微生物學方法

內(nèi)容概要

　　《生物科學研究方法叢書：微生物學方法》在總結微生物學發(fā)展歷程的基礎上，重點調(diào)研和總結了該學科主要研究領域的新方法、新技術，內(nèi)容涉及微生物資源發(fā)掘、認識、改造、應用等多個方面，尤其關注了工業(yè)微生物研究和工業(yè)生物技術的最新發(fā)展和應用，希望與廣大科研人員和科研管理人員一起，共同探討我國微生物學領域方法創(chuàng)新的目標和重點，以便在科學研究過程更科學地應用這些方法，更理性地設計研究思路。

書籍目錄

前言第一篇 歷史篇 微生物學領域技術方法的發(fā)展歷程和規(guī)律第一章 微生物學發(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) 組學水平研究第三章 研究手段的發(fā)展歷程（技術原理的角度）第一節(jié) 微生物培養(yǎng)技術第二節(jié) 微生物分子操作技術第三節(jié) 微生物組學分析技術第四章 儀器設備的發(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) 微生物生物反應器的發(fā)展第三節(jié) 微生物代謝物檢測儀器的發(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/檢測儀器的發(fā)展第五章 微生物學技術方法演進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)技術到非培養(yǎng)技術和宏基因組第六章 學科交叉對微生物學技術方法發(fā)展的作用第一節(jié) 物理學在微生物學發(fā)展中的作用第二節(jié) 化學在微生物學發(fā)展中的作用第三節(jié) 機械學在微生物發(fā)展中的作用第四節(jié) 信息學在微生物發(fā)展中的應用第五節(jié) 數(shù)學在微生物發(fā)展中的應用第二篇 方法篇 微生物學領域主要創(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第二節(jié) 微生物的新型鑒定技術第三節(jié) 微生物分類的技術方法第二章 微生物顯微成像技術第一節(jié) 不同顯微成像技術的工作原理、優(yōu)缺點及使用對象第二節(jié) 光學顯微成像技術的最新發(fā)展第三節(jié) 電子顯微成像技術的最新發(fā)展第四節(jié) 重要應用舉例第三章 微生物發(fā)酵培養(yǎng)技術第一節(jié) 發(fā)酵過程在線監(jiān)測與控制技術第二節(jié) 微培養(yǎng)技術第三節(jié) 計算流體力學技術第四章 微生物菌種選育第一節(jié) 傳統(tǒng)誘變的優(yōu)點與局限第二節(jié) 微生物代謝網(wǎng)絡改造主要創(chuàng)新技術第三節(jié) 微生物改造全局擾動技術第五章 微生物酶分子改造技術第一節(jié) 理性設計的原理與發(fā)展第二節(jié) 定向進化的原理與發(fā)展第三節(jié) “理性進化”的原理和發(fā)展第六章 微生物大分子及代謝物的檢測、分離與純化技術第一節(jié) 微生物大分子及代謝物檢測技術的發(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的發(fā)展與原理第三節(jié) 高靈敏性、高通量特點的代謝物檢測技術第七章 微生物計算生物學技術第一節(jié) 計算生物學在微生物學研究中的應用與發(fā)展第二節(jié) 生物信息學在微生物學研究中的應用與發(fā)展第三節(jié) 微生物系統(tǒng)模擬與仿真第四節(jié) 計算結構生物學在微生物學研究中的應用與發(fā)展第八章 微生物組學技術第一節(jié) 微生物基因組測序技術的發(fā)展第二節(jié) 微生物基因芯片技術的最新發(fā)展第三節(jié) 微生物蛋白質(zhì)組技術的最新發(fā)展第四節(jié) 微生物代謝物組技術的最新發(fā)展第五節(jié) 各種微生物組學數(shù)據(jù)的整合及模型構建及預測第六節(jié) 成功應用案例第三篇 戰(zhàn)略篇 我國微生物領域技術方法創(chuàng)新的發(fā)展戰(zhàn)第一章 我國微生物學科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對技術方法創(chuàng)新的迫切需求、目標和工作重點第一節(jié) 微生物學科發(fā)展對技術方法創(chuàng)新的需求第二節(jié) 我國生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫切需要微生物技術方法的創(chuàng)新第三節(jié) 我國微生物領域技術方法創(chuàng)新的目標和工作重點第二章 我國微生物領域設備創(chuàng)新的需求、目標及工作重點第一節(jié) 高通量設備第二節(jié) 發(fā)酵在線監(jiān)測和控制設備第三節(jié) 自動化取樣分析一體化設備第四節(jié) 高通量微型生物反應器系統(tǒng)……

章節(jié)摘錄

　　第一篇 歷史篇　　微生物學領域技術方法的發(fā)展歷程和規(guī)律　　第一章 微生物學發(fā)展歷程（總論）　　人類最早認識微生物僅僅是一個朦朧階段，大多是憑借實踐經(jīng)驗利用微生物的有益活動（進行釀酒、發(fā)面、制醬、釀醋、漚肥等）。隨著人類社會科學技術的不斷進步，微生物學領域的發(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、系統(tǒng)生物學和合成生物學的飛速發(fā)展，現(xiàn)代微生物學也逐漸進入了一個組學與系統(tǒng)研究的新發(fā)展階段，在不遠的將來，還將實現(xiàn)人工半合成與全合成的微生物?！　≡诂F(xiàn)代科學中，對人類健康關系最大、貢獻最為突出的莫過于微生物學。微生物學從建立之初就與人類和動物傳染病的防治產(chǎn)生了不解之緣，可以說，微生物學的發(fā)展促進了人類的進步。在基礎理論問題研究中，微生物也是最佳的模式生物。歷史上自然發(fā)生說的否定、糖酵解機制的認識、基因與酶關系的發(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)基礎的證實、操縱子學說的提出、遺傳密碼的揭示、基因工程的開創(chuàng)、PCR（DNA聚合酶鏈式反應）技術的建立、真核細胞內(nèi)共生學說的提出等，都是選用微生物作為研究對象而取得的重大成果。隨著認識微生物能力的不斷提高，人類利用微生物的技術能力也不斷提升。新技術也不斷促進核心“生物工具”的進步，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)代生物制造技術不斷取得重大創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應用，對工業(yè)基礎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)升級顯示了巨大的推動作用?！　∫?、微生物的形態(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，從無機小分子到有機高分子化合物，幾乎無所不被其所利用；從太陽輻射，到光合作用產(chǎn)生有機化學物，到地表深處的礦物質(zhì)，微生物參與了地球有機化學反應的全部過程。由于微生物個體過于微小、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識等，初期成為一個難以認識的微生物世界。直至1676年，列文虎克發(fā)明了顯微鏡，觀察到了微生物的個體，也對一些微生物進行了初步的形態(tài)描述，而成為微生物學研究的先驅(qū)者。顯微鏡發(fā)明之后，組織學和細胞學也就相應地建立起來。電子顯微鏡的使　　用，進一步使表觀形態(tài)描述深入到超微結構的領域。微生物資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎和生物技術創(chuàng)新的重要源泉。沒有微生物的活動，地球上的生命是不可能存在的?，F(xiàn)在的形態(tài)學早已跳出單純描述的圈子，形態(tài)學的研究也越來越與微生物機能研究結合起來，通過研究微生物形態(tài)分類，進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)育與進化生物學等重大科學問題?！　《⑽⑸锷硭窖芯侩A段　　微生物種類繁多，生理類型復雜，就營養(yǎng)和能量轉(zhuǎn)換而論，既有像動物那樣異養(yǎng)生活的類群，也有像植物那樣進行光合作用的自養(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)生有機酸、溶劑、脂肪酸、維生素、多糖等對人類有用的產(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、甾體化合物等次級代謝產(chǎn)物。氮的利用方面，微生物有能利用有機氮化合物的類群，也有能利用無機氮的類群。固氮菌、根瘤菌、藍細菌和某些異養(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的研究從19世紀60年代開始進入生理水平階段，法國科學家巴斯德對微生　　物生理學的研究為現(xiàn)代微生物學奠定了基矗從此，微生物學作為一個學科真正開始建立。隨著科技的進步，微生物生理學的研究也不斷面臨著一些重大科學問題的挑戰(zhàn)：包括①細胞中的生物化學轉(zhuǎn)化、能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的機制；，生物大分子的結構與功能（核酸與蛋白質(zhì)的合成、遺傳信息的傳遞以及膜的結構和功能等）的關系；③分子水平上的形態(tài)建成、分化及其行為等。近年來，微生物生理學的研究擴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生存，逐步形成了獨特的結構、生理機能和遺傳因子，以適應環(huán)境。它不僅在生命起源、系統(tǒng)進化等方面給了人們許多重要的啟示，而且極端微生物特殊的基因類型、生理機制及代謝產(chǎn)物，具有極大的應用價值。這將使某些新的生物技術手段成為可能，極大地推動生物技術的發(fā)展。目前，極端微生物已成為國際研究的熱門領域，日本、美國、歐洲等國都啟動了極端微生物的研究計劃，進行新物種的發(fā)現(xiàn)、新產(chǎn)物的研究與生產(chǎn)、酶的結構與功能及其基因的克隆表達和基因組分析等研究，瞄準解決酶適應機制的分子基礎及遺傳原理等方面科學問題。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)中的酶在應用的過程中經(jīng)常會表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，尤其是在高溫、強堿、強酸等極端環(huán)境下易出現(xiàn)失活狀態(tài)，這使酶工程的應用范圍有一定的局限性，極端酶正好彌補了這方面的缺陷。這使得這類特殊的酶成為現(xiàn)代酶學微生物學研究的焦點，極端微生物酶的研究將會成為酶學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，將逐步加深我們對生命科學基礎理論的認知水平。　　三、微生物生化水平研究階段　　20世紀以來，生物化學和生物物理學向微生物學滲透，再加上電子顯微鏡的發(fā)明和同位素示蹤原子的應用，推動了微生物學向生物化學階段的發(fā)展。1897年德國學者認識了酵母菌酒精發(fā)酵的酶促過程，將微生物生命活動與酶化學結合起來。隨后的微生物學者對微生物代謝的研究以及比較生物化學的研究，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，普通微生物學開始形成。在控制微生物代謝的基礎上擴大利用微生物，發(fā)展酶學，推動了微生物生物化學的發(fā)展。微生物的生長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，為細胞的生命活動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聯(lián)、相互制約的，成為其生命活動的基礎。闡明代謝調(diào)控機制成為微生物學領域的一個重大科學基礎問題。多年的研究發(fā)現(xiàn)，微生物在生產(chǎn)過程中機體內(nèi)的復雜代謝過程是互相協(xié)調(diào)和高度有序的，并對外部環(huán)境的改變能夠做出反應。其原則是經(jīng)濟合理的利用和合成所需的各種物質(zhì)和能量，使細胞處于平衡生產(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。但過去半個多世紀以來的藥物篩選還只觸及到其中很小的一部分，而對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。通過對微生物進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挑戰(zhàn)，運用抗生素作用機制、耐藥原理和分子藥理學與病理學等方面的新成就，創(chuàng)建新的篩選模型，利用高新技術建立自動、快速、高通量的篩選程序；廣開菌源，并采用基因工程、細胞工程等技術構建生物工程菌株，運用電子計算機輔助設計和組合化學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重的環(huán)境問題迫使我們尋找更加可持續(xù)的經(jīng)濟發(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。一個有前景的方法就是逐步將全球經(jīng)濟的大部分轉(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。將經(jīng)濟形態(tài)部分或全部調(diào)整為以可再生原材料為基礎的經(jīng)濟，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?！　　?/pre>








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