微生物生理學MicrobialPhysiology第一章

緒論l什么是微生物生理學？l為什么微生物生理學是必修？（微生物生理學的發(fā)展、特色和主要內容）l如何學好微生物生理學？Microbial

Physiologyl

Physiology:

Physis(Nature,origin)-logia

(studyof)l

Studyof

thefunctionsandmechanismswhichworkwithina

livingsystem.l

howorganisms,organsystems,organs,cells,andbiomoleculescarryoutthechemicalandphysicalfunctionsthatexist

in

a

living

system.l

Physiologistsattempttodescribebiologicalphenomenainphysicalandchemicaltermsthroughalltechniques.l研究微生物生命現(xiàn)象、活動規(guī)律及其產生機制，對內、外環(huán)境

變化所進行的調節(jié)。

WHY

Physiology

?l

Nobel

Prize

in

Physicsl

Chemistryl

Physiology

or

Medicinel

Economicsl

LiteraturelPeace1、WHY

Microbial

Physiology?NobelPrizeinPhysiologyorMedicine(>25%frommicrobes)1901diphtheriaantitoxin/vaccine(EmilvonBehring)1905tuberculosis(RobertKoch)1945penicillin(Fleming

A,ChainEBand

FloreyHW)1947glucosemetabolism(CarlCori&

Gerty

Cori,

néeRadnitz,

Houssay

BA)1952streptomycinanti-tuberculosis(Waksman

SA)1953citricacidcycle(KrebsHA);co-enzyme

A(LipmannFA)1958onegeneoneenzyme(Beadle

GW&

Tatum

EL);

phage

recombination

(Lederberg

J)1959DNAsynthesis(OchoaSandKornberg

A)1964cholesterolandfattyacidmetabolism(Konrad

Bloch

and

FeodorLynen)1965Lacoperon(JacobF,LwoffAandMonodJ)1968geneticcode(HolleyRW,KhoranaHG

andNirenbergMW)1969phagereplication(DelbrückM,Hershey

ADandLuria

SE)1978restrictionenzymes(ArberW,NathansDandSmith

HO)2001cellcycle(HartwellLH,HuntTandNurse

PM)2005

Helicobacter

pylori

gastritis

disease(Marshall

BJ

andWarrenJR)2008HPV(zurHausenH);HIV(Barré-SinoussiFandMontagnierL)2009telomereandtelomerase(BlackburnEH,GreiderCW

and

SzostakJW)2013vesicletraffic(RothmanJE,SchekmanRWand

Südhof

TC)2015artemisinin(YouyouTu);avermectin(CampbellWC

&

Satoshi

ōmura

S)2016autophagy(Yoshinori

Ohsumi)l

第一章

緒論l什么是微生物生理學？l為什么微生物生理學是必修？（微生物生理學的發(fā)展、特色和主要內容）l如何學好微生物生理學？4、現(xiàn)代微生物生理學的發(fā)展微生物代謝物的廣泛應用—初級和次級代謝產物“抗生素

”的發(fā)現(xiàn)與工業(yè)化推薦閱讀：青霉素傳奇（上、下）5、微生物生理學的現(xiàn)在與未來?基因組時代

1985年左右2022.8

Prokaryotes(435921)2023.9

Prokaryotes(567228)-NCBI5、微生物生理學的現(xiàn)在與未來?蛋白質組1994年Wilkins和Williams?代謝組學

1992年代謝組學-最接近表型的組學基因組和蛋白組告訴你可能發(fā)生什么，而代謝組告訴你已經(jīng)發(fā)生了什么?！狟ill

Lasley

，

UC

Davis蛋白質組和代謝組的倚天劍WHY

Microbial

Physiology

?

微生物組學Microbiota

MetagenomeMicrobiome2014thegenes

and

genomes

ofthemicrobiota,

including

plasmids,highlightingthegenetic

potential

population16S

rRNA

surveys

are

used

totaxonomically

identifythemicroorganisms

intheenvironmentof

the微生物組金字塔培養(yǎng)組學彌補了現(xiàn)有方法的局限5、微生物生理學的現(xiàn)在和未來未來需求：更多的功能表型標志峰

更快的拉曼檢測通量更高通量的分選技術更好的單細胞基因擴增

更好的培養(yǎng)方法建立單細胞拉曼-SIP-分

選-測序-培養(yǎng)聯(lián)用技術

（一站式服務）合成生物學合成生物學植物是否可以固氮？Yang

et

al.

2017

PNASYang

et

al.

2023

PNAS第一章

緒論l什么是微生物生理學？l為什么微生物生理學是必修？（微生物生理學的發(fā)展、特色和主要內容）l如何學好微生物生理學？WHY

Microbial

Physiology?l

Characteristicsof

Microbes:l1.

微

（微小、簡單？）l2.

久

（誰是星球/地球主人？誰是匆匆過客？）l3.

廣

（無處不在：生物圈外邊界；動植物內環(huán)境）l4.

強

（適應性強：嗜極）l5.

多

（多樣性：環(huán)境、種類、生理）l6.

與人關系密切、應用廣?從時間維度看微生物?亙古流地球生命進化

時鐘23

有花植物哺乳動物而人類統(tǒng)治地球才百萬前人類的“1分鐘”“久”?從時間維度看微生物?厲久彌多?從空間維度看微生物I?廣闊無邊地球生物量gigatonsof

carbon

(Gt

C)?從空間維度看微生物II?無極不往微生物定義了生命的極限glacier

碳酸鈣巖尖頂

海底煙囪acidic

hot

spring

salt

flats

acidic

river俺們不是忍受——

而是享受Venturing

intonewrealms?Microorganisms

inspaceLimitsForgrowth（celldivision）Forsurvival(estimated)TemperatureLowtemperature:?15

°C,PlanococcushalocryophilusOr1;?18°C,RhodotorulaglutinisFMT157(yeast)High

temperature:+113°C,Pyrolobusfumarii;

Strain121?263°Cto+150°CWateravailabilityaw

=0.605,

Xeromycesbisporusaw

=0

(vacuum)to

1.0Salinity30%NaCl(w/v)Possiblein

saltcrystalspHpH=0–13(e.g.Picrophilustorridus

;Plectonema

nostocorumpH=0–14(Krulwichand

Guffanti

1989;Dhakar

andPandey2016)PressureLowpressure:

1–10Pa,

Vibriosp.;700Pa,

Carnobacteriumspp.and

SerratialiquefaciensHighpressure:90Mpa,

ColwelliahadaliensisFromvacuumtoupto

100MPa(Jebbaretal.2015)NutrientsHighmetabolicversatilityHighstarvationtoleranceNotrequired;presencepotentiallyevendecreases

survivability

of

dormant

microbesOxygenAerobic/anaerobicgrowthNotrequired;presencepotentiallyevendecreasessurvivability

of

dormant

microbesRadiationUV:D.radiodurans

F10

(254nm)600J/m2Ionizingradiation:acuteirradiation

ThermococcusgammatoleransD10

6kGyChronicirradiationD.radiodurans<60Gy/hD10

=

6kGyTime20minuptoyearsMillions

of

years(permafrost,rock

salt)?從空間維度看微生物III?遠不只享受探索世界?適應世界?更一直默默改造世界無機物——有機物Microbes

and

dissolved

organicmatter

(DOM)生物圈基本模型A

generalized

biosphere

model

showingthe

basic

inputs

and

outputs

of

energyandmaterialsmicrobiallydrivenbiochemical

processesFalkowski

PGetal.,

2008,

Science物質循環(huán)中的主宰者微生物塑造了地球環(huán)境（Biogeochemical

cycle）Microbiomesshapeall

livingbeings

andtheworld!Riftia

pachyptila深海管蠕蟲?從人類最“自私”的維度?

向內看微生物I?

親密無間“不分你我”l是你在吃？

還是微生物

替你吃了？Microbiomes

shapeYOU!humanmicrobiome和每個人的生Infanthealth

status

andmicrobiotaestablishmenthumanmicrobiome和每個人的生、老Microbiome:The

Evolving

Inner

SelfMicrobial

Physiologyaffects/rulesoverYOURPhysiologyshort-chainfattyacids纖維

降解菌群黏液

降解菌群2018MicrobialPhysiology→

productsfor

YOU問題？l誰是世界的主宰？l誰是你最長情的陪伴？l是你在吃？

還是微生物替你吃了？l微生物會說話嗎？l微生物能幫你賺錢嗎？l微生物的時代已經(jīng)結束？微生物生理學的課程理念和主要內容l把活的生理學學“活”：

inspirel告別“滿堂灌”——回歸科學研究過程l“現(xiàn)象”→

“生理”→

“應用”條分縷析l以《微生物學》課程為基礎，結合微生物生理特色，精選7個主題（章）細胞壁和生物被膜

細胞壁是如何合成的？

它在維持形狀、適應環(huán)境中有什么作用？

為什么將細胞壁做為藥物靶點？

S層的大作為

我們與生物被膜的零距離生活ChemotaxisWow,

beautiful!!!So,What’s

next?鞭毛精致的鞭毛如何組裝？它是如何進行一場說走就走的旅程？?

howorganismssenseand

respondtotheenvironment?“Allbecauseofabutterfly

”Julius

Adler1930-*HarlandG.Wood

(1907-1991)甲基營養(yǎng)菌（Growth

on

C1

compounds

other

than

CO2：The

methylotrophs

）二氧化碳僅被自養(yǎng)生物利用？"followedthetrailof

CO2

."第四章

C1代謝氮循環(huán)及其意義生物固氮及其分子基礎固氮體系