微生物基因组研究：前景与目标
微生物基因组研究：前景与目标
金奇
微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生
物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不
在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、
环保等诸多领域。
微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％
是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾
病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。
在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感
染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致
病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株
发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间
可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大
流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设
计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核
感染又在世界范围内猖獗起来。
微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有
益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医
药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选
出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广
泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑
料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一
些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等
普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现
的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的
微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。
微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，
称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，
互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作
用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。
随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。
人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事
的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物
体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上
研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革
命。
以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，
而微生物基因组研究又是其中的重要分支。世界权威性杂志《科学》曾将微生物
基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，
发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药
物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的发展产生巨大影响。
牛痘疫苗的应用使人类历史上首次成功消灭了一种疾病——天花，而目前的基因
工程疫苗也为疾病的有效预防发挥了巨大作用，如乙肝病毒的预防等。从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的
奥秘提供了新的线索和思路。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年
美国发起了微生物基因组研究计划（MGP ）。通过研究完整的基因组信息开发和
利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调
控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产
品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种
酶制剂等等。通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，
全面促进微生物工业时代的来临。
我国微生物基因组研究已经占据一定国际地位
由于微生物相对于其他生物体而言结构简单、基因组较小，因此研究周期短，
进展迅速。世界各国普遍参与并关注该领域的发展。目前病毒基因组研究已全面
进入功能基因的研究阶段；细菌基因组研究全面展开，在大量测序工作
时，功能基因组的研究也已在进行之中；部分真菌和小型原虫的基因组研究也逐
渐展开。从1995年国际上第一个细菌流感嗜血杆菌全基因组测定完成，在随后的
几年中，微生物（这里包括细菌和真菌）的全基因组序列测定进展很快，仅2000
年一年就公布了15种微生物的完整序列。截止到现在，总共完成了微生物基因组
研究40多项，基因组大小从几百kb（千碱基对）到十几个Mb（兆碱基对），还有
160 多种微生物的测序工作正在进行之中。
鉴于微生物在多领域发展中具有重要价值，因此国际上许多国家纷纷制订了
微生物基因组研究计划，对微生物基因资源的开发展开了激烈竞争。发达国家和
一些发展中国家首先对人类重要病原微生物进行了大规模的序列测定，随后又对
有益于能源生产、改善环境以及工业加工的细菌开展了基因组序列测定工作。
在此期间，我们国家在侯云德院士、闻玉梅院士等老一辈科学家的倡导下，
也及时开展了微生物基因组工程的研究。在强伯勤院士的大力支持下，由金奇教
授主持完成的痢疾杆菌福氏2a301 株的全基因组序列测定，是我国第一个向国际
上发布并率先完成的微生物基因组项目。在陈竺院士和杨焕明教授等领导下的病
原微生物钩端螺旋体、滕冲嗜热菌及黄单胞菌等的全基因组序列测定也先后完成，
后续的功能基因组研究正在进展之中。目前即将完成的有工业菌株氧化葡萄糖酸
杆菌、青霉菌及病原菌表皮葡萄球菌等。将要启动的新一批微生物基因组项目包
括人类病原微生物、工业微生物、环境保护微生物等等。这标志着我国
基因组研究领域中已经占据了一定的国际地位，同时也为发展我国有自主知识产
权的微生物基因资源的开发和产业化奠定了基础。
人类病原微生物基因组研究设计新型疫苗开发新型抗微生物药物
由于新老传染病的流行和再现，病原微生物的变异和致病机制更加复杂和多
样化。因此，迫切需要我们从更深层次去了解和研究它们，而基因组研究则从分
子水平上奠定了坚实的基础。在遗传信息解析的前提下，为临床治疗中寻找更灵
敏特异的诊断分型手段、发展高效的基因工程疫苗及筛选新型药物提供了线索和
保障。
科学家们对大量基因组资料分析后发现，在微生物的染色体上，一些功能相
近的基因毗邻分布形成“小岛”样的结构。这些岛包括“毒力岛”、“代谢岛”，
甚至可能还存在着“分泌岛”、“调控岛”等等。毒力岛的发现和研究使人类在
认识细菌的致病性方面更进了一步。
有科学家认为，人类病原微生物基因组研究最重要的价值就在于其对疫苗的
设计以及新型抗微生物药物的开发所产生的巨大推动。从反向疫苗学的角度首先
对全基因组序列进行生物信息学分析，预测开放读码框架（ORF ，openreadingframe），
发现新的外膜蛋白基因，筛选表达保护性抗原，以制备高效疫苗。这种思路已在
衣原体的研究中取得成功。在一系列研究中发展起来的新技术和新方法对于促进
功能基因的发现和重要功能基因的研究显得尤为重要。通过这些方法的应用发现
了一系列与毒力、耐药和定居等相关的基因，并且可以在此基础上深入研究病原
体与宿主的相互作用。
大肠杆菌作为人体正常菌群中重要的一员，同时也被作为基因组研究的模式
生物，较早完成了其基因组序列的测定。而致病性的大肠杆菌，如大肠杆菌O157
的基因组研究也已完成，将非致病的大肠杆菌和致病性的大肠杆菌进行序列的比
较，就可以得到许多有价值的资料，例如：与致病性相关的基因，以及一些保守
性的共有基因等。科学家对与慢性胃炎和胃癌可能相关的病原菌幽门螺杆菌进行
的研究发现，该菌具有特殊的基因使之能在胃酸存在的条件下生存，从而被人体
长期携带，在该研究的基础上可以探讨其与癌症发生相关的分子机制。引起沙眼
的沙眼衣原体以及导致性病的梅毒螺旋体等大量疾病的致病微生物正处于研究阶
段。科学家们希望发现病原生物致病相关的关键基因或基因群，从而有针对性地
发展更为有效的防治对策，而微生物在宿主组织中生长所需要的物质合成、分解
代谢以及调节相关基因都可以作为抗微生物药物设计的候选靶位。微生物完整的
基因组序列提供了丰富的信息资源，为发现新的、更有效的药物靶位和保护性抗
原提供了最大的可能。
大量基因组序列的积累，促进了比较基因组学的发展。以微生物序列信息为
杠杆，加快了其它种类生物测序，同时也促进了微生物本身独特核苷酸序列的发
现，为临床治疗发展更灵敏特异的诊断分型方法奠定了基础；微生物与人类相似
的致病相关蛋白的发现，也为人类遗传病的研究提供了线索。
工业微生物基因组研究不断发现新的特殊酶基因及功能基因
工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。
通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C 以及一些风味食品的制备等；
某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗
衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂
广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生
素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参
与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后
对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C 两步发酵法生产
过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提
下找到与维生素C 生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工
程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。
对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代
谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同
时推动现代生物技术的迅速发展。
农业微生物基因组研究认清致病机制发展控制病害的新对策
据资料统计，全球每年因病害导致的农作物减产可高达20％，其中植物的细
菌性病害最为严重。除了培植在遗传上对病害有抗性的品种以及加强园艺管理外，
似乎没有更好的病害防治策略。因此积极开展某些植物致病微生物的基因组研究，
认清其致病机制并由此发展控制病害的新对策显得十分紧迫。
经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还
有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物，例如：胡萝卜欧
文氏菌、植物致病性假单胞菌以及我国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之
中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类
病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病
原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了
杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗
性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固
氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。
环境保护微生物基因组研究找到关键基因降解不同污染物
在全面推进经济发展的同时，滥用资源、破坏环境的现象也日益严重。面对
全球环境的一再恶化，提倡环保成为全世界人民的共同呼声。而生物除污在环境
污染治理中潜力巨大，微生物参与治理则是生物除污的主流。微生物可降解塑料、
甲苯等有机物；还能处理工业废水中的磷酸盐、含硫废气以及土壤的改良等。微
生物能够分解纤维素等物质，并促进资源的再生利用。对这些微生物开展的基因
组研究，在深入了解特殊代谢过程的遗传背景的前提下，有选择性的加以利用，
例如找到不同污染物降解的关键基因，将其在某一菌株中组合，构建高
效能的基
因工程菌株，一菌多用，可同时降解不同的环境污染物质，极大发挥其改善环境、
排除污染的潜力。美国基因组研究所结合生物芯片方法对微生物进行了特殊条件
下的表达谱的研究，以期找到其降解有机物的关键基因，为开发及利用确定目标。
极端环境微生物基因组研究深入认识生命本质应用潜力极大
在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物，又称嗜极菌。嗜极菌对极
端环境具有很强的适应性，极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限
条件下微生物的适应性，加深对生命本质的认识。
有一种嗜极菌，它能够暴露于数千倍强度的辐射下仍能存活，而人类一个剂
量强度就会死亡。该细菌的染色体在接受几百万拉德a 射线后粉碎为数百个片段，
但能在一天内将其恢复。研究其DNA 修复机制对于发展在辐射污染区进行环境的
生物治理非常有意义。开发利用嗜极菌的极限特性可以突破当前生物技术领域中
的一些局限，建立新的技术手段，使环境、能源、农业、健康、轻化工等领域的
生物技术能力发生革命。来自极端微生物的极端酶，可在极端环境下行使功能，
将极大地拓展酶的应用空间，是建立高效率、低成本生物技术加工过程的基础，
例如PCR 技术中的TagDNA聚合酶、洗涤剂中的碱性酶等都具有代表意义。极端微
生物的研究与应用将是取得现代生物技术优势的重要途径，其在新酶、新药开发
及环境整治方面应用潜力极大。
古生菌基因组工程一门新兴学科
古生菌作为分类上的一个特殊类群，由于其在进化研究中的特殊地位，近年
来受到科学家们的格外关注。1996年，詹氏甲烷球菌成为第一个完成全基因组测
序的古生菌，其基因组序列分析发现，甲烷球菌不像任何已知细菌。这一现象支
持和肯定了古生菌的确是一个独立的域，也进一步支持了三域（细菌、古生菌和
真核生物）划分的正确性。古生菌的大部分分支为嗜热菌，其嗜热酶多数可应用
于工业生产中的生物催化。古生菌的研究还是一门新兴学科，一些基本的生物学
知识还非常贫乏。对古生菌开展基因组研究，将从遗传基础方面加深我们对古生
菌的认识，以便于更好地开发和利用。
技术手段飞跃发展高通量大规模
开展基因组研究的同时，相应的生物技术手段得到了飞跃性的发展。基因组
研究在技术上最突出的特点是：高通量、大规模。这是传统生物技术的一次重大
突破，已经成为解决生命科学的重大问题和复杂生命过程发生机制的强有力的手
段。随着后基因组研究和蛋白质组学的提出，在这些功能强大的研究工具中最突
出的，是生物芯片技术和细胞蛋白质二维凝胶电泳技术。科学家成功地应用157112
个探针分子，一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱的差异；而二维
电泳技术的出现，使高通量的蛋白质筛选成为可能，其结合质谱分析和蛋白质组
的信息学，将给蛋白质的功能研究带来革命性的进展。
微生物基因组研究四大目标
目标一：深化病原微生物致病机制的研究
将不同微生物间进行基因组结构和功能基因的比较，促进对结构改变与功能
变异之间的相关性研究，不断引导发现新的核心序列、特异序列及耐药位点，推
动致病因子存在、发生、变异和调节规律的研究。毒力基因的改变将导致微生物
致病性的改变，如，霍乱弧菌由自由生活的环境生物转变为人类病原菌的关键因
素，就是毒力基因的水平转移；而基因在不同种属、甚至不同域之间转移，就更
增加了生物的多样性和进化的复杂性。从整体的角度以完整基因组序列为基础结
合功能基因组学研究的实验方法，如：芯片技术、二维电泳技术、各种功能基因
的筛选技术等快速、大量的鉴定新的致病相关因子，结合生物信息学构建各种生
理过程的数学模型进行研究，将深化对致病机制、耐药机制的认识，为防病治病
奠定基础。
技术的进步使我们的研究能力得以提高，研究范围不断拓展。新的技术手段
和研究方法使我们可以在最接近自然的状态下研究病原微生物与宿主的相互作用，
还能在大量的候选基因中快速有效地进行筛选。哪些基因与毒力有关、与定居有
关、与持续感染有关等等，有待开展的工作还很多。对幽门螺杆菌、空肠弯曲菌、
结核杆菌以及一些寄生性的病原体，如支原体、立克次体和麻风杆菌等与宿主及
生存环境相互关系的研究已经是良好的开端。例如，幽门螺杆菌遗传信息的解析，
不仅为其特殊代谢提供了信息和线索，阐明了该菌如何生活在宿主的胃酸环境中，
并且有助于研究长期带菌者体内的病原微生物与宿主的相互关系，在此
有望识别对致癌有重要作用的因素；而对麻风杆菌基因组的分析，则可能有助于
寻找到在实验室中培养麻风杆菌的方法，便于科学家对它进行更深入的研究。
目标二：推动生命进化的研究
基因组遗传信息的解析推动了生命进化的研究。目前广泛为人接受的是伯杰
氏分类法，他将生物分为三域：真核生物、真细菌和古生菌。古生菌与真核生物
的关系要比与真细菌的关系更为密切。微生物基因组测序的信息进一步验证了生
命进化的三域理论。大量致病和非致病性微生物基因组的研究证明基因的水平转
移机制致使很多基因可在生物体中跨域分享，这对于研究生物的系统发生很有意
义，相信越来越多的基因组信息的积累和分析，将对绘制科学的生命进化提供更
丰富的信息和更有力的证据。
目标三：开发诊断试剂、构建疫苗、筛选药物，为防病治病服务
完整基因组的序列测定带给我们有关微生物详尽的遗传学和生物学信息，是
其他任何一种研究方法所不能比拟的。以完整的基因组序列为基础，预测和筛选
出新的更特异的保护性抗原基因，在此基础上发展高效疫苗；鉴定新的毒力相关
因子、调节因子，经过遗传学操作改造疫苗菌株、构建活疫苗以及发展基因工程
菌载体的构建。以分子模拟等生物信息学方法对小分子药物进行设计和筛选，以
期获得针对性强、副作用小的好药。微生物的特异序列还可用以制备疾病的诊断
试剂，结合大规模的检测方法，如基因芯片技术等，应用于疾病快速及
和分型，以及研究基因突变和多态性的存在。可以预见，这一领域的发展潜力巨
大，前景广阔。
目标四：促进传统工艺的改良、传统工农业的改造
一直以来，直接利用菌体进行发酵或直接利用菌的代谢产物，在化工、制药
及食品等工业部门应用广泛。基于微生物基因组的研究，将不断发现重要的关键
基因，明确关键的代谢机制尤其是相关酶基因及其蛋白产物，将蛋白制剂直接应
用于生产过程或对基因进行遗传操作，改造菌株或构建新的基因工程菌，对扩大
应用领域，改良或简化传统工艺步骤，提高生产效率，甚至以新的生物技术手段
对传统工业的现代化改造，将产生深远影响。
对经济作物致病菌的基因组研究应逐渐加强，从分子水平上掌握致病规律，
发展防治新对策；将微生物中抗冻、抗虫、耐盐碱、固氮等优良基因转入经济作
物体内，减少化肥和农药的使用，同时发展生物杀虫剂，减少污染，不断提高农
产品的产量和质量、促进传统农业的现代化改造。
微生物基因组研究成果，不仅可以极大推动理论科学的发展，还能以疫苗、
新型药物、诊断试剂、极端酶等各种酶制剂、工程菌等多种形式广泛应用于生物
医药、工农业生产、生物除污、传统工艺、工业的改良改造，新型生物技术的发
生发展等诸多领域。一种以微生物为研究和开发主体的工业时代即将来临。其中，
微生物基因组研究所开辟和发展的丰富资源，对于这种新的微生物工业的形成和
发展将产生巨大的推动作用。
作者简介
金奇教授，男，42岁，博士生导师，现任病毒基因工程国家重点实验室副主任；
卫生部微生物基因组研究中心负责人；
北京微生物基因组研究中心主任；
生物芯片北京国家工程研究中心副主任。
现任国家重大基础研究规划（973 规划）项目首席科学家；
国家高技术发展计划（863 计划）生物与现代农业领域主题专家组组长。
摘自[ 科技日报]
微生物发展历程及前景展望
微生物学发展历程及前景展望 微生物学（microbiology）生物学的分支学科之一。它是在分子、细胞或群体水平上研究各类微小生物的形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传变异、生态分布和分类进化等生命活动的基本规律，并将其应用于工业发酵、医学卫生和生物工程等领域的科学。 微生物学是高等院校生物类专业必开的一门重要基础课或专业基础课，也是现代高新生物技术的理论与技术基础。基因工程、细胞工程、酶工程及发酵工程就是在微生物学原理与技术基础上形成和发展起来的；《微生物学》也是高等农林院校生物类专业发展及农林业现代化的重要基石之一。随着生物技术广泛应用，微生物学对现代与未来人类的生产活动及生活必将产生巨大影响。 一、发展历程 （一）微生物学的经验时期 公元二千多年的夏禹时代，就有仪狄作酒的记载。北魏（386～534）贾思勰《齐民要术》一书中，详细地记载了制醋方法。我国古代人民也发现豆类的发酵过程，从而制成了酱。 十一世纪时。北宋未年刘真人就有肺痨由虫引起之说。意大利学者Fracastoro 认为传染病的传播有直接、间接和通过空气等几种途径。 在预防医学方面，我国自古以来就有将水煮沸后饮用的习惯。明李时珍的《本草纲目》中，亦有对病人穿过的衣服应该进行消毒的记载。 我国古代人民，创用了预防天花的人痘接种法。大量古书证明，我国在明代隆庆年间，人痘已经广泛使用，并先后传至俄国、日本、朝鲜、土耳其、英国等国家，人痘接种是我国对预防医学的一大贡献。 （二）实验微生物学时期 1.微生物的发现 首先看到微生物的是荷兰人列文虎克。他于1676年创制了一架原始显微镜，正确地描述了微生物的形态有球形、杆状、螺旋样等，为微生物的存在提供了有力证据。 法国科学家巴斯德首先实验证明有机物质的发酵与腐败是由微生物引起。巴斯德的研究开始了微生物的生理学时期。自此，微生物学开始成为一门独立的学科。 巴斯德创造了巴氏消毒法。随后，英国外科医师李斯德创用石碳酸喷洒手术室和煮沸手术用具，以防止外科手术的继发感染，为防腐、消毒以及无菌操作打下基础。 微生物学的另一奠基人是德国学者郭霍。他创用固体培养基，使有可能将细菌从环境或病人排泄物等标本中分出成为纯培养，便于对各种细菌分别具体研究。后又创用了染色方法和实验性动物感染，为发现各种传染病的病原体提供有利条件。 2.免疫学的兴起 十八世纪末，英国医师Jenner创制牛痘苗来预防天花，为预防医学开辟了广
基因组学研究的应用前景
基因组学研究的应用前景摘要：基因组学是一门研究基因组的结构，功能及表达产物的学科，基因组的结构不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的RNA,包括三个不同的亚领域，及结构基因组学，功能基因组学和比较基因组学。近几年，基因组学在微生物药物，细菌，病毒基因，营养基因方面都有进展，其前景是光明的。 关键词：基因研究未来结构 一、微生物药物产生菌功能基因组学研究进展 微生物药物是一类化学结构和生物活性多样的次级代谢产物，近年来多个产生菌基因组序列已经被测定完成，在此基础上开展的功能基因组研究方兴未艾，并在抗生素生物合成，形态分化，调控，发育与进化及此生代谢产物挖掘等方面有着新的发现，展现出广阔的研究前景，青霉素及其衍生的《》内酰胺类抗生素极大地改善了人类的卫生保健和生活质量，并促进研究人员不断对其工业生产菌株类黄青霉进行遗传改良和提高其产量，从而降低生产成本。经过60年的随机诱变筛选，当前青霉素产量至少提高了三个数量级，同时，青霉素的生物合成机理也得到了较为清晰的阐述，其pcbAB编码的非核糖体肽合酶ACVS~DPcbc编码的异青霉素N合成酶IPNS位于细胞质中，而苯乙酸COA连接酶PenDE编码的IPN酰基转移酶位于特殊细胞器一微体中。 研究发现，青霉素合成基因区域串联扩增，产黄青细霉胞中微体含量增加都可显著提高青霉素产量。然而随机诱变筛选得到的黄青霉工业菌株高产的分子机制尚不明确。为此，2008年荷兰研究人员联合国美国venter基因组研究所对黄青霉wisconsin54—1225进行了基因组测试和分析，并进一步利用DNA芯片技术研究了wisconsin54—1255及其高产菌株DS17690在培养基中是否添加侧链前体苯乙酸情况下的转录组变化，四组数据的比较分析发现，有2470个基因至少在其中一个条件下是差异表达的，根据更为严格的筛选标准，在PPA存在的条件下，高产菌相比测序菌株有307个基因转录是上调的，和生长代谢，青霉素前体合成及其初级代谢和转运等功能相关，另有271个基因显著下调，主要是与生长代谢及发育分化相关的功能基因。 二、乳酸菌基因组学的研究进展
微生物基因组研究
微生物基因组研究 微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、 环保等诸多领域。 微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。 微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。 微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。 随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。 以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，
基因组学的研究内容
基因组学的研究内容 结构基因组学： 基因定位；基因组作图；测定核苷酸序列 功能基因组学：又称后基因组学（postgenomics基因的识别、鉴定、克隆；基因结构、功能及其相互关系；基因表达调控的研究 蛋白质组学： 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式 遗传图谱 （genetic map）采用遗传分析的方法将基因或其它dNA序列标定在染色体上构建连锁图。 遗传标记： 有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。 构建遗传图谱 就是寻找基因组不同位置上的特征标记。包括： 形态标记； 细胞学标记； 生化标记；DNA 分子标记 所有的标记都必须具有多态性！所有多态性都是基因突变的结果！ 形态标记： 形态性状：株高、颜色、白化症等，又称表型标记。 数量少，很多突变是致死的，受环境、生育期等因素的影响 控制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。
细胞学标记 明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征 ：染色体的核型、染色体的带型、染色 体的结构变异、染色体的数目变异。优点：不受环境影响。缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利 生化标记 又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。 如：同工酶、贮藏蛋白 优点： 数量较多，受环境影响小 ?
缺点： 受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息 DNA 分子标记： 简称分子标记以 DNA 序列的多态性作为遗传标记 优点： ? 不受时间和环境的限制 ? 遍布整个基因组，数量无限 ?
不影响性状表达 ? 自然存在的变异丰富，多态性好 ? 共显性，能鉴别纯合体和杂合体 限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism ， RFLP ） DNA 序列能或不能被某一酶酶切，
微生物基因组研究进展及意义
微生物基因组研究进展及其意义 近年来，病原微生物的基因组研究取得了飞速的进展。所谓基因组研究是指对微生物的全基因进行核苷酸测序，在了解全基因的结构基础上，研究各个基因单独或数个基因间相互作用的功能。由于过去人们大多从表型分析入手，寻找已知功能的编码基因，实际只了解微生物中极少数的基因，如链球菌的链激酶基因、结核杆菌编码的热休克蛋白基因等。还有大量未知基因未被发现。通过基因组研究，则从根本上揭示了微生物的全部基因，不仅可发现新的基因，还可发现新的基因间相互作用、新的调控因子等。这一研究将使人类从更高层次上掌握病原微生物的致病机制及其规律，从而得以发展新的诊断、预防及治疗微生物感染的制剂、疫苗及药品。此外，新发现的微生物酶及蛋白还可能有在工农业生产上的应用价值。因此，全球除已完成了70余株覆盖重要病毒科的病毒代表株全基因组研究外，据美国基因组研究所（The Institute for Genomic Research, TIGR）报道，目前已完成了19种微生物基因组测序，其中11种与人类及疾病相关（嗜血流感杆菌，生殖道支原体，肺炎支原体，幽门螺杆菌，枯草杆菌，伯氏疏螺旋体，结核杆菌，梅毒螺旋体，沙眼衣原体，普氏立克次体）。另外，还有40余种微生物已被登记正在进行测序，预计在1999～2000年完成〔1〕。 病毒基因组研究进展 病毒因其基因组小，是进行基因组研究最早的生物体。早在1977 年已完成了噬菌体DNA的全基因测序。存在于脊髓灰质炎疫苗中的SV40，是最早完成全基因测序的与疾病相关的病毒；此后，许多病毒均已完成了全基因测序，并根据序列的开放阅读框架（ORF）对编码蛋白进行了推导。已对相当一些病毒蛋白进行了重组表达，还对一些病毒基因编码的调控序列进行了研究。除一般大小的病毒已完成了基因组测序，对大基因组病毒，疱疹病毒科，如水痘病毒基因组为0.125Mb(Mega-basepair,兆碱基对)〔2〕。巨细胞病毒，基因组为0.229Mb〔3〕。我国已对痘苗病毒天坛株（约0.2Mb）进行了全基因测序，发现与国外的痘苗毒株序列有明显的差异〔4〕。我国还对甲、乙、丙、丁、戊、庚型肝炎病毒进行了国内毒株的全基因测序。近来还对国内2株发现的虫媒病毒毒株完成了全基因测序。我国从不同来源的标本中发现了不少乙肝病毒变异株，有的具有特殊的生物学特性〔5〕。对病毒基因中调控因子的分析，发现了与乙肝病毒增强子作用的新细胞核因子〔6〕。 因此，目前对病毒的基因组研究已进入了后基因组阶段，即从全基因水平研究病毒的生物学功能，同时发现新的基因功能。对于医学病毒学当前主要方向是研究病毒基因组中与致病及诱生免疫应答相关的基因，从而揭示和解决迄今尚未解决的问题，以达到控制或消灭一些重要病毒感染的目的。 建议目前可进行后基因组研究的领域为： 1．病毒持续性感染：基因组中与持续性感染相关的基因，基因变异或调控因子研究。已报道的乙肝病毒的前核心基因出现终止密码突变，
微生物学发展简史
1、史前期（约8000 年前一1676 ) ,各国劳动人民,①未见细菌等微生物的个体；②凭实践经验利用微 生物是有益活进行酿酒、发面、制酱、娘醋、沤肥、轮作、治病等）。 在17世纪下半叶，荷兰学者吕文虎克用自制的简易显微镜亲眼观察到细菌个体之前，对于一门学科来说尚没形成。这个时期称为微生物学史前时期。在这个时期，实际上人们在生产与日常生活中积累了不少关于微生物作用的经验规律，并且应用这些规律，创造财富，减少和消灭病害。民间早已广泛应用的酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍、蜜饯等等。古埃及人也早已掌握制作面包和配制果酒技术。 这些都是人类在食品工艺中控制和应用微生物活动规律的典型例子。积肥、沤粪、翻土压青、豆类作物与其它作物的间作轮作，是人类在农业生产实践中控制和应用微生物生命活动规律的生产技术。种痘预防天花是人类控制和应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面的宝贵实践。尽管这些还没有上升为微生物学理论，但都是控制和应用微生物生命活动规律的实践活动。 2、初创期（1676 一1861 年）,列文虎克,①自制单式显微镜,观察到细菌等微生物的个体；②出于个人 爱好对一些微生物进行形态描述。微生物的形态观察是从安东·列文虎克（Antony Van Leeuwenhock 1632-1732）发明的显微镜开始的，它是真正看见并描述微生物的第一人，他的显微镜在当时被认为是最精巧、最优良的单式显微镜，他利用能放大50～300倍的显微镜，清楚地看见了细菌和原生动物，而且还把观察结果报告给英国皇家学会，其中有详细的描述，并配有准确的插图。1695年，安东·列文虎克把自己积累的大量结果汇集在《安东·列文虎克所发现的自然界秘密》一书里。他的发现和描述首次揭示了一个崭新的生物世界——微生物世界。这在微生物学的发展史上具有划时代的意义。这是首次对微生物形态和个体的观察和记载。随后，其他研究者凭借显微镜对于其它微生物类群进行的观察和记载，充实和扩大了人类对微生物类群形态的视野。但是在其后相当长的时间内，对于微生物作用的规律仍一无所知。这个时期也称为微生物学的创始时期。 3、奠基期（1861 一1897 年）,巴斯德,①微生物学开始建立；②创立了一整套独特的微生物学基本研究方法；③开始运用“实践―理论―实践”的思想方法开展研究；④建立了许多应用性分支学科；⑤进入寻找人类动物病原菌的黄金时期。继列文虎克发现微生物世界以后的200年间，微生物学的研究基本上停留在形态描述和分门别类阶段。直到19世纪中期，以法国的巴斯德和德国的柯赫为代表的科学家才将微生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段，揭露了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术。从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了医学和工业微生物等分支学科。巴斯德和柯赫是微生物学的奠基人。(1)巴斯德 巴斯德原是化学家，曾在化学上做出过重要的贡献，后来转向微生物学研究领域，为微生物学的建立和发展做出了卓越的贡献。主要集中在下列三个方面：①彻底否定了“自然发生”学说。“自生说”是一个古老学说，认为一切生物是自然发生的。到了17世纪，虽然由于研究植物和动物的生长发育和生活循环，是“自生说”逐渐消弱，但是由于技术问题，如何证实微生物不是自然发生的仍是一个难题，这不仅是“自生说”
微生物发展史
微生物（microorganism，microbe）是一类体积微小、结构简单、肉眼直接看不见，必须用光学显微镜或者电子显微镜放大后才能看得见的微小生物的总称。微生物形态结构、新陈代谢、生长繁殖及遗传变异等具有多样性，因此微生物种类繁多，在自然界中广泛分布，存在于土壤、空气、江河、湖泊，存在于动物与人的体表及其与外界相通的腔道内，如消化道、呼吸道等。 根据微生物的结构特点、遗传特性及分化组成可分为三大类。 原核细胞型微生物（prokaryote）此类微生物细胞分化低，仅有染色质组成的拟核，无核仁和核膜。细胞质内除有核糖体外，无其它细胞器。这类微生物按伯杰（Bergey）分类包括真细菌（eubacterium）和古细菌（archaebacterium）。古细菌至今未发现有致病性的，因此与医学有关的原核细胞型微生物均属真细菌，包括细菌、螺旋体、衣原体、支原体、立克次体和放线菌。 真核细胞型微生物（eukaryote）这类微生物细胞核分化程度高，有核仁、核膜和染色体，胞浆内有多种细胞器，如线粒体、内质网、高尔基体等，可行有丝分裂。包括真菌、藻类及原生动物，与医学有关的是真菌（fungus）。 非细胞型微生物这类微生物无细胞结构，仅由一种核酸和蛋白质组成。缺乏产生能量的酶系统，必须在活细胞内增殖。病毒（virus）属此类微生物。 自然界中绝大多数微生物对人类和动植物的生存是有益的，它们在自然界的氮、碳、硫等循环和构成生物生态环境中是必需的，对生物的繁衍及食物链的形成，微生物均起着重要作用。 微生物在人类生活和生产活动中已被广泛应用。在农业方面，利用微生物生产细菌肥料、转基因农作物及生物杀虫剂等。在工业方面，利用微生物发酵工程进行食品加工、酒类食醋和酱油等的酿造、抗生素生产，以及在制革、石油勘探、废物处理等生产过程中无不应用微生物。另外，在近年发展的基因工程领域微生物也是必不可少的，例如在基因重组中，细菌的质粒、噬菌体、病毒均作为载体被广泛使用；大肠埃希菌、酵母菌等是最常用的基因工程菌。人和动物体内存在着大量的微生物群，称其为正常菌群（normal flora）。在正常情况下，这些正常菌群对机体有着生理、营养、免疫和生物屏障作用。据此，利用正常菌群菌株及其产物生产生态制剂治疗菌群失调症等已得到广泛应用。 自然界仅有少数微生物对人和动、植物是有害的，它们可引起这些生物体的病害，这些能致病的微生物被称为病原微生物（pathogenic microbes）。
微生物与发酵工程
微生物与发酵工程 13101002 朱梦雪发酵工程是生物工程的重要组成部分,也是现代微生物学的核心内容;任何产品的发酵生产都必须通过微生物发酵或细胞扩大培养才能实现。因此,微生物与发酵是紧紧联系在一起的。微生物发酵工程是加快发酵工程研究成果转化为生产力,取得最佳效益的重要手段。微生物科学工作者应不失时机地积极而科学地运用这种手段为社会社会主义市场经济服务。 根据文献的调查，微生物的发酵工程主要应用于以下几点： 首先是在农业生产上，巴西全国土壤生物研究中心的研究人员发现一种新固氮菌,即固氮醋杆菌(Aeetobaeterdiazotrophyeus)。这是人类发现的第一个有固氮能力的醋杆菌,生活在甘蔗根部,具有很强的抗酸性。由于它的高效固氮能力,可使甘蔗年产量提高2倍(由60吨/公顷提高到180吨/公顷)。在固氮菌的研究方面,我国作物茎瘤固氮根瘤菌的高效固氮活性,以及小麦、玉米、陆生水稻固氮根瘤菌研究取得重要进展;英国诺丁汉大学一个研究小组也获得田著根瘤菌进入小麦、水稻、玉米和油菜等非豆科植物侧根中形成小根瘤,且有固氮作用的类似结果。今年拟在埃及、印度、墨西哥分别进行小麦、水稻、玉米的田间试验。这些非豆科专性共生固氮菌尚处在试验研究阶段。而我国联合固氮微生物早已产业化生产,其产品推广应用于农业生产实践,获得了增产的效果。近又发现一些新的联合固氮菌如产酸克氏杆菌、植皮克氏杆菌(Klebsiellaplantieola)等,为扩大联合固
氮菌AIJ新品种的研制做出了新贡献。 其次是在生物材料方面。有很多生物材料都是应用微生物发酵来生产的。我了解到的有生物可降塑料、建筑用生物材料和壳聚糖材料。 生物可降解塑料:微生物合成塑料物质:加拿大蒙特利尔生物技 术研究所以甲醇为原料利用从土壤中选育的嗜甲基细菌生产聚件轻 基丁酸(PHB),在我国,武汉大学生物工程研究中心用圆褐固氮菌发酵生产PHB;中国科学院微生物研究所用真养产碱杆菌生产PHB,在培养基中累积的量达细胞干重的63%(W/W);山东大学微生物研究所用该菌生产PHB的研究取得类似结果。 建筑用生物材料：某些微生物及其代谢产物如橡胶物质、弹力纤维、高分子多糖等作为混凝土添加剂,制造富有弹性的牢固的生物混凝土材料是有可能的,提供生物建筑材料的另一种可能性是某些微生物—蓝细菌或微型藻类,它们有分泌石灰石(碳酸钙)能力。 多用途的壳聚糖材料：壳聚糖又叫脱乙酞基多糖,用途极其广泛,几乎各个行业都用得着它。从微生物发酵生产,如真菌细胞壁含几丁质成分20%一22%,毛霉细胞壁中几丁质含量高达30写一40%,利用黑曲霉或其他真菌来生产壳聚糖是完全可能的。 还有就是利用微生物发酵生产两类重要有机酸这里着重介绍两 类重要有机酸,都有可能通过微生物发酵途径索取。 衣康酸(itaconicac记)进人规模生产:衣康酸又称甲叉丁二酸,系一种不饱和的二梭酸,用途广、需求量大,它是制造合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶、表面活性剂、去垢剂、润滑油添加剂等的原料,
9 人类基因组研究
9.1人类基因组计划简介 人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为三大科学计划。 1986年,诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco发表短文《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》（Science, 231: 1055－1056）。文中指出：如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在起必须关注细胞的基因组。…… 从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那就应从人类开始。……人类肿瘤研究将因对 DNA 的详细知识而得到巨大推动。” 什么是基因组(Genome)?基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。
为什么选择人类的基因组进行研究？因为人类是在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。 在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。 HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。 HGP的诞生和启动： 对人类基因组的研究在70年代已具有一定的雏形，在80年代在许多国家已形成一定规模。 1984年在Utah州的Alta,White R and Mendelsonhn M受美国能源部(DOE）的委托主持召开了一个小型专业会议讨论测定人类整个基因组的DNA序列的意义和前景（Cook Deegan RM,1989） 1985年5月在加州Santa Cruz由美国DOE的Sinsheimer RL主持的会议上提出了测定人类基因组全序列的动议，形成了美国能源部的“人类基因组计划”草案。 1986年3月，在新墨西哥州的Santa Fe讨论了这一计划的可行性，随后DOE 宣布实施这一计划。 1986年遗传学家McKusick V提出从整个基因组的层次研究遗传的科学称为“基因组学” 1987年初，美国能源部和国立卫生研究院为HGP下拨了启动经费约550万美元（全年1.66亿美元） 1988年，美国成立了“国家人类基因组研究中心”由Watson J出任第一任主任
宏基因组学的一般研究策略
宏基因组学的一般研究策略 摘要: 宏基因组学是目前微生物基因工程的一个重要方向与热点。它把微生物的总群体特性与基因组学实验手段结合了起来，包括从环境样品中提取总DNA、再用可培养的宿主微生物建立文库及筛选目的克隆和基因。该法是研究不可培养微生物、寻找新的基因和开发新活性产物的重要新途径。它避开了微生物分离、纯化和培养的步骤,大大扩展了微生物资源的利用范围。本文旨在介绍宏基因组学的一般研究方法并结合我们的实验情况,对这一崭新领域中的最新研究策略进行了简要综述。 关键词: 宏基因组学, 不可培养微生物, 文库构建, 文库筛选，研究策略 Strategies for accessing metagenomics for desired applications Abstract: Metagenomics is a new field of microbial genetic engineering. It has the characteristics of microbial ecology and the methodology of genomics. Metagenomics includes genomic DNA isolation, library construction and screening strategies, and can be used in the discovery of new gene and biocatalysts and in the study of uncultured microorganism. Metagenomics can overcome the advantages of isolation and cultivation procedures in traditional microbial method, and thus greatly broaden the space of microbial resource utilization. In this paper, we mainly reviewed the metagenomic methodology, together with the latest advances and novel strategy in this research field. Keywords：Metagenomics; Uncultured microorganism；Library construction；Library screening Research strategies 大自然中蕴藏着无数具有重要价值的微生物及其活性产物,也是新基因及生物学资源的重要源泉，对其进行研究成为微生物学和分子生物学研究的一个重要方向。然而人们现在能够培养与利用的不到环境中总微生物的1%[1]。宏基因组学(metagenomics)是直接从环境样品中提取全部微生物的总DNA, 避开了分离、纯化和培养微生物的过程来构建宏基因组文库,用基因组学的研究策略来研究环境样品中的总微生物的组成及其在群落中的功能等。现在,宏基因组学技术方法已在微生物多样性,微生物细胞间的相互作用,新基因和新型生物催化剂的开发，新的抗生素的开发及环境生态等方面得到了广泛应用[2]。本文旨在介绍宏基因组学的一般实验方法并结合我们的研究情况,对这一崭新领域中的最新研究策略进行了简要综述。深化了我们对这一学科的认识,促进了该学科的进步。 1 宏基因组学研究策略 1.1宏基因组学概要 宏基因组学是Handelsman等于1998年提出的[3], 可见是一门很新的学科，其随着基因组实验手段，生物信息学和测序技术等的日新月异也迅猛发展了起来，这个新学科是以环境样品的总微生物基因组为实验对象，通过测序分析、文库评价、产活性物质及其基因的克隆的获取和基因功能的鉴别，对微生物种群组成与生物量、生态学关系、生物化学关系与环境关系以及功能活性进行研究[4]。其主要过程包括样品和基因的富集和提取; 宏基因组文库的构建; 目的基因的筛选; 目的基因活性产物的表达(图1)。 1.2 微生物及其基因的富集 在文库筛选过程中由于目的基因比例较小, 对环境中微生物的富集不但可提高基因总量，有利于基因的提取，还可增加目的基因的比例，如Kouker 等用橄榄油富集产脂肪酶的微生物收到了很好的效果[5 ]，橄榄油不仅可作为底物，还可诱导脂肪酶的合成。目前富集技术主要分为细胞水平和基因水平。其中细胞水平主要是用选择培养基来富集某些微生物, 常
四微生物与发酵工程能力测试题样本
四微生物与发酵工程能力测试题 考纲要求: ( 1) 微生物的类群 细菌、病毒的结构和繁殖 ( 2) 微生物的营养 微生物需要的营养物质及功能; 培养基的配制原则; 培养基的种类( 3) 微生物的代谢 微生物的代谢产物; 微生物代谢的调节; 微生物代谢的人工控制 ( 4) 微生物的生长 微生物群体的生长规律; 影响微生物生长的环境因素 ( 5) 发酵工程简介 应用发酵工程的生产实例; 发酵工程的概念和内容; 发酵工程的应用 一、选择题: ( 每个小题只有一个正确选项) 1．控制细菌合成抗生素的基因、控制放线菌主要性状的基因、控制病毒抗原特异性的基因依次在( ) ①拟核大型环状DNA上②质粒上③细胞染色体上④衣壳内的核酸上 A．①③④ B．①②④ C．②①③ D．②①④2、 3月24日是世界结核病防治日。下列关于结核杆菌的描述正确的是: ( ) A．高倍镜下可观察到该菌的遗传物质分布于细胞核内 B．该菌是好氧菌, 其生命活动所需要能量主要由线粒体提供 C．该菌感染机体后能快速繁殖, 表明其可抵抗溶酶体的消化降解
D．该菌的蛋白质在核糖体合成、内质网加工后由高尔基体分泌运输到相应部位 3、下列哪项是禽流感病毒和”SARS”病毒的共同特征( ) A．基本组成物质都有蛋白质和核酸 B．体内仅有核糖体一种细胞器 C．都能独立地进行各种生命活动 D．同时具备DNA和RNA两种核酸, 变异频率高 4、下列有关微生物营养物质的叙述中, 正确的是( ) A．同一种物质不可能既作碳源又作氮源 B．凡是碳源都能提供能量C．除水以外的无机物仅提供无机盐 D．无机氮源也可提供能量 5、要从多种细菌中分离某种细菌, 培养基要用 ( ) A.加入青霉素的培养基 B．加入高浓度食盐的培养基 C．固体培养基 D．液体培养基 6、用蔗糖、奶粉和经蛋白酶水解后的玉米胚芽液, 经过乳酸菌发酵可生产新型酸奶, 下列相关叙述错误的是( ) A.蔗糖消耗量与乳酸生成量呈正相关 B.酸奶出现明显气泡说明有杂菌污染 C.应选择处于对数期的乳酸菌接种 D.只有奶粉为乳酸菌发酵提供氮源 7、下列所述环境条件下的微生物, 能正常生长繁殖的是( ) A．在缺乏生长素的无氮培养基中的圆褐固氮菌 B．在人体表皮擦伤部位的破伤风杆菌 C．在新配制的植物矿质营养液中的酵母菌
专题四微生物与发酵工程
专题四微生物与发酵工程 一、选择题 1、细菌培养过程中分别采用了高压蒸气、酒精、火焰灼烧等几种不同的处理方法，这些方法可依次用于杀灭哪些部位的杂菌 （） A、接种环、手、培养基 B、高压锅、手、接种环 C、培养基、手、接种环 D、接种环、手、培养基 2、下列关于发酵工程的说法，错误的是 （） A、发酵工程的产品是指微生物的代谢产物和菌体本身 B、可通过人工诱变选育新品种 C、培养基、发酵设备和菌种必须经过严格的灭菌 D、环境条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，而且会影响菌体代谢产物的形 成 3、下列措施中能把微生物生长的调整期缩短的是 （） A、接种多种细菌 B、增加培养基的量 C、加大接种的量 D、选用孢子接种 4、下列有关微生物营养物质的叙述中，正确的是 （） A、是碳源的物质不可能同时是氮源 B、凡是碳源都能提供能量 C、有些含氮的无机盐可以是生长因子 D、有些无机氮源也能提供能量 5、科学家通过对黄色短杆菌进行诱变处理，选育了不能合成高丝氨酸脱氢酶的菌种， 从而达到了让黄色短杆菌大量积累赖氨酸的目的，这种人工控制的方法实质上利用了以下哪种调节方式？ （） A、酶合成的调节 B、酶活性的调节 C、二者都有 D、二者都无 6、关于微生物代谢调节说法正确的是 （） A、乳糖诱导大肠杆菌合成分解乳糖的酶属于酶活性的调节 B、酶活性调节是一种快速、精细的调节方式
C、酶合成调节与酶活性调节不是同时存在的 D、微生物的代谢产物与酶结合不会改变酶的结构 7、在培养酵母菌时，培养基中加入什么样的特殊物质，以保证抑制其他杂菌的繁殖（） A、生长因子 B、食盐 C、高浓度蔗糖溶液 D、青霉素 8、分离提纯是制取发酵产品不可缺少的阶段，产品不同，分离提纯的方法不同，对 产品的代谢产物常采用的提取方法是 （） ①蒸馏②萃取③过滤④离子交换⑤沉淀 A、①③⑤ B、①②④ C、①②③ D、③④⑤ 9、下列有关发酵罐中谷氨酸发酵的叙述中，正确的是 （） A、发酵中不断通入纯氧气 B、搅拌的目的只是使空气形成细小气泡，增加培养基中的溶氧量 C、冷却水可使酶的活性下降 D、若培养条件不当就不能得到所需产品 10、发酵工程中培育优良品种的方法有多种，其中能定向培育新品种的方法是（） ①人工诱变②基因移植③细胞杂交 A、① B、①② C、②③ D、①②③ 11、人们常用大肠杆菌作为判断自来水是否被粪便污染的指示菌，我国规定1000mL 自来水中的大肠杆菌数不得超过 （） A、1个 B、3个 C、5个 D、10个 12、下面的资料表明在各种培养基中细菌的生长（S、C、M为简单培养基，U、V、X、Y、Z代表加入培养基的不同物质），问细菌不能合成哪一种物质？（“+”表示生长良好，“－”表示生长不好）
世界生物学发展史
世界生物学发展史 生物学的发展经历了萌芽期、古代生物学时期、近代生物学时期和现代生物学时期。 生物学发展的萌芽时期是指人类产生（约300万年前）到阶级社会出现（约4000年）之间的一段时期。这时人类处于石器时代，原始人开始了栽培植物、饲养动物并有了原始的医术，这一切为生物学发展奠定了基础。 到了奴隶社会（约4000年前开始）和封建社会后期，人类进入了铁器时代。随着生产的发展，出现了原始的农业、牧业和医药业，有了生物知识的积累，植物学、动物学和解剖学还停留在搜集事实的阶段。但在搜集的同时也进行了整理，并被后人叫做所谓的古代生物学。古代的生物学在欧洲以古希腊为中心，著名的学者有亚里士多德研究（形态学和分类学）和古罗马的盖仑（研究解11剖学和生理学），他们的学说在生物学领域内整整统治了1000年。中国的古代生物学，则侧重研究农学和医药学。 从15世纪下半叶到18世纪末是近代生物学的第一阶段，这一时期，在生物学研究中，主要的有维萨里等人的解剖学，哈维的生理学，林耐的分类学以及从18世纪末并继续到19世纪初的拉马克等人的进化学说。 19世纪的自然科学，进入了全面繁荣的时代。近代生物学的主要领域在19世纪都获得重大进展。如细胞的发现，达尔文生物进化论的创立，孟德尔遗传学的提出。巴斯德和科赫等人奠定了微生物学的科学基础，并在工农业和医学上产生了巨大影响。17世纪建立起来的动物（包括人体）生理学到19世纪有了明显的进展，著名学者有弥勒、杜布瓦·雷蒙、谢切诺夫和巴甫洛夫等人。由于萨克斯、普费弗和季米里亚捷夫的努力，使植物生理学在理论上达到了系统化。 20世纪的生物学即属于现代生物学的范畴，始于1900年孟德尔学说的重新
高三生物微生物与发酵工程专题复习
高三生物微生物与发酵工程专题复习【知识框架】 【经典例题】 【例题1】为了检测饮用水中是否含有某种细菌，配制如下培养基 （1）该培养基所含的碳源有，其功能是。 （2）该培养基所含的氮源有，其功能是。 （3）该培养基除含碳源、氮源外，还有微生物需要的营养物质是。（4）该细菌在同化作用上的代谢类型是。
（5）该培养基可用来鉴别哪种细菌（） A.霉菌 B.酵母菌 C.大肠杆菌 D.乳酸菌 【思路分析】对异养微生物来说，含C、H、O、N的化合物既是碳源，又是氮源，因此蛋白胨既作碳 源又可作氮源。该培养基不需补充生长因子。各类微生物繁殖的最适pH是不同的，大多数细菌、放线菌 适宜在中性至微碱性（pH为7～7.5）中生长，而酵母菌和霉菌则适宜在偏酸性（pH为4.5～6.0）中生 长，在配制培养基时应注意这条原则。 【规范解答】（1）乳糖、蔗糖、蛋白胨，主要用于构成微生物的细胞物质和代谢产物。 （2）蛋白胨主要用于合成蛋白质、核酸及含氮的代谢产物。（3）水、无机盐（或K2HPO4） （4）异养（5）C 【反思点拨】该题主要考查了微生物需要的营养及功能、培养基的种类、配制原则。解此题时要注 意自养和异养微生物在新陈代谢类型上的异同、在营养物质需求上的异同。配制培养基时要综合考虑这 些因素。 【例题2】下面是最早发现抗生素——青霉素的弗莱明先生所进行的探索过程。 提出问题：培养细菌的培养基中，偶然生出青霉菌，在其周围的细菌生长就会受到抑制，为什么会 出现这种现象？ 进行实验：把青霉菌放在培养液中培养后，观察这些培养液对细菌生长的影响。 结果：培养液阻止了细菌的生长和繁殖。 结论：青霉素可产生一种阻止细菌繁殖的物质。 弗莱明在持续的研究中分离出了一种物质，分析出它的特征并将之命名为青霉素。 根据上述探索过程，请回答下列问题： （1）作为这一实验的假设，下列最为恰当的是（） A.青霉素能产生有利于人类的物质 B.青霉菌污染了细菌生长的培养基 C.青霉菌可能产生了有利于细菌繁殖的物质 D.青霉菌可能产生了不利于细菌繁殖的物质 （2）青霉菌和细菌的关系是( ) A.共生 B.竞争 C.捕食 D.寄生 （3）为了证明青霉素确实是由青霉菌产生的而不是培养液和培养基中产生的，则应进一步设计 实验，其实验方法是：。若实验结果为：， 则能充分证明青霉菌确实能产生可阻止细菌繁殖的青霉素。 【思路分析】本题在认真分析实验过程的基础上结合生态学的知识解题是不难的。 （1）青霉菌可产生青霉素，青霉素是抗生素可杀菌。 （2）在同一培养基中青霉菌和细菌为了营养和空间将发生竞争。 （3）在设计实验时为了使结果真实可靠必须只有一个变量，同时应设计对照组。 【规范解答】（1）D (2)B (3)对照配制成分相同的培养基，不加入青霉菌，观察细菌的生长和 繁殖情况细菌正常生长 【反思点拨】本题重点考查的是与实验有关的知识。正确解答此题要复习与对照实验有关的知识： 如何提出假设、如何设计实验、如何设计对照组等。
微生物学发展简史
1、史前期(约８０00 年前一167６) ,各国劳动人民,①未见细菌等微生物得个体;② 凭实践经验利用微生物就是有益活进行酿酒、发面、制酱、娘醋、沤肥、轮作、治病等)。 在17世纪下半叶,荷兰学者吕文虎克用自制得简易显微镜亲眼观察到细菌个体之前,对于一门学科来说尚没形成。这个时期称为微生物学史前时期。在这个时期,实际上人们在生产与日常生活中积累了不少关于微生物作用得经验规律,并且应用这些规律,创造财富,减少与消灭病害。民间早已广泛应用得酿酒、制醋、发面、腌制酸菜泡菜、盐渍、蜜饯等等。古埃及人也早已掌握制作面包与配制果酒技术。这些都就是人类在食品工艺中控制与应用微生物活动规律得典型例子。积肥、沤粪、翻土压青、豆类作物与其它作物得间作轮作,就是人类在农业生产实践中控制与应用微生物生命活动规律得生产技术、种痘预防天花就是人类控制与应用微生物生命活动规律在预防疾病保护健康方面得宝贵实践。尽管这些还没有上升为微生物学理论,但都就是控制与应用微生物生命活动规律得实践活动。 2、初创期(1676一１86１年),列文虎克,①自制单式显微镜,观察到细菌等微生物得 个体;②出于个人爱好对一些微生物进行形态描述、微生物得形态观察就是从安东·列文虎克(Aｎtonｙ VaｎＬeｅuwｅnhock 163２—１732)发明得显微镜开始得,它就是真正瞧见并描述微生物得第一人,她得显微镜在当时被认为就是最精巧、最优良得单式显微镜,她利用能放大50~3０0倍得显微镜,清楚地瞧见了细菌与原生动物,而且还把观察结果报告给英国皇家学会,其中有详细得描述,并配有准确得插图。1695年,安东·列文虎克把自己积累得大量结果汇集在《安东·列文虎克所发现得自然界秘密》一书里。她得发现与描述首次揭示了一个崭新得生物世界——微生物世界。 这在微生物学得发展史上具有划时代得意义。这就是首次对微生物形态与个体得观察与记载。随后,其她研究者凭借显微镜对于其它微生物类群进行得观察与记载,充实与扩大了人类对微生物类群形态得视野、但就是在其后相当长得时间内,对于微生物作用得规律仍一无所知。这个时期也称为微生物学得创始时期、 3、奠基期(1８61 一1897 年),巴斯德,①微生物学开始建立;②创立了一整套独特得微生物学基本研究方法;③开始运用“实践―理论―实践”得思想方法开展研究;④建立了许多应用性分支学科;⑤进入寻找人类动物病原菌得黄金时期。继列文虎克发现微生物世界以后得２0０年间,微生物学得研究基本上停留在形态描述与分门别类阶段。直到１9世纪中期,以法国得巴斯德与德国得柯赫为代表得科学家才将微生物得研究从形
2017人类基因组研究.doc
(一)阅读《人类基因组研究》，完成习题。 有关人士认为，“人类基因组草图”的测绘成功仅仅预示着一个新的开端，真正的研究工作还只刚刚起步。例如“草图”中留下了许多空白需要填补，不少可能包含着重要医学信息的空白又顽固地拒绝“泄露各自的秘密”。除了最先完成的22号染色体长臂中有3％被证明无法解读外，从那时以来完成的4号染色体也留有很多空白。此外，大约有10％的基因组由于其重复性而根本不可能测序。 据国外有关杂志报道，即使到2003年“人类基因组计划”完成了终图，漏洞依然会存在——某些基因将被忽略不计。而蛋白质作为生命分子三联体的最后一位“成员”，又是迄今为止的研究中最难攻克的堡垒。 全人类只有一个共同的基因组，但是由于各种内外因素的作用，世界上每个人都有差别，这种差别被称为单核苷酸多态性。目前，生物学家己能利用单个DNA中的变体来跟踪人体基因的变异，并藉此评估人类各种生物学现象的奥秘，如健康状况、对疾病的易感性、寿命的长短、人类的起源等等。 人类的大部分DNA都是“垃圾”，几乎不起什么作用或者至少是没有明显的用途。剩下的则是渊源于植物、动物甚至细菌这一最原始生命形式的基因的“大杂烩”。事实上，大量在维系细胞基本功能，如修补和解读DNA方面所必需的基因，与促使细菌保持原状的基因没有什么两样。 我们在回溯生物进化史的过程中又会发现，人类曾与植物、动物以及软体虫和有翅昆虫共同分享无数的基因。例如一种古怪的取名为“声波刺猬”的基因，它对昆虫在成熟中的翅膀生长和发育起着重要作用。这一相同的基因，在人的胚胎中则起着协调手臂生长和发育的作用。所以，人类的基因与某些哺乳动物更为接近也就不足为怪了。例如鼠的基因与人极为相似，它的基因组一直被描述为探明人类基因组的“罗塞塔石碑”(即为解读古埃及象形文字提供线索的石碑)。此外，猩猩的DNA也与人只相差1．5％，因而分析这一看似微不足道的差异，自然有助于揭示人之所以为人的奥秘。 看来，不同物种似乎是通过长期复制、改良和组合现存基因而获得进化的。正是这种逐渐从多细胞有机物中汲取新鲜养分的“复制”过程，才使人类不断进化以至于成为超越低级生命形式的高级动物。所以，有专家将基因比作砖块，“用它既能修车库，也可盖摩天大楼，关键是看你如何运用”。 1．下列对人类基因组研究的描述，最准确的一项是( ) A．据国外有关杂志报道，即使到2003年“人类基因组计划”完成了终图，漏洞依然会存在——很多基因无法解读。 B．“人类基因组草图”的测绘成功仅仅预示着一个新的开端，真正的研究工作还只刚刚起步。 C．人类基因组草图只能描绘90％的基因组，因为大约有10％的基因组由于其重复性而根本不可能测序。 D．迄今为止的研究中，只有作为生命分子三联体的最后一位“成员”——蛋白质尚未攻克。 2．下列对“不同物种似乎是通过长期复制、改良和组合现存基因而获得进化的”这句话的理解，错误的一项是( ) A．我们在回溯生物进化史的过程中又会发现，人类曾与植物、动物以及软体虫和有翅昆虫共同分享无数的基因。 B．人与老鼠的基因极为相似，猩猩的DNA也与人只相差1．5％，人之所以为人的奥秘就在于通过长期复制、改良和组合现存基因而获得进化的。 C．这种逐渐从多细胞有机物中汲取新鲜养分的“复制”过程，才使人类不断进化以至于