《原核微生物細菌》課件

原核微生物：細菌的奇妙世界生命科學中最古老的生命形式地球上最廣泛分布的生物類型對生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要的微觀生命什么是原核微生物單細胞結(jié)構(gòu)沒有membrane-bound細胞核廣泛分布存在于幾乎所有地球環(huán)境中主要類群包括細菌和古菌兩大域細菌的發(fā)現(xiàn)歷史11676年安東尼·范·列文虎克首次觀察到細菌219世紀羅伯特·科赫建立微生物學基礎(chǔ)320世紀現(xiàn)代微生物學的關(guān)鍵突破細菌的基本結(jié)構(gòu)細胞壁保護細胞形態(tài)和抵抗?jié)B透壓細胞膜控制物質(zhì)進出的選擇性屏障細胞質(zhì)含DNA和核糖體的膠狀物質(zhì)質(zhì)粒額外的DNA環(huán)，攜帶特殊功能細菌細胞壁的類型革蘭氏陽性菌細胞壁厚，含多層肽聚糖染色后呈紫色如葡萄球菌、鏈球菌革蘭氏陰性菌細胞壁薄，含外膜結(jié)構(gòu)染色后呈紅色如大腸桿菌、沙門氏菌細菌的大小與形態(tài)典型大小：0.5-5微米常見形態(tài)：球形(球菌)、桿形(桿菌)、螺旋形(螺旋菌)形態(tài)與環(huán)境適應(yīng)性緊密相關(guān)細菌的遺傳物質(zhì)環(huán)狀DNA單一染色體，無核膜包裹1質(zhì)粒小型額外DNA，攜帶抗性基因2基因轉(zhuǎn)移接合、轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)化三種方式3基因組特點小而高效，編碼密度大4細菌的繁殖方式DNA復制遺傳物質(zhì)復制準備分裂細胞生長細胞體積增大中央分隔隔膜形成分隔細胞分裂完成形成兩個相同子細胞細菌的營養(yǎng)類型光合型利用光能合成有機物化能型從無機物氧化獲取能量自養(yǎng)型利用CO?合成有機物異養(yǎng)型分解有機物獲取能量細菌的生存環(huán)境極端溫度環(huán)境溫度范圍：-20°C至121°C高壓環(huán)境耐受深海極端壓力條件極端pH環(huán)境酸性和堿性環(huán)境中的適應(yīng)細菌的生態(tài)作用物質(zhì)循環(huán)促進碳、氮、磷等元素循環(huán)土壤形成參與巖石風化和有機質(zhì)分解植物共生根瘤菌固氮，幫助植物生長分解廢物分解死亡生物體和廢棄物有益細菌100兆腸道菌群數(shù)量維持人體消化和免疫健康1000+發(fā)酵食品種類乳酸菌參與酸奶和奶酪制作30%氧氣產(chǎn)量海洋藍細菌產(chǎn)生全球氧氣致病細菌肺炎球菌引起肺炎和中耳炎結(jié)核分枝桿菌導致結(jié)核病沙門氏菌引起食物中毒耐甲氧西林金黃色葡萄球菌抗生素耐藥性細菌的免疫防御機制CRISPR系統(tǒng)限制性內(nèi)切酶生物膜保護毒素-抗毒素系統(tǒng)其他機制細菌的運動方式鞭毛運動旋轉(zhuǎn)運動器官推動細胞移動滑行運動分泌粘液在表面滑動趨化性向有利條件移動，遠離不利條件軸絲運動螺旋體特有的彈性運動細菌的信號傳導信號分子產(chǎn)生分泌化學信號物質(zhì)信號傳遞通過環(huán)境擴散信號接收細胞表面受體識別行為調(diào)節(jié)基因表達和行為改變細菌分類系統(tǒng)形態(tài)學分類基于細胞形態(tài)、染色特性和結(jié)構(gòu)生理學分類基于代謝特征和生化反應(yīng)遺傳學分類基于基因組序列和系統(tǒng)發(fā)育重要細菌門變形菌門包括大腸桿菌、沙門氏菌醫(yī)學和研究中最重要放線菌門產(chǎn)生多種抗生素鏈霉素來源于鏈霉菌螺旋體門包括梅毒螺旋體具有獨特的螺旋形態(tài)擬桿菌門腸道優(yōu)勢菌群參與消化和免疫功能工業(yè)中的細菌應(yīng)用60%抗生素生產(chǎn)多數(shù)抗生素由細菌生產(chǎn)30%工業(yè)酶制劑洗滌劑和生物催化劑40億生物技術(shù)市場細菌相關(guān)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值醫(yī)學中的細菌研究疫苗開發(fā)預防傳染病的重要手段基因治療利用細菌載體傳遞基因微生物組研究探索細菌與健康的關(guān)系細菌與抗生素11928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素21940年代抗生素廣泛使用開始31950年代首次報道耐藥性問題4現(xiàn)在超級細菌成為全球健康威脅極端環(huán)境中的細菌嗜熱菌：90°C以上環(huán)境生存嗜壓菌：深海1000個大氣壓環(huán)境生存嗜冷菌：南極零下環(huán)境活躍生長農(nóng)業(yè)中的細菌作用生物固氮根瘤菌將大氣氮轉(zhuǎn)化為植物可用形式作物保護蘇云金芽孢桿菌產(chǎn)生生物殺蟲劑促進生長產(chǎn)生植物激素促進作物生長土壤健康分解有機物提高土壤肥力細菌的進化歷史135億年前最早的細菌化石證據(jù)225億年前藍細菌導致大氧化事件310億年前細菌與真核生物共生4現(xiàn)在細菌繼續(xù)適應(yīng)和進化細菌基因組學細菌的應(yīng)激響應(yīng)熱休克反應(yīng)產(chǎn)生熱休克蛋白保護細胞結(jié)構(gòu)SOS反應(yīng)DNA損傷后啟動修復系統(tǒng)包涵體形成產(chǎn)生內(nèi)源物質(zhì)抵抗不良環(huán)境休眠狀態(tài)代謝活動極度降低等待條件改善細菌與環(huán)境適應(yīng)基因調(diào)控激活或抑制特定基因表達產(chǎn)生適應(yīng)性酶和蛋白質(zhì)代謝調(diào)節(jié)調(diào)整能量產(chǎn)生和利用方式利用可利用底物基因水平轉(zhuǎn)移獲取有利基因快速適應(yīng)新環(huán)境細菌生物膜初始粘附單個細菌粘附到表面微菌落形成細菌分裂形成小群體胞外基質(zhì)產(chǎn)生分泌多糖和蛋白質(zhì)基質(zhì)成熟生物膜形成復雜三維結(jié)構(gòu)細菌的代謝多樣性有氧代謝利用氧氣進行呼吸作用厭氧代謝無氧條件下發(fā)酵或厭氧呼吸特殊代謝途徑硫還原、甲烷產(chǎn)生等特殊途徑細菌與氣候變化碳固定光合細菌吸收大氣CO?甲烷產(chǎn)生厭氧細菌釋放強效溫室氣體冰核作用促進云和冰的形成海洋固碳浮游細菌參與海洋碳循環(huán)probiotics研究補充劑形式以膠囊或片劑形式提供發(fā)酵食品酸奶和開菲爾中的活性菌群腸道健康促進腸道菌群平衡細菌的生物技術(shù)應(yīng)用藥物生產(chǎn)生產(chǎn)抗生素和胰島素2基因工程基因克隆和蛋白表達系統(tǒng)環(huán)境生物技術(shù)生物修復和污染物降解生物傳感器環(huán)境監(jiān)測和疾病檢測細菌的生物合成1初級代謝生長必需的基礎(chǔ)代謝產(chǎn)物2次級代謝非必需但有特殊功能的化合物3抗生素合成產(chǎn)生抑制其他微生物的物質(zhì)4酶和蛋白質(zhì)催化特定生化反應(yīng)的分子細菌的生物發(fā)光發(fā)光機制熒光素酶催化反應(yīng)ATP提供能量氧氣參與反應(yīng)海洋發(fā)光現(xiàn)象深海魚類共生發(fā)光器官細菌與食品工業(yè)乳酸菌：酸奶和奶酪發(fā)酵核心醋酸菌：醋類制品發(fā)酵主角傳統(tǒng)發(fā)酵食品依賴多種細菌協(xié)同作用細菌的生物防御細菌DNA修復機制切除修復移除損傷DNA片段并重新合成同源重組利用姐妹染色體作為模板修復錯配修復識別并修復DNA復制錯誤光重活化直接修復紫外線導致的損傷細菌的生物地球化學循環(huán)氮循環(huán)固氮、硝化、反硝化過程1碳循環(huán)光合作用和有機物分解2硫循環(huán)硫化物氧化和硫酸鹽還原3磷循環(huán)磷酸鹽溶解和轉(zhuǎn)化4細菌與海洋生態(tài)系統(tǒng)100萬每毫升海水細菌數(shù)量微小但數(shù)量巨大50%海洋初級生產(chǎn)力貢獻藍細菌光合作用30%海洋碳固定微生物泵固定碳元素細菌的生物合成能力天然產(chǎn)物合成多種生物活性化合物抗生素70%已知抗生素來自細菌生物燃料產(chǎn)生生物乙醇和生物柴油工業(yè)酶生產(chǎn)洗滌劑和食品加工酶制劑細菌的種間相互作用協(xié)同作用互惠共生，共同利用資源拮抗作用分泌抑制物質(zhì)抑制其他細菌共生關(guān)系與宿主形成互利共生競爭關(guān)系爭奪有限營養(yǎng)資源和空間細菌的生物膜通訊信號分子產(chǎn)生合成小分子信號物質(zhì)信號擴散信號分子在環(huán)境中擴散信號識別受體蛋白識別特定信號群體行為協(xié)調(diào)細胞群體應(yīng)答細菌的進化適應(yīng)1基因突變隨機變異產(chǎn)生新特性2水平基因轉(zhuǎn)移獲取外來有利基因3自然選擇有利特性被保留和擴增4適應(yīng)性進化新環(huán)境中發(fā)展特化適應(yīng)性細菌與人類健康腸道微生物組參與消化和免疫調(diào)節(jié)皮膚微生物組保護皮膚免受病原體侵害口腔微生物組口腔健康的重要組成部分細菌的生物技術(shù)前沿1合成生物學設(shè)計全新基因線路基因編輯精確改造細菌基因組細菌治療利用細菌遞送藥物細菌的生態(tài)功能營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)有機物分解初級生產(chǎn)生物固氮其他生態(tài)功能細菌的分子生物學1轉(zhuǎn)錄后調(diào)控通過小RNA和核糖開關(guān)調(diào)節(jié)2翻譯調(diào)控控制蛋白質(zhì)合成效率3轉(zhuǎn)錄調(diào)控啟動子和轉(zhuǎn)錄因子相互作用4DNA復制基因組復制和細胞分裂協(xié)調(diào)細菌的生理學研究代謝調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶的活性和表達適應(yīng)不同營養(yǎng)條件細胞應(yīng)激熱休克反應(yīng)氧化應(yīng)激反應(yīng)營養(yǎng)匱乏應(yīng)對生長控制細胞周期調(diào)控生長速率與環(huán)境細胞分裂機制細菌與農(nóng)業(yè)生態(tài)植物促生菌產(chǎn)生植物激素促進生長生物控制抑制植物病原體生物固氮大氣氮轉(zhuǎn)化為植物可用形式有機質(zhì)分解分解殘體釋放養(yǎng)分細菌的生物信息學基因組測序高通量DNA測序技術(shù)序列組裝將短序列拼接成完整基因組基因注釋識別編碼區(qū)和功能預測比較分析不同物種間基因組比較細菌的生物傳感全細胞生物傳感器利用活細菌檢測環(huán)境變化酶基傳感器細菌酶催化特定反應(yīng)產(chǎn)生信號DNA生物傳感器基于核酸識別特定目標物質(zhì)抗體傳感器細菌產(chǎn)生的抗體識別特定分子細菌的生物多樣性細菌的生態(tài)適應(yīng)性極端高溫：能在121°C水中生存極端寒冷：南極冰下活躍代謝高輻射：能耐受強輻射環(huán)境耐酸堿：pH值0-13范圍內(nèi)生存細菌與能源產(chǎn)業(yè)60%轉(zhuǎn)化效率光合細菌太陽能轉(zhuǎn)化率25億市場規(guī)模細菌生物燃料年產(chǎn)值40%碳減排與傳統(tǒng)燃料相比減少排放細菌的生物治理生物修復降解環(huán)境污染物石油降解處理石油泄漏重金屬治理吸收和轉(zhuǎn)化有毒重金屬廢水處理分解有機污染物細菌研究的倫理問題生物安全防止危險菌株泄漏1基因編輯改造細菌的倫理界限2生物武器防止細菌用于惡意目的3研究監(jiān)管平衡創(chuàng)新與安全4未來細菌研究方向合成生物學創(chuàng)造人工設(shè)計的細菌單細胞技術(shù)深入細菌個體水平研究細菌計算利用細菌進行信息處理精準醫(yī)學細菌靶向治療疾病細菌：生命的奇跡多樣性的奇跡數(shù)百萬種不同細菌種類適應(yīng)性的奇跡能在地球任何