微生物學(xué)方法

內(nèi)容概要

　　《生物科學(xué)研究方法叢書：微生物學(xué)方法》在總結(jié)微生物學(xué)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)調(diào)研和總結(jié)了該學(xué)科主要研究領(lǐng)域的新方法、新技術(shù)，內(nèi)容涉及微生物資源發(fā)掘、認(rèn)識(shí)、改造、應(yīng)用等多個(gè)方面，尤其關(guān)注了工業(yè)微生物研究和工業(yè)生物技術(shù)的最新發(fā)展和應(yīng)用，希望與廣大科研人員和科研管理人員一起，共同探討我國(guó)微生物學(xué)領(lǐng)域方法創(chuàng)新的目標(biāo)和重點(diǎn)，以便在科學(xué)研究過程更科學(xué)地應(yīng)用這些方法，更理性地設(shè)計(jì)研究思路。

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前言第一篇 歷史篇 微生物學(xué)領(lǐng)域技術(shù)方法的發(fā)展歷程和規(guī)律第一章 微生物學(xué)發(fā)展歷程（總論）第二章 研究思路的發(fā)展歷程（方法論的角度）第一節(jié) 微生物培養(yǎng)第二節(jié) 分子水平研究第三節(jié) 組學(xué)水平研究第三章 研究手段的發(fā)展歷程（技術(shù)原理的角度）第一節(jié) 微生物培養(yǎng)技術(shù)第二節(jié) 微生物分子操作技術(shù)第三節(jié) 微生物組學(xué)分析技術(shù)第四章 儀器設(shè)備的發(fā)展歷程（工具的角度）第一節(jié) 微生物研究顯微鏡的發(fā)展歷程第二節(jié) 微生物生物反應(yīng)器的發(fā)展第三節(jié) 微生物代謝物檢測(cè)儀器的發(fā)展第四節(jié) 微生物分子操作儀器的發(fā)展第五節(jié) 微生物高通量分析/檢測(cè)儀器的發(fā)展第五章 微生物學(xué)技術(shù)方法演進(jìn)案例的剖析與啟示第一節(jié) 微生物改造：從傳統(tǒng)物化因子誘變育種到代謝工程定向改造第二節(jié) 微生物資源發(fā)掘：從培養(yǎng)技術(shù)到非培養(yǎng)技術(shù)和宏基因組第六章 學(xué)科交叉對(duì)微生物學(xué)技術(shù)方法發(fā)展的作用第一節(jié) 物理學(xué)在微生物學(xué)發(fā)展中的作用第二節(jié) 化學(xué)在微生物學(xué)發(fā)展中的作用第三節(jié) 機(jī)械學(xué)在微生物發(fā)展中的作用第四節(jié) 信息學(xué)在微生物發(fā)展中的應(yīng)用第五節(jié) 數(shù)學(xué)在微生物發(fā)展中的應(yīng)用第二篇 方法篇 微生物學(xué)領(lǐng)域主要?jiǎng)?chuàng)新方法匯編第一章 微生物的分離與純化第一節(jié) 微生物的快速篩選技術(shù)第二節(jié) 微生物的新型鑒定技術(shù)第三節(jié) 微生物分類的技術(shù)方法第二章 微生物顯微成像技術(shù)第一節(jié) 不同顯微成像技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及使用對(duì)象第二節(jié) 光學(xué)顯微成像技術(shù)的最新發(fā)展第三節(jié) 電子顯微成像技術(shù)的最新發(fā)展第四節(jié) 重要應(yīng)用舉例第三章 微生物發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)第一節(jié) 發(fā)酵過程在線監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)第二節(jié) 微培養(yǎng)技術(shù)第三節(jié) 計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)第四章 微生物菌種選育第一節(jié) 傳統(tǒng)誘變的優(yōu)點(diǎn)與局限第二節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡(luò)改造主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)第三節(jié) 微生物改造全局?jǐn)_動(dòng)技術(shù)第五章 微生物酶分子改造技術(shù)第一節(jié) 理性設(shè)計(jì)的原理與發(fā)展第二節(jié) 定向進(jìn)化的原理與發(fā)展第三節(jié) “理性進(jìn)化”的原理和發(fā)展第六章 微生物大分子及代謝物的檢測(cè)、分離與純化技術(shù)第一節(jié) 微生物大分子及代謝物檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及其原理第二節(jié) 微生物大分子及代謝物分離純化技術(shù)的發(fā)展與原理第三節(jié) 高靈敏性、高通量特點(diǎn)的代謝物檢測(cè)技術(shù)第七章 微生物計(jì)算生物學(xué)技術(shù)第一節(jié) 計(jì)算生物學(xué)在微生物學(xué)研究中的應(yīng)用與發(fā)展第二節(jié) 生物信息學(xué)在微生物學(xué)研究中的應(yīng)用與發(fā)展第三節(jié) 微生物系統(tǒng)模擬與仿真第四節(jié) 計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)在微生物學(xué)研究中的應(yīng)用與發(fā)展第八章 微生物組學(xué)技術(shù)第一節(jié) 微生物基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展第二節(jié) 微生物基因芯片技術(shù)的最新發(fā)展第三節(jié) 微生物蛋白質(zhì)組技術(shù)的最新發(fā)展第四節(jié) 微生物代謝物組技術(shù)的最新發(fā)展第五節(jié) 各種微生物組學(xué)數(shù)據(jù)的整合及模型構(gòu)建及預(yù)測(cè)第六節(jié) 成功應(yīng)用案例第三篇 戰(zhàn)略篇 我國(guó)微生物領(lǐng)域技術(shù)方法創(chuàng)新的發(fā)展戰(zhàn)第一章 我國(guó)微生物學(xué)科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)技術(shù)方法創(chuàng)新的迫切需求、目標(biāo)和工作重點(diǎn)第一節(jié) 微生物學(xué)科發(fā)展對(duì)技術(shù)方法創(chuàng)新的需求第二節(jié) 我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫切需要微生物技術(shù)方法的創(chuàng)新第三節(jié) 我國(guó)微生物領(lǐng)域技術(shù)方法創(chuàng)新的目標(biāo)和工作重點(diǎn)第二章 我國(guó)微生物領(lǐng)域設(shè)備創(chuàng)新的需求、目標(biāo)及工作重點(diǎn)第一節(jié) 高通量設(shè)備第二節(jié) 發(fā)酵在線監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備第三節(jié) 自動(dòng)化取樣分析一體化設(shè)備第四節(jié) 高通量微型生物反應(yīng)器系統(tǒng)……

章節(jié)摘錄

　　第一篇 歷史篇　　微生物學(xué)領(lǐng)域技術(shù)方法的發(fā)展歷程和規(guī)律　　第一章 微生物學(xué)發(fā)展歷程（總論）　　人類最早認(rèn)識(shí)微生物僅僅是一個(gè)朦朧階段，大多是憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)利用微生物的有益活動(dòng)（進(jìn)行釀酒、發(fā)面、制醬、釀醋、漚肥等）。隨著人類社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)歷了形態(tài)描述、生理水平研究、生化水平研究和分子生物學(xué)水平研究的階段，不斷交叉發(fā)展并持續(xù)至今。隨著基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代微生物學(xué)也逐漸進(jìn)入了一個(gè)組學(xué)與系統(tǒng)研究的新發(fā)展階段，在不遠(yuǎn)的將來，還將實(shí)現(xiàn)人工半合成與全合成的微生物?！　≡诂F(xiàn)代科學(xué)中，對(duì)人類健康關(guān)系最大、貢獻(xiàn)最為突出的莫過于微生物學(xué)。微生物學(xué)從建立之初就與人類和動(dòng)物傳染病的防治產(chǎn)生了不解之緣，可以說，微生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人類的進(jìn)步。在基礎(chǔ)理論問題研究中，微生物也是最佳的模式生物。歷史上自然發(fā)生說的否定、糖酵解機(jī)制的認(rèn)識(shí)、基因與酶關(guān)系的發(fā)現(xiàn)、突變本質(zhì)的闡明、核酸是一切生物遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)的證實(shí)、操縱子學(xué)說的提出、遺傳密碼的揭示、基因工程的開創(chuàng)、PCR（DNA聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)的建立、真核細(xì)胞內(nèi)共生學(xué)說的提出等，都是選用微生物作為研究對(duì)象而取得的重大成果。隨著認(rèn)識(shí)微生物能力的不斷提高，人類利用微生物的技術(shù)能力也不斷提升。新技術(shù)也不斷促進(jìn)核心“生物工具”的進(jìn)步，生物煉制與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、生物催化與生物加工、現(xiàn)代發(fā)酵等現(xiàn)代生物制造技術(shù)不斷取得重大創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)原材料的化石原料路線替代、傳統(tǒng)工業(yè)的工藝路線替代以及生物產(chǎn)業(yè)升級(jí)顯示了巨大的推動(dòng)作用?！　∫弧⑽⑸锏男螒B(tài)描述階段　　微生物是生物中一群重要的分解代謝類群，它們是地球上最早出現(xiàn)的生命形式，迄今已有35億年的進(jìn)化歷史，其生物多樣性在維持生物圈和為人類提供廣泛而大量的未開發(fā)資源方面起著主要的作用。微生物可存在于任何環(huán)境，代謝類型多樣，可利用任何形式的物質(zhì)和能量，從無機(jī)小分子到有機(jī)高分子化合物，幾乎無所不被其所利用；從太陽(yáng)輻射，到光合作用產(chǎn)生有機(jī)化學(xué)物，到地表深處的礦物質(zhì)，微生物參與了地球有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的全部過程。由于微生物個(gè)體過于微小、群體外貌不顯、種間雜居混生以及形態(tài)與其作用的后果之間很難被人認(rèn)識(shí)等，初期成為一個(gè)難以認(rèn)識(shí)的微生物世界。直至1676年，列文虎克發(fā)明了顯微鏡，觀察到了微生物的個(gè)體，也對(duì)一些微生物進(jìn)行了初步的形態(tài)描述，而成為微生物學(xué)研究的先驅(qū)者。顯微鏡發(fā)明之后，組織學(xué)和細(xì)胞學(xué)也就相應(yīng)地建立起來。電子顯微鏡的使　　用，進(jìn)一步使表觀形態(tài)描述深入到超微結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。微生物資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和生物技術(shù)創(chuàng)新的重要源泉。沒有微生物的活動(dòng)，地球上的生命是不可能存在的?，F(xiàn)在的形態(tài)學(xué)早已跳出單純描述的圈子，形態(tài)學(xué)的研究也越來越與微生物機(jī)能研究結(jié)合起來，通過研究微生物形態(tài)分類，進(jìn)行微生物多樣性和微生物資源發(fā)掘，幫助揭示極端環(huán)境中的生命特征，生命起源和演化，系統(tǒng)發(fā)育與進(jìn)化生物學(xué)等重大科學(xué)問題?！　《⑽⑸锷硭窖芯侩A段　　微生物種類繁多，生理類型復(fù)雜，就營(yíng)養(yǎng)和能量轉(zhuǎn)換而論，既有像動(dòng)物那樣異養(yǎng)生活的類群，也有像植物那樣進(jìn)行光合作用的自養(yǎng)類群。另外還有利用化能的自養(yǎng)類群以及與其他生物具有共生或寄生關(guān)系的類群。在碳的同化方面，除一般的代謝類型外，微生物還有許多特殊的代謝途徑，可以產(chǎn)生有機(jī)酸、溶劑、脂肪酸、維生素、多糖等對(duì)人類有用的產(chǎn)物，也可代謝氧化烴、芳香族化合物等，從而清除污染環(huán)境的物質(zhì)。另外，微生物還可產(chǎn)生抗生素、色素、毒素、甾體化合物等次級(jí)代謝產(chǎn)物。氮的利用方面，微生物有能利用有機(jī)氮化合物的類群，也有能利用無機(jī)氮的類群。固氮菌、根瘤菌、藍(lán)細(xì)菌和某些異養(yǎng)菌能夠直接同化大氣中的氮。微生物的能量產(chǎn)生方式因好氧生活、厭氧生活或兼性生活而有所不同。光合細(xì)菌可通過光合磷酸化方式獲得能量，好氧菌可由氧化磷酸化獲得能量，厭氧菌可由底物水平的磷酸化獲得能量?！　∥⑸飳W(xué)的研究從19世紀(jì)60年代開始進(jìn)入生理水平階段，法國(guó)科學(xué)家巴斯德對(duì)微生　　物生理學(xué)的研究為現(xiàn)代微生物學(xué)奠定了基矗從此，微生物學(xué)作為一個(gè)學(xué)科真正開始建立。隨著科技的進(jìn)步，微生物生理學(xué)的研究也不斷面臨著一些重大科學(xué)問題的挑戰(zhàn)：包括①細(xì)胞中的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化、能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的機(jī)制；，生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能（核酸與蛋白質(zhì)的合成、遺傳信息的傳遞以及膜的結(jié)構(gòu)和功能等）的關(guān)系；③分子水平上的形態(tài)建成、分化及其行為等。近年來，微生物生理學(xué)的研究擴(kuò)展到了新的或過去不引人注意的微生物類群和可再生能源方面。極端環(huán)境中的微生物為了適應(yīng)生存，逐步形成了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、生理機(jī)能和遺傳因子，以適應(yīng)環(huán)境。它不僅在生命起源、系統(tǒng)進(jìn)化等方面給了人們?cè)S多重要的啟示，而且極端微生物特殊的基因類型、生理機(jī)制及代謝產(chǎn)物，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。這將使某些新的生物技術(shù)手段成為可能，極大地推動(dòng)生物技術(shù)的發(fā)展。目前，極端微生物已成為國(guó)際研究的熱門領(lǐng)域，日本、美國(guó)、歐洲等國(guó)都啟動(dòng)了極端微生物的研究計(jì)劃，進(jìn)行新物種的發(fā)現(xiàn)、新產(chǎn)物的研究與生產(chǎn)、酶的結(jié)構(gòu)與功能及其基因的克隆表達(dá)和基因組分析等研究，瞄準(zhǔn)解決酶適應(yīng)機(jī)制的分子基礎(chǔ)及遺傳原理等方面科學(xué)問題。特別值得一提的是，極端微生物產(chǎn)生的極端酶在極端的條件下具有高的活性和穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)酶工業(yè)中的酶在應(yīng)用的過程中經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，尤其是在高溫、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸等極端環(huán)境下易出現(xiàn)失活狀態(tài)，這使酶工程的應(yīng)用范圍有一定的局限性，極端酶正好彌補(bǔ)了這方面的缺陷。這使得這類特殊的酶成為現(xiàn)代酶學(xué)微生物學(xué)研究的焦點(diǎn)，極端微生物酶的研究將會(huì)成為酶學(xué)研究和微生物資源開發(fā)利用的新方向。通過微生物生理機(jī)制的研究，尤其是極端微生物，包括部分極端古菌的研究，將逐步加深我們對(duì)生命科學(xué)基礎(chǔ)理論的認(rèn)知水平?！　∪⑽⑸锷窖芯侩A段　　20世紀(jì)以來，生物化學(xué)和生物物理學(xué)向微生物學(xué)滲透，再加上電子顯微鏡的發(fā)明和同位素示蹤原子的應(yīng)用，推動(dòng)了微生物學(xué)向生物化學(xué)階段的發(fā)展。1897年德國(guó)學(xué)者認(rèn)識(shí)了酵母菌酒精發(fā)酵的酶促過程，將微生物生命活動(dòng)與酶化學(xué)結(jié)合起來。隨后的微生物學(xué)者對(duì)微生物代謝的研究以及比較生物化學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)了微生物代謝的統(tǒng)一性，闡明了生物體的代謝規(guī)律和控制其代謝的基本原理，普通微生物學(xué)開始形成。在控制微生物代謝的基礎(chǔ)上擴(kuò)大利用微生物，發(fā)展酶學(xué)，推動(dòng)了微生物生物化學(xué)的發(fā)展。微生物的生長(zhǎng)繁殖主要依賴于兩種代謝途徑，即分解代謝與合成代謝。微生物通過分解代謝將從環(huán)境中吸收的各種碳源、氮源等物質(zhì)降解，為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能源和小分子中間體。分解代謝包括各種中心途徑如TCA，EMP和HMP，以及外周途徑（指其他碳源、氮源物質(zhì)通過分解后進(jìn)入中心途徑）。微生物的合成代謝是利用分解代謝的能量和中間體合成氨基酸、核酸等單體物質(zhì)，及蛋白質(zhì)、核酸、多糖等多聚物。因此，微生物的分解代謝與和合成代謝是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，成為其生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。闡明代謝調(diào)控機(jī)制成為微生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大科學(xué)基礎(chǔ)問題。多年的研究發(fā)現(xiàn)，微生物在生產(chǎn)過程中機(jī)體內(nèi)的復(fù)雜代謝過程是互相協(xié)調(diào)和高度有序的，并對(duì)外部環(huán)境的改變能夠做出反應(yīng)。其原則是經(jīng)濟(jì)合理的利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量，使細(xì)胞處于平衡生產(chǎn)狀態(tài)?！　⊙芯课⑸锏拇x調(diào)節(jié)具有極為重要的意義。在工業(yè)上，可對(duì)微生物的代謝途徑加以控制，打破微生物原有的代謝調(diào)控系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)的需要。微生物及其代謝產(chǎn)物的多樣性，為新抗菌藥物的篩選提供了豐富來源。但過去半個(gè)多世紀(jì)以來的藥物篩選還只觸及到其中很小的一部分，而對(duì)海洋微生物和極端微生物的研究更少，因此，新型抗菌藥物開發(fā)尚有十分廣闊的前景。通過對(duì)微生物進(jìn)行生化水平上的研究，解決了微生物代謝調(diào)控、合成途徑等各方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，運(yùn)用抗生素作用機(jī)制、耐藥原理和分子藥理學(xué)與病理學(xué)等方面的新成就，創(chuàng)建新的篩選模型，利用高新技術(shù)建立自動(dòng)、快速、高通量的篩選程序；廣開菌源，并采用基因工程、細(xì)胞工程等技術(shù)構(gòu)建生物工程菌株，運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和組合化學(xué)等手段大量獲取新化合物和產(chǎn)品制造新路線。另一方面，能源、資源安全以及日益嚴(yán)重的環(huán)境問題迫使我們尋找更加可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，以降低不可再生的化石資源（石油、天然氣、煤、礦物）的快速消耗速度。一個(gè)有前景的方法就是逐步將全球經(jīng)濟(jì)的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)的，以生物能源、生物燃料及生物基產(chǎn)品為主要支柱的生物基經(jīng)濟(jì)。將經(jīng)濟(jì)形態(tài)部分或全部調(diào)整為以可再生原材料為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)，需要在研究、開發(fā)及生產(chǎn)過程中使用全新的理念和方法。　　……

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