微生物生理学

微生物生理学MicrobialPhysiology第一章

绪论l什么是微生物生理学？l为什么微生物生理学是必修？（微生物生理学的发展、特色和主要内容）l如何学好微生物生理学？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研究微生物生命现象、活动规律及其产生机制，对内、外环境

变化所进行的调节。

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

绪论l什么是微生物生理学？l为什么微生物生理学是必修？（微生物生理学的发展、特色和主要内容）l如何学好微生物生理学？4、现代微生物生理学的发展微生物代谢物的广泛应用—初级和次级代谢产物“抗生素

”的发现与工业化推荐阅读：青霉素传奇（上、下）5、微生物生理学的现在与未来•基因组时代

1985年左右2022.8

Prokaryotes(435921)2023.9

Prokaryotes(567228)-NCBI5、微生物生理学的现在与未来•蛋白质组1994年Wilkins和Williams•代谢组学

1992年代谢组学-最接近表型的组学基因组和蛋白组告诉你可能发生什么，而代谢组告诉你已经发生了什么。—Bill

Lasley

，

UC

Davis蛋白质组和代谢组的倚天剑WHY

Microbial

Physiology

?

微生物组学Microbiota

MetagenomeMicrobiome2014thegenes

and

genomes

ofthemicrobiota,

including

plasmids,highlightingthegenetic

potential

population16S

rRNA

surveys

are

used

totaxonomically

identifythemicroorganisms

intheenvironmentof

the微生物组金字塔培养组学弥补了现有方法的局限5、微生物生理学的现在和未来未来需求：更多的功能表型标志峰

更快的拉曼检测通量更高通量的分选技术更好的单细胞基因扩增

更好的培养方法建立单细胞拉曼-SIP-分

选-测序-培养联用技术

（一站式服务）合成生物学合成生物学植物是否可以固氮？Yang

et

al.

2017

PNASYang

et

al.

2023

PNAS第一章

绪论l什么是微生物生理学？l为什么微生物生理学是必修？（微生物生理学的发展、特色和主要内容）l如何学好微生物生理学？WHY

Microbial

Physiology?l

Characteristicsof

Microbes:l1.

微

（微小、简单？）l2.

久

（谁是星球/地球主人？谁是匆匆过客？）l3.

广

（无处不在：生物圈外边界；动植物内环境）l4.

强

（适应性强：嗜极）l5.

多

（多样性：环境、种类、生理）l6.

与人关系密切、应用广•从时间维度看微生物•亘古流地球生命进化

时钟23

有花植物哺乳动物而人类统治地球才百万前人类的“1分钟”“久”•从时间维度看微生物•厉久弥多•从空间维度看微生物I•广阔无边地球生物量gigatonsof

carbon

(Gt

C)•从空间维度看微生物II•无极不往微生物定义了生命的极限glacier

碳酸钙岩尖顶

海底烟囱acidic

hot

spring

salt

flats

acidic

river俺们不是忍受——

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)•从空间维度看微生物III•远不只享受探索世界•适应世界•更一直默默改造世界无机物——有机物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物质循环中的主宰者微生物塑造了地球环境（Biogeochemical

cycle）Microbiomesshapeall

livingbeings

andtheworld!Riftia

pachyptila深海管蠕虫•从人类最“自私”的维度•

向内看微生物I•

亲密无间“不分你我”l是你在吃？

还是微生物

替你吃了？Microbiomes

shapeYOU!humanmicrobiome和每个人的生Infanthealth

status

andmicrobiotaestablishmenthumanmicrobiome和每个人的生、老Microbiome:The

Evolving

Inner

SelfMicrobial

Physiologyaffects/rulesoverYOURPhysiologyshort-chainfattyacids纤维

降解菌群黏液

降解菌群2018MicrobialPhysiology→

productsfor

YOU问题？l谁是世界的主宰？l谁是你最长情的陪伴？l是你在吃？

还是微生物替你吃了？l微生物会说话吗？l微生物能帮你赚钱吗？l微生物的时代已经结束？微生物生理学的课程理念和主要内容l把活的生理学学“活”：

inspirel告别“满堂灌”——回归科学研究过程l“现象”→

“生理”→

“应用”条分缕析l以《微生物学》课程为基础，结合微生物生理特色，精选7个主题（章）细胞壁和生物被膜

细胞壁是如何合成的？

它在维持形状、适应环境中有什么作用？

为什么将细胞壁做为药物靶点？

S层的大作为

我们与生物被膜的零距离生活ChemotaxisWow,

beautiful!!!So,What’s

next?鞭毛精致的鞭毛如何组装？它是如何进行一场说走就走的旅程？•

howorganismssenseand

respondtotheenvironment?“Allbecauseofabutterfly

”Julius

Adler1930-*HarlandG.Wood

(1907-1991)甲基营养菌（Growth

on

C1

compounds

other

than

CO2：The

methylotrophs

）二氧化碳仅被自养生物利用？"followedthetrailof

CO2

."第四章

C1代谢氮循环及其意义生物固氮及其分子基础固氮体系