原核微生物學(xué)深入探索微生物的奧秘揭示生命最基本形式的科學(xué)跨越微觀與宏觀世界的橋梁課程簡介原核微生物的重要性生命起源的關(guān)鍵微生物學(xué)科學(xué)地位現(xiàn)代生物技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握基礎(chǔ)知識與應(yīng)用什么是原核微生物基本定義無核膜限定核區(qū)域簡單細(xì)胞結(jié)構(gòu)與真核區(qū)別無膜包裹細(xì)胞器環(huán)狀染色體生態(tài)地位物質(zhì)循環(huán)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)原核微生物的發(fā)現(xiàn)歷史11665年羅伯特·胡克發(fā)明顯微鏡1676年列文虎克首次觀察微生物1857年巴斯德反駁自然發(fā)生說1884年科赫建立病原微生物學(xué)原核微生物的分布陸地環(huán)境土壤中每克含數(shù)十億細(xì)菌水域環(huán)境海洋微生物占生物量30%極端環(huán)境溫泉、深海、極地均有分布生物體內(nèi)人體微生物細(xì)胞超過人體細(xì)胞原核微生物分類學(xué)概述分子分類16SrRNA基因序列分析生理生化分類代謝特性與生化反應(yīng)形態(tài)分類細(xì)胞形態(tài)與染色特性原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)細(xì)胞壁提供結(jié)構(gòu)支持與保護(hù)細(xì)胞膜選擇性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)核質(zhì)區(qū)含DNA但無核膜細(xì)胞質(zhì)含酶系統(tǒng)與核糖體原核細(xì)胞外膜結(jié)構(gòu)革蘭氏陽性菌厚peptidoglycan層無外膜結(jié)構(gòu)革蘭氏陰性菌薄peptidoglycan層額外外膜結(jié)構(gòu)特殊細(xì)胞壁分枝桿菌含mycolicacid古細(xì)菌含假peptidoglycan原核微生物的形態(tài)學(xué)球形細(xì)菌單球菌、雙球菌、鏈球菌桿狀細(xì)菌短桿菌、長桿菌螺旋形細(xì)菌弧菌、螺旋體細(xì)菌運(yùn)動機(jī)制鞭毛運(yùn)動旋轉(zhuǎn)推進(jìn)細(xì)胞菌毛功能附著但不參與運(yùn)動滑行運(yùn)動無特定結(jié)構(gòu)的表面爬行趨化性響應(yīng)環(huán)境化學(xué)梯度移動原核微生物的遺傳1DNA結(jié)構(gòu)環(huán)狀染色體與質(zhì)?；虮磉_(dá)轉(zhuǎn)錄與翻譯緊密偶聯(lián)基因轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)與接合原核微生物的代謝多樣性多樣化的能量獲取途徑各種營養(yǎng)類型適應(yīng)不同生態(tài)位獨(dú)特代謝產(chǎn)物與應(yīng)用價值營養(yǎng)類型分類能量來源碳源營養(yǎng)類型代表微生物光能CO?光能自養(yǎng)型藍(lán)藻光能有機(jī)物光能異養(yǎng)型紫非硫細(xì)菌化學(xué)能CO?化能自養(yǎng)型硝化細(xì)菌化學(xué)能有機(jī)物化能異養(yǎng)型大多數(shù)細(xì)菌原核微生物的呼吸類型有氧呼吸氧氣作為電子接受體厭氧呼吸其他物質(zhì)作電子接受體發(fā)酵有機(jī)物內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移特殊呼吸硫酸鹽、硝酸鹽呼吸微生物生長動力學(xué)時間(小時)菌體數(shù)量(log值)微生物生長曲線四個階段指數(shù)增長期代謝最活躍環(huán)境因子限制最終種群大小微生物繁殖機(jī)制20分鐘大腸桿菌分裂周期適宜條件下快速增殖2二分裂子代數(shù)量遺傳物質(zhì)精確復(fù)制1000年芽孢存活時間極端環(huán)境耐受性原核微生物的生存環(huán)境溫度適應(yīng)性從-20°C到120°C均有微生物生存pH適應(yīng)性從pH0到pH12的極端范圍滲透壓適應(yīng)從淡水到飽和鹽水環(huán)境輻射耐受性某些細(xì)菌耐受強(qiáng)輻射環(huán)境極端環(huán)境微生物嗜熱菌生長溫度超過80°C嗜冷菌冰點(diǎn)以下仍能活動嗜鹽菌在高鹽環(huán)境中生長細(xì)菌與宿主互作共生關(guān)系根瘤菌與豆科植物共棲關(guān)系腸道菌群與人體健康致病機(jī)制毒素產(chǎn)生與組織侵入免疫響應(yīng)宿主防御與免疫調(diào)節(jié)微生物生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)角色分解者初級生產(chǎn)者營養(yǎng)循環(huán)營養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)食物鏈基礎(chǔ)能量流動生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性生物地球化學(xué)循環(huán)碳循環(huán)氮循環(huán)硫循環(huán)土壤微生物生態(tài)有機(jī)質(zhì)分解植物殘體轉(zhuǎn)化養(yǎng)分轉(zhuǎn)化氮、磷、硫循環(huán)植物互作促生菌與菌根水生微生物生態(tài)海洋微生物占海洋生物量70%以上浮游微生物光合產(chǎn)氧全球50%水體凈化有機(jī)物分解與循環(huán)深海微生物適應(yīng)高壓低溫環(huán)境微生物在生物技術(shù)中的應(yīng)用工業(yè)發(fā)酵酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵氨基酸發(fā)酵環(huán)境生物技術(shù)污水處理生物修復(fù)生物采礦基因工程蛋白質(zhì)表達(dá)基因編輯合成生物學(xué)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)致病機(jī)制毒素與侵襲因子抗生素治療抑制生長或殺菌宿主防御先天與獲得性免疫3診斷技術(shù)分子診斷與培養(yǎng)4病原微生物細(xì)菌性病原體結(jié)核桿菌、大腸桿菌原生生物病原體瘧原蟲、阿米巴原蟲真菌性病原體白色念珠菌、皮膚癬菌抗生素與耐藥性作用機(jī)制細(xì)胞壁、蛋白質(zhì)合成抑制耐藥機(jī)制酶降解、外排、靶點(diǎn)變異全球挑戰(zhàn)多重耐藥菌株出現(xiàn)研究方向新型抗生素開發(fā)微生物免疫學(xué)物理屏障皮膚、粘膜等組織先天免疫吞噬細(xì)胞、炎癥反應(yīng)3獲得性免疫T細(xì)胞、B細(xì)胞特異性防御微生物基因組學(xué)全基因組測序技術(shù)革命比較基因組學(xué)揭示進(jìn)化關(guān)系功能基因組學(xué)解析生命活動分子生物學(xué)技術(shù)PCR技術(shù)特定DNA片段擴(kuò)增基因克隆目標(biāo)基因插入載體基因編輯CRISPR-Cas9精準(zhǔn)修飾基因表達(dá)分析轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組微生物進(jìn)化生物學(xué)140億年前最早生命形式出現(xiàn)235億年前藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)氧改變大氣320億年前真核生物出現(xiàn)45.4億年前寒武紀(jì)生命大爆發(fā)系統(tǒng)發(fā)育分類分子系統(tǒng)發(fā)育基于保守基因序列進(jìn)化關(guān)系重建基因水平傳遞復(fù)雜化現(xiàn)代分類體系細(xì)菌、古菌與真核元微生物組研究研究方法宏基因組測序擴(kuò)增子分析生物信息學(xué)分析群落特征多樣性指數(shù)組成結(jié)構(gòu)功能預(yù)測研究領(lǐng)域人體微生物組環(huán)境微生物組動植物微生物組微生物互作機(jī)制協(xié)同作用代謝互補(bǔ)拮抗作用抗生素產(chǎn)生信號交流群體感應(yīng)系統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜關(guān)系構(gòu)建生物膜研究初始附著細(xì)菌接觸表面微菌落形成細(xì)胞增殖胞外基質(zhì)產(chǎn)生多糖、蛋白質(zhì)分泌成熟生物膜三維結(jié)構(gòu)形成分散與傳播細(xì)胞釋放擴(kuò)散合成生物學(xué)前沿人工微生物設(shè)計最小基因組人工染色體代謝工程生物合成途徑優(yōu)化新型代謝網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建生物技術(shù)應(yīng)用生物傳感器生物計算微生物傳感器利用微生物對特定物質(zhì)的響應(yīng)環(huán)境污染物實(shí)時監(jiān)測疾病診斷與健康監(jiān)測微生物在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用30%增產(chǎn)效果植物生長促進(jìn)菌50%化肥減少氮固定菌應(yīng)用80%病蟲害控制生物防治成功率微生物在環(huán)境治理中的角色污染物降解石油烴、農(nóng)藥分解生物修復(fù)重金屬富集轉(zhuǎn)化廢水處理活性污泥工藝極端微生物微生物與氣候變化氣候影響溫室氣體產(chǎn)生與固定碳循環(huán)土壤碳儲存與釋放氣候反饋?zhàn)兣铀俜纸馑俾蕼p緩策略微生物碳匯增強(qiáng)微生物系統(tǒng)生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)蛋白互作網(wǎng)絡(luò)計算模型機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測基因調(diào)控模擬代謝流動態(tài)分析整合研究多組學(xué)數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)級理解預(yù)測性模型構(gòu)建微生物代謝工程目標(biāo)產(chǎn)物確定藥物、生物燃料、化學(xué)品基因組工程關(guān)鍵基因修飾代謝通路優(yōu)化瓶頸去除、副產(chǎn)物減少工業(yè)化放大生物反應(yīng)器參數(shù)優(yōu)化微生物組學(xué)1宏基因組學(xué)群落DNA總體分析宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)群落RNA表達(dá)譜代謝組學(xué)代謝產(chǎn)物總體分析微生物生物安全1風(fēng)險評估病原體危害等級劃分2實(shí)驗室安全生物安全等級實(shí)驗室3生物防御生物武器與恐怖威脅防范4合成生物學(xué)倫理人工微生物設(shè)計監(jiān)管新發(fā)現(xiàn)與前沿領(lǐng)域未知微生物99%尚未培養(yǎng)潛在應(yīng)用新抗生素來源新技術(shù)單細(xì)胞基因組學(xué)研究挑戰(zhàn)功能驗證難度微生物檢測技術(shù)傳統(tǒng)方法培養(yǎng)與生化鑒定顯微鏡觀察血清學(xué)檢測分子診斷PCR檢測基因芯片測序技術(shù)新型技術(shù)質(zhì)譜檢測生物傳感器納米技術(shù)微生物與人類健康腸道菌群皮膚菌群口腔菌群呼吸道菌群泌尿生殖道微生物在食品工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)酵食品營養(yǎng)價值提升微生物制劑延長保質(zhì)期特色風(fēng)味形成原理微生物與生物能源微藻生物柴油高效光合作用生物氫氣清潔能源生產(chǎn)生物甲烷厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣人工智能在微生物學(xué)中的應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析基因組數(shù)據(jù)挖掘元數(shù)據(jù)整合分析預(yù)測模型代謝途徑預(yù)測基因功能注釋智能系統(tǒng)自動化實(shí)驗設(shè)計智能診斷系統(tǒng)微生物多樣性保護(hù)種質(zhì)資源庫微生物菌種保藏環(huán)境保護(hù)棲息地完整保護(hù)研究與記錄未知種類發(fā)掘記錄微生物與藥物研發(fā)資源篩選天然藥物來源活性驗證抗菌、抗腫瘤活性結(jié)構(gòu)改造分子修飾優(yōu)化臨床應(yīng)用新藥開發(fā)上市微生物生態(tài)修復(fù)85%石油降解率微生物修復(fù)效率60%成本節(jié)約比物理化學(xué)方法100+應(yīng)用項目全國污染修復(fù)案例微生物與氣候適應(yīng)溫度適應(yīng)氣候變暖響應(yīng)機(jī)制降水變化適應(yīng)干旱與洪澇脅迫響應(yīng)極端氣候適應(yīng)冷熱沖擊保護(hù)機(jī)制生態(tài)系統(tǒng)韌性微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)整跨學(xué)科研究展望生物信息學(xué)計算分析與預(yù)測合成生物學(xué)人工設(shè)計生命系統(tǒng)生物機(jī)器人微生物驅(qū)動系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)交叉微生物-腦軸研究微生物學(xué)研究倫理科學(xué)倫理數(shù)據(jù)真實(shí)性研究誠信資源共享生物安全風(fēng)險評估安全管理防護(hù)措施社會責(zé)任公眾溝通科學(xué)普及可持續(xù)發(fā)展教育與人才培養(yǎng)基礎(chǔ)教育知識體系建立實(shí)驗技能