代謝速率壓力滲透壓與氣壓深海微生物耐高壓微生物的代謝途徑糖酵解葡萄糖分解為丙酮酸TCA循環(huán)丙酮酸氧化為CO?，產(chǎn)生還原力電子傳遞鏈產(chǎn)生跨膜質(zhì)子動力氧化磷酸化合成ATP提供能量發(fā)酵過程和產(chǎn)物乳酸發(fā)酵酒精發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵微生物在無氧條件下通過發(fā)酵產(chǎn)生多種有價(jià)值的代謝產(chǎn)物乳酸發(fā)酵在食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛微生物的能量代謝光合作用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能有氧呼吸完全氧化有機(jī)物，產(chǎn)能高無氧呼吸使用替代電子受體發(fā)酵部分氧化有機(jī)物，產(chǎn)能低微生物基因組學(xué)概述研究微生物基因組結(jié)構(gòu)、功能與進(jìn)化高通量測序技術(shù)推動研究發(fā)展DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程1DNA復(fù)制解旋-引物合成-延伸-連接轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶結(jié)合-鏈延伸-終止3翻譯核糖體轉(zhuǎn)化mRNA為蛋白質(zhì)后轉(zhuǎn)譯修飾蛋白質(zhì)折疊與功能調(diào)控蛋白質(zhì)的生物合成轉(zhuǎn)錄DNA轉(zhuǎn)錄為mRNAmRNA加工真核生物中進(jìn)行剪接與修飾tRNA氨基酸化tRNA與相應(yīng)氨基酸結(jié)合核糖體翻譯起始-延伸-終止三階段蛋白質(zhì)折疊形成功能性三維結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控啟動子與增強(qiáng)子轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合操縱子系統(tǒng)翻譯水平調(diào)控核糖體結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性非編碼RNA調(diào)控蛋白質(zhì)水平調(diào)控翻譯后修飾蛋白質(zhì)降解途徑反饋抑制微生物的遺傳變異10??自發(fā)突變率每代每基因組的突變概率3種基因水平轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)與接合數(shù)百種移動遺傳元件插入序列、轉(zhuǎn)座子與整合子多樣性重組機(jī)制促進(jìn)遺傳多樣性產(chǎn)生突變和DNA修復(fù)突變原因自發(fā)錯(cuò)誤、輻射、化學(xué)物質(zhì)突變類型點(diǎn)突變、缺失、插入、倒位修復(fù)機(jī)制堿基切除修復(fù)、錯(cuò)配修復(fù)、光修復(fù)進(jìn)化意義遺傳多樣性來源，適應(yīng)環(huán)境變化橫向基因轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化作用直接吸收環(huán)境DNA接合作用通過性菌毛傳遞DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)作用噬菌體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒獨(dú)立于染色體的環(huán)狀DNA自主復(fù)制能力攜帶抗藥性、毒力等基因可通過接合轉(zhuǎn)移基因工程重要載體轉(zhuǎn)座子可移動DNA序列在基因組內(nèi)轉(zhuǎn)位攜帶有益或有害基因促進(jìn)遺傳重組增加基因組可塑性微生物的基因工程技術(shù)1目標(biāo)基因分離PCR擴(kuò)增或基因合成基因編輯限制性內(nèi)切酶或CRISPR技術(shù)基因重組連接酶構(gòu)建重組DNA轉(zhuǎn)化與篩選導(dǎo)入宿主細(xì)胞并篩選陽性克隆CRISPR-Cas9系統(tǒng)及應(yīng)用原理RNA引導(dǎo)的DNA切割系統(tǒng)組成Cas9核酸酶和引導(dǎo)RNA優(yōu)勢高效、精準(zhǔn)、簡便、多靶點(diǎn)應(yīng)用基因敲除、基因修飾、抗病育種微生物組學(xué)研究方法樣品采集保證代表性與完整性DNA/RNA提取高效裂解與純化2測序與分析16S測序或宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)處理生物信息學(xué)分析流程功能驗(yàn)證培養(yǎng)組學(xué)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證宏基因組學(xué)分析環(huán)境樣本采集無需分離培養(yǎng)單一菌株總DNA提取獲取所有微生物遺傳物質(zhì)高通量測序產(chǎn)生海量序列數(shù)據(jù)生物信息分析物種組成與功能注釋微生物生態(tài)學(xué)原理種群動態(tài)微生物種群增長與調(diào)控群落互作競爭、互利、共生關(guān)系物質(zhì)循環(huán)碳氮等元素生物地球化學(xué)循環(huán)生態(tài)平衡微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的平衡作用微生物群落結(jié)構(gòu)和功能微生物多樣性指數(shù)功能多樣性不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物多樣性與功能差異明顯土壤擁有最高的物種和功能多樣性微生物與環(huán)境的相互作用適應(yīng)與進(jìn)化環(huán)境選擇壓力微生物快速適應(yīng)基因突變與轉(zhuǎn)移環(huán)境改造改變pH值釋放代謝產(chǎn)物分解復(fù)雜物質(zhì)生態(tài)功能物質(zhì)循環(huán)能量流動維持生態(tài)平衡土壤微生物學(xué)10?每克土壤細(xì)菌數(shù)量數(shù)量龐大，多樣性豐富10?每克土壤真菌數(shù)量菌絲網(wǎng)絡(luò)遍布土壤30%全球碳儲存比例土壤微生物參與碳固定90%土壤生化反應(yīng)由微生物介導(dǎo)完成水體微生物學(xué)表層水域光合微生物為主中層水域好氧異養(yǎng)微生物豐富深層水域厭氧微生物占主導(dǎo)沉積物特化分解者群落極端環(huán)境微生物學(xué)嗜熱菌：生存于80-110°C環(huán)境嗜鹽菌：耐受高達(dá)30%鹽度嗜酸菌：pH值低至0.5環(huán)境中生長嗜冷菌：南極-15°C環(huán)境中活躍微生物與植物的相互作用根際微生物促進(jìn)植物生長，增加養(yǎng)分吸收葉際微生物參與植物表面防御菌根共生擴(kuò)展根系吸收面積內(nèi)生菌提高植物抗逆性微生物與動物的共生關(guān)系反芻動物瘤胃分解纖維素，提供營養(yǎng)魚類腸道共生促進(jìn)營養(yǎng)吸收，增強(qiáng)免疫昆蟲內(nèi)共生菌提供必需營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)光細(xì)菌共生海洋生物利用微生物發(fā)光人體微生物組研究進(jìn)展腸道口腔皮膚泌尿生殖道上呼吸道其他人體微生物總數(shù)約39萬億，超過人體細(xì)胞數(shù)量腸道微生物組在人體健康中作用最為重要病原微生物學(xué)概述病毒引起流感、艾滋病等細(xì)菌引起肺炎、結(jié)核等3真菌引起皮膚病、肺炎等寄生蟲引起瘧疾、血吸蟲病等細(xì)菌感染的分子機(jī)制定植通過黏附因子附著宿主細(xì)胞入侵穿透上皮屏障進(jìn)入宿主組織逃避免疫產(chǎn)生莢膜或改變抗原毒力因子釋放分泌毒素或使用分泌系統(tǒng)擴(kuò)散與損傷造成宿主組織損傷病毒感染和復(fù)制周期吸附病毒識別宿主細(xì)胞受體穿透病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞脫殼釋放病毒核酸生物合成復(fù)制基因組和合成蛋白組裝與釋放新病毒形成并釋放真菌致病機(jī)制侵襲因子黏附素水解酶菌絲穿透能力形態(tài)轉(zhuǎn)換毒力因素真菌毒素莢膜形成生物膜形成耐受氧化應(yīng)激免疫逃避機(jī)制隱匿抗原抑制補(bǔ)體激活干擾吞噬作用調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)微生物毒素和致病因子外毒素分泌到細(xì)胞外高度特異性常為蛋白質(zhì)例：肉毒桿菌毒素內(nèi)毒素脂多糖成分革蘭陰性菌細(xì)胞壁引發(fā)炎癥反應(yīng)可導(dǎo)致休克其他致病因子侵襲酶莢膜黏附分子分泌系統(tǒng)宿主免疫應(yīng)答先天免疫物理屏障、巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞炎癥反應(yīng)細(xì)胞因子釋放、血管通透性增加3抗原呈遞識別病原并激活特異性免疫獲得性免疫T細(xì)胞、B細(xì)胞、抗體反應(yīng)免疫記憶記憶細(xì)胞形成，預(yù)防再感染微生物的抗藥性機(jī)制藥物失活產(chǎn)生分解抗生素的酶1靶點(diǎn)改變修飾抗生素結(jié)合位點(diǎn)2外排系統(tǒng)將抗生素泵出細(xì)胞3通透性降低減少抗生素進(jìn)入細(xì)胞4替代代謝途徑繞過被抑制的代謝環(huán)節(jié)5新發(fā)傳染病和人獸共患病COVID-192019年出現(xiàn)的冠狀病毒病禽流感禽類源性流感病毒埃博拉蝙蝠源性出血熱病毒疫苗開發(fā)策略抗原選擇確定保護(hù)性抗原疫苗類型滅活、減毒、亞單位或核酸疫苗佐劑與遞送系統(tǒng)增強(qiáng)免疫應(yīng)答效果臨床試驗(yàn)安全性與有效性評估抗生素研發(fā)現(xiàn)狀新抗生素開發(fā)速度明顯放緩耐藥性問題日益嚴(yán)重需投入更多資源促進(jìn)新藥研發(fā)工業(yè)微生物學(xué)應(yīng)用60%生物制藥抗生素與酶制劑生產(chǎn)35%食品工業(yè)發(fā)酵食品與飲料42%生物能源生物乙醇與沼氣生產(chǎn)25%化學(xué)品生產(chǎn)有機(jī)酸與氨基酸食品微生物學(xué)益生菌在發(fā)酵乳制品中的應(yīng)用奶酪成熟過程中的微生物轉(zhuǎn)化泡菜發(fā)酵中的乳酸菌作用啤酒釀造中酵母的發(fā)酵過程農(nóng)業(yè)微生物學(xué)固氮微生物根瘤菌與豆科植物共生藍(lán)藻固定大氣氮減少化肥使用促生菌產(chǎn)生植物激素溶解磷酸鹽提高作物產(chǎn)量生物防控拮抗病原微生物寄生昆蟲害蟲減少農(nóng)藥使用環(huán)境微生物學(xué)與生物修復(fù)石油降解降解海洋油污染物重金屬處理微生物吸附或還原重金屬有機(jī)廢物處理堆肥與厭氧消化植物輔助修復(fù)微生物與植物協(xié)同凈化微生物燃料電池技術(shù)工作原理微生物分解有機(jī)物釋放電子通過外電路產(chǎn)生電流陽極：微生物生物膜陰極：氧氣還原反應(yīng)優(yōu)勢與應(yīng)用廢水處理同時(shí)發(fā)電環(huán)境友好可再生能源生物傳感器應(yīng)用污染物原位檢測合成生物學(xué)與微生物改造基因電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)基因網(wǎng)絡(luò)DNA合成人工合成基因片段基因組編輯CRISPR技術(shù)精準(zhǔn)修飾微生物底盤改造構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化微生物平臺功能驗(yàn)證測試改造微生物性能微生物組學(xué)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用個(gè)體化用藥腸道菌群影響藥物代謝微生物療法益生菌、糞菌移植治療生物標(biāo)志物微生物組成預(yù)測疾病風(fēng)險(xiǎn)免疫調(diào)節(jié)微生物影響免疫系統(tǒng)功能微生物實(shí)驗(yàn)室生物安全BSL-4最高防護(hù)，致命病原體BSL-3高度防護(hù)，結(jié)核桿菌等BSL-2中度風(fēng)險(xiǎn)病原體BSL-1低風(fēng)險(xiǎn)微生物微生物培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)展微流控培養(yǎng)單細(xì)胞水平培養(yǎng)與分析擴(kuò)散室培養(yǎng)模擬自然環(huán)境條件3D打印培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜三維培養(yǎng)環(huán)境微生物分子檢測方法125PCR技術(shù)擴(kuò)增特異性核酸序列原位雜交直接檢測組織中微生物芯片技術(shù)高通量篩查多種微生物CRISPR檢測快速、高靈敏度診斷測序技術(shù)宏基因組檢測未知病原體生物信息學(xué)在微生物學(xué)中的應(yīng)用序列分析基因注釋與功能預(yù)測比較基因組學(xué)多物種基因組比較系統(tǒng)發(fā)育分析構(gòu)建進(jìn)化關(guān)系樹宏基因組分析復(fù)雜樣品中物種鑒定網(wǎng)絡(luò)分析代謝與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究微生物學(xué)前沿研究熱點(diǎn)基因編輯技術(shù)改造微生物