微生物药物合成生物学研究进展
武临专, 洪斌*
(中国医学科学院、北京协和医学院医药生物技术研究所, 卫生部抗生素生物工程重点实验室, 北京100050)
摘要: 微生物次级代谢产物结构复杂多样, 具有抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗病毒和免疫抑制等多种生物活性, 是微生物药物开发的源泉。当前, 微生物药物研究面临一些挑战: 快速发现结构新颖、生物活性突出的化合物; 理性化提高产生菌的发酵效价; 以及以微生物为新宿主, 实现一些重要天然药物的工业生产。合成生物学是在系统生物学和代谢工程等基础上发展起来的一门学科。本文对合成生物学在发现微生物新次级代谢产物、提高现有微生物药物合成水平和创制微生物次级代谢产物方面的研究进展进行了阐述。
关键词: 微生物药物; 合成生物学; 次级代谢产物; 生物合成
中图分类号: Q939.9; Q81; R914.5 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2013) 02-0155-06 Synthetic biology toward microbial secondary
metabolites and pharmaceuticals
WU Lin-zhuan, HONG Bin*
(Key Laboratory of Biotechnology of Antibiotics of Ministry of Health, Institute of Medicinal Biotechnology, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100050, China)
Abstract: Microbial secondary metabolites are one of the major sources of anti-bacterial, anti-fungal, anti- tumor, anti-virus and immunosuppressive agents for clinical use. Present challenges in microbial pharmaceutical development are the discovery of novel secondary metabolites with significant biological activities, improving the fermentation titers of industrial microbial strains, and production of natural product drugs by re-establishing their biosynthetic pathways in suitable microbial hosts. Synthetic biology, which is developed from systematic biology and metabolic engineering, provides a significant driving force for microbial pharmaceutical development. The review describes the major applications of synthetic biology in novel microbial secondary metabolite discovery, improved production of known secondary metabolites and the production of some natural drugs in genetically modified or reconstructed model microorganisms.
Key words: microbial pharmaceuticals; synthetic biology; secondary metabolites; biosynthesis
来源于微生物的药物称为微生物药物(microbial medicine, microbial pharmaceuticals), 主要包括来源于微生物(特别是放线菌和真菌) 次级代谢产物的药物。
收稿日期: 2012-09-25; 修回日期: 2012-11-01.
基金项目: 国家“重大新药创制”科技重大专项资助项目(2012ZX09301002-001-016); 国家自然科学基金资助项目
(31170042, 81172964).
*通讯作者 Tel: 86-10-63028003,
E-mail: binhong69@https://www.doczj.com/doc/461080494.html,, hongbin@https://www.doczj.com/doc/461080494.html,
微生物药物例如抗生素, 在控制感染、免疫调节和治疗癌症等方面发挥了重要作用。目前, 已经从放线菌和真菌中发现了2万多种具有生物活性的次级代谢产物, 其中百余种成为微生物药物。随着对放线菌和真菌的持续开发利用, 直接从放线菌和真菌研制微生物新药难度越来越大, 主要原因在于: ①化合物排重难度很大(从微生物已经发现了25 000多种化合物); ②新微生物资源的分离培养工作没有突破性进展, 获得大量的、具有产生新次级代谢产物能
·专题报道·
力的新菌种(株) 是一项比较困难的工作[1]。
随着DNA序列分析技术的快速发展, 对微生物基因组DNA进行全序列分析逐渐成为实验室常规工作。已经完成的多种放线菌、真菌基因组DNA序列分析结果表明: 在这些菌株的基因组DNA中通常含有数十个编码不同结构类型的次级代谢产物生物合成基因簇, 其数量为化学证实菌株产生的次级代谢产物数量的5～10倍[2, 3], 这说明我们以前远远低估了微生物的次级代谢产物生物合成潜能, 也提示我们对次级代谢产物的化学分析与鉴别能力需要不断加强, 以早日实现微量、快速和准确之目标。宏基因组(metagenome) DNA序列分析, 也同样发现了大量来自于未培养和难培养微生物的与次级代谢生物合成相关的基因簇序列[4]。如何将这些与次级代谢产物生物合成相关的基因簇“翻译”(转化) 为对应的次级代谢产物, 既是创新微生物药物研发中面临的一个挑战, 也是一个机遇。
在微生物药物研究中遇到的另外一个挑战是提高次级代谢产物的生物合成水平。对于已临床应用的微生物药物, 通过提高工业菌株的发酵效价, 实现增加产量、降低成本的目的。野生微生物菌株的次级代谢产物生物合成能力通常在毫克每升水平(或更低), 微生物药物工业菌株的发酵水平要求在克每升水平(或更高), 二者之间存在巨大差距。部分微生物药物如青霉素的工业菌株经过几十年随机与定向诱变育种, 实现了较高的发酵水平(70 g·L?1); 但是, 还有许多微生物药物例如免疫抑制剂雷帕霉素(rapamycin) 工业菌株的发酵水平需要显著提高。此外, 部分微生物药物产品需要减少杂质组分或实现单一活性组分, 以改善和提高药物的品质, 这也要求从生产菌种、发酵工艺、提取流程等方面进行深入研究。因此, 需要建立更加理性化的分子育种方法与策略。
作为微生物药物生产载体的微生物, 其分子生物学、遗传学研究已经比较深入, 有望承担新的重任: 由于自然资源限制, 一部分天然药物特别是植物药, 将来很可能需要转到微生物中生产, 以实现环境保护与药物可持续生产的双重目标。例如, 来源于植物青蒿的青蒿素是公认的治疗疟疾的最好药物, 但青蒿资源有限, 其中的青蒿素含量低, 从青蒿中提取青蒿素满足不了医疗需求, 且青蒿素结构复杂, 化学全合成成本高。美国加州大学Keasling[5]通过合成生物学(synthetic biology) 技术在大肠杆菌和酵母中成功重构了青蒿酸(青蒿素的一种重要生物合成前体, 可通过两步化学反应转化为青蒿素) 的生物合成途径, 有望实现青蒿酸的微生物发酵生产。届时, 青蒿素将从“植物药”转变为非天然的“微生物药”。
1 合成生物学为微生物药物发展提供新契机
合成生物学是近年来发展起来的一门新兴学科, 它是在系统生物学基础上引入工程学中模块化和系统设计理论, 以人工合成DNA为基础, 设计创建元件(parts)、模块(modules), 或者从头合成具有预定功能的人工生物体系, 从而突破自然体系的限制, 实现人工生物体系在药物制造等领域中的应用, 同时加深人类对生命本质的认识。合成生物学本质上属于工程科学, 通过创造或改造基因组, 建立人工生物体系, 让其表现出预期的行为或完成预定的工作。我国科学家已从不同方面对合成生物学及其应用进行了论述[6?8], 认为合成生物学将对医药、能源、化学品和环境等应用与生产领域产生深远影响, 加快对人类赖以生存的若干化学品从高度依赖化石资源制造向可再生生物资源制造的变革。
合成生物学中的元件是指具有特定结构或功能的DNA片段(如基因), 模块是指不同元件的组合以完成预定的生物学功能。微生物次级代谢产物的结构比较复杂, 其生物合成基因通常成簇存在, 由多个甚至几十个模块构成。相对于人工生命系统(细胞) 的全合成, 操作这些基因簇、有目的地获得微生物次级代谢产物相对比较容易实现, 同时也不存在伦理问题。
早在1985年, Hopwood等[9]通过将放线紫红素(actinorhodin, 一种异色满醌类抗生素, isochroman-equinone) 生物合成基因簇中的不同DNA片段导入到其他异色满醌类抗生素(medermycin, granaticin) 产生菌中, 获得了一组新的异色满醌类抗生素, 开创了采用基因工程技术研制杂合抗生素(hybrid antibiotics) 的新领域。随着放线菌分子遗传学研究的深入, 20世纪90年代提出了“组合生物合成(combinatorial biosynthesis) ”概念, 是指在了解微生物次级代谢产物的生物合成途径并且克隆了与生物合成与调节相关的基因(簇) 基础上, 在体外对不同来源的基因(簇) 进行删除、添加、取代和重组, 然后导入到适当的微生物宿主中以定向合成一系列“非天然”的天然化合物, 例如新抗生素或其他生理活性物质[10]。从今天的视角看, 这些研究都带有采用合成生物学概念创制微生物新次级代谢产物的色彩。
合成生物学应用于微生物药物研发, 就是以微生物和植物来源的次级代谢产物等为主要研究对象的合成生物学, 它与组合生物合成、代谢工程
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(metabolic engineering) 等在研究内容方面有一定重叠[11], 但是它更突出人工生物系统设计以及次级代谢途径重构, 因而目的性更强。
微生物药物在人类的医疗健康方面发挥了极其重要的作用, 青霉素称得上是人类生物学研究成果中皇冠上的明珠。微生物药物往往结构复杂, 完全依靠化学全合成困难或不经济, 有时还会严重污染环境, 对人类社会的可持续发展带来威胁。合成生物学为解决这些问题提供了一种现实的选择, 将它应用于微生物药物研发将大有作为。本文主要聚焦合成生物学在这方面的一些研究进展。
2 合成生物学在微生物新次级代谢产物发现中发挥作用
随着DNA测序技术的发展, 结合生物信息学分析结果, 人们发现在微生物基因组中存在大量与次级代谢产物生物合成有关的沉默(silent) 或隐性(cryptic) 基因簇, 其中包含了多种结构类型的微生物次级代谢产物编码信息, 是天然的微生物次级代谢通路, 但在常规培养条件下这些通路处于关闭状态或其产物尚未被发现。这些基因簇提供了丰富的合成生物学天然元件或模块, 为未来设计和构建新的微生物次级代谢产物生物合成途径提供了丰富的物质基础。
采用合成生物学技术手段在恰当的宿主细胞中表达(或激活) 沉默(或隐性) 的次级代谢通路中的生物合成酶, 有可能获得(或发现) 用于微生物药物研发的新次级代谢产物。沉默基因簇中含有的正、负调节基因是次级代谢产物生物合成的开关, 对其中的正调节基因进行组成型表达(constitutive expression) 或对负调节基因进行敲除, 可激活沉默基因簇, 获得微生物新次级代谢产物[12]。激活沉默基因簇有时还需要宿主细胞提供合适的环境因素, 因此对宿主细胞进行遗传修饰改造也是必要的, 例如对一些模式微生物的基因组DNA进行规模化删减, 获得适用于合成生物学等研究的、含最小基因组(minimized genome) 或缩减基因组(genome-reduced) 的宿主细胞。
放线菌的基因组在原核生物中是比较大的(8～10 Mb), 其线性基因组两端的末端臂(1～2 Mb) 往往编码菌株生长繁殖的非必需基因(簇), 将末端臂通过基因组工程等方法予以删除, 所构建的基因组缩减菌株, 一般具有以下优点: 代谢效率提高、生长速度快、菌株更加稳定等。基因组缩减菌株不仅可以用于提高特定次级代谢产物的生物合成水平, 而且可以为与次级代谢相关的沉默基因(簇) 的表达提供条件[13]。
此外, 大肠杆菌生长迅速、遗传背景清楚、操作简便, 是分子生物学最常用的异源表达宿主之一。对大肠杆菌进行改造后, 已经获得能够用于生物合成聚酮类微生物次级代谢产物如红霉素的宿主细胞[14, 15]。模式链霉菌天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor), 以及若干链霉菌工业菌株如委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae) 和白色链霉菌(Streptomyces albus), 也可作为微生物次级代谢产物生物合成基因簇异源表达与产物合成的宿主。
生二素链霉菌(Streptomyces ambofaciens ATCC 23877) 是螺旋霉素产生菌, 对其线性基因组DNA序列分析显示在右侧末端臂有一个编码I型组件式聚酮合酶(type I modular polyketide synthase) 的沉默基因簇, 长度达150 kb, 其中含有一个不转录表达的途径特异性正调节基因, 编码属于LAL家族(large ATP binding regulators of the LuxR family) 的一个蛋白质。在该菌株中对这个正调节基因实施组成型表达后, 激活了此沉默基因簇, 得到了预期的新次级代谢产物stambomycins (图1), 它具有细胞毒和抗革兰氏阳性细菌活性, 有望成为抗肿瘤药物开发的先导化合物[16]。
在对构巢曲霉(Aspergillus nidulans) 的基因组DNA分析时, 发现了一个比较少见的编码聚酮合酶和非核糖体肽合酶的沉默基因apdA, 其上游是编码氧化还原酶的几个基因, 下游是编码转运蛋白基因和途径特异性正调节蛋白基因(apdR)。在该菌株中对apdR实施诱导表达后, 获得了具有细胞毒活性的新次级代谢产物aspyridones (图1)[17]。采用类似策略, 从构巢曲霉中获得了聚酮化合物asperfuranone (图1)[18]。
除虫链霉菌的基因组DNA中含有4个萜类合酶(terpene synthase), 其中的sav76功能未知。将sav76进行密码子优化后在大肠杆菌中表达并纯化, 体外实验表明它可环化法尼基二磷酸酯(farnesyl diphosphate), 生成三环倍半萜醇avermitilol (图1)。在除虫链霉菌原株中检测不到该化合物; 将sav76导入到基因组缩减的除虫链霉菌SUKA17变株(缺失1 Mb基因组DNA, 包括了该菌株的主要次级代谢生物合成基因簇) 中, 检测到了avermitilol生物合成[19]。
Feng等[20?22]对宏基因组DNA粘粒文库进行筛选, 将含有II型PKS片段的重组粘粒经改造后接合转移导入到白色链霉菌(Streptomyces albus) 中进行
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药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2013, 48 (2): 155?160
图1 采用合成生物学策略发现的微生物新次级代谢产物
异源表达, 对发酵产物分析后得到了数个新芳香聚酮化合物 (图1, 化合物1～4), 有的化合物具有抗耐甲氧西林金葡菌和耐万古霉素粪肠球菌活性。 3 合成生物学在提高现有微生物药物生物合成水平与品质中发挥作用
在微生物细胞中存在许多次级代谢途径, 同一条代谢途径还可能有分支现象, 一种微生物次级代谢产物常以一组结构类似物的形式出现, 致使目前临床应用的一些微生物药物属于多组分混合物。采用合成生物学技术, 对次级代谢通路中的酶 (系) 活性进行有针对性的精细调节, 可以理性化实现微生物药物产生菌的发酵效价提高及产品品质改善。
红霉素是一种重要的14元环大环内酯类抗生素, 其中红霉素A 组分是有效组分, 红霉素B 和C 作为红霉素A 的生物合成中间产物, 属于杂质组分。通过调整红色糖多孢菌 (Saccharopolyspora erythraea ) 中参与红霉素生物合成的PKS 后修饰酶EryK (P450羟基化酶) 和EryG (依赖S -腺苷甲硫氨酸的O -甲基转移酶) 的生物合成量, 实现了红色糖多孢菌发酵过程中红霉素A 组分绝对产量和相对比例的提高[23]。
通过对次级代谢产物生物合成基因簇中调节基因进行操作, 可以有目的地提高目标产物的生物合成水平。这方面的例子很多, 例如力达霉素 (C-1027) 是球孢链霉菌 (Streptomyces globisporus ) 产生的烯二炔类抗生素, 是一种重要的抗肿瘤药物开发先导化合物, 通过对力达霉素生物合成基因簇中的多个
调节基因进行操作, 获得了力达霉素产量显著提高的球孢链霉菌菌株[24?26]。
多拉菌素 (doramectin) 是一种比阿维菌素更好的微生物农药, 由基因工程改造后的除虫链霉菌生产, 其工业菌株被国外垄断。我国科研人员通过删除阿维菌素生物合成基因簇中的支链酮酸脱氢酶基因bkdF 和寡霉素生物合成基因簇中的起始基因olmA1等, 构建了具有自主知识产权的多拉菌素工业菌株[27]。 4 合成生物学在创造微生物次级代谢产物中发挥作用
通过在微生物细胞内重构目标产物的生物合成途径, 使合成生物学用于创造微生物次级代谢产物。既可以利用微生物细胞内已有的次级代谢途径, 也可以将不同的次级代谢途径重新设计组合优化得到一条新的次级代谢产物生物合成途径。所产生的次级代谢产物, 可以是已知化合物 (但生产方式发生了根本变化), 也可以是新化合物。
博来霉素 (bleomycin) 是一种糖肽类的广谱抗肿瘤药物, 通过对博来霉素和与博来霉素结构类似的糖肽类抗生素tallysomycin 及zorbamycin 的生物合成基因簇进行分子操作、组合以及异源表达, 获得了新的杂合糖肽类抗生素, 其中的6'-脱氧博来霉素Z 的切割DNA 活性显著优于目前临床应用的博来霉素A2[28]。
荷兰DSM 公司研究人员将产黄头孢霉中的扩环酶和假单胞菌中的酰基转移酶编码基因导入到青霉
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素产生菌黄青霉中, 在含有己二酸前体的培养基中培养, 实现黄青霉生物合成己二酰化7-氨基-3-去乙酰氧基头孢烷酸(adipoyl-7-ADCA); 由于黄青霉工业菌株的青霉素发酵水平非常高, 所以该生物发酵法可以大量地获得adipoyl-7-ADCA (一种重要的头孢菌素化学半合成前体); 所获得的adipoyl-7-ADCA 再经两步酶法即可得到头孢氨苄(cephalexin)。如果以青霉素G为原料化学半合成头孢氨苄, 需要多步复杂化学反应, 也不环保[29]。
螺旋霉素属于十六元大环内酯类抗生素, 构效关系研究表明对螺旋霉素分子中碳霉糖部分进行4''-酰化可增加分子的亲脂性, 提高其组织浓度从而增加抗菌效应。将来自耐热链霉菌(Streptomyces thermotolerans) 碳霉素生物合成基因簇中的异戊酰基转移酶基因导入并整合到螺旋霉素产生菌(Strep-tomyces spiramyceticus) 中, 延伸了螺旋霉素的生物合成途径, 获得了产生4''-异戊酰螺旋霉素的重组菌株[30], 并进行了产业化和新药开发研究。
5 微生物药物合成生物学面临的问题与挑战
目前, 人类对生物体系的认识有限, 对合成生物学设计的代谢途径(通路) 并不能保证发挥预期功能, 甚至对构建代谢途径所用组件的特性也不完全了解[31]。因此, 对微生物药物合成生物学涉及的一些基础学科(图2) 还需要不断深入研究, 透彻理解自然界特别是微生物的初级与次级代谢的关系及其调控机制[32]。在将合成生物学用于微生物药物研究时, 需要将理性与非理性研究策略相结合, 通过反复替换、测试与筛选, 才有可能实现预期目的与设想。当前, 合成生物学在微生物药物研究领域充满了希望与挑战。例如, 为了在微生物中重构青蒿酸的生物合成途径, Keasling课题组花费了大约150人年时间和数千万美元研究经费来寻找合适基因及将这些基因
图2 微生物药物合成生物学涉及的一些基础学科组织起来并协调它们的表达[5]。
我国一些重点科研机构和大学已开展微生物药物合成生物学研究, 中国科学院上海生命科学研究院于2008年成立了合成生物学重点实验室。在微生物药物合成生物学研究方面, 我国科研人员构建了优良的红霉素、阿维菌素、多拉菌素等工业菌株, 研制了必特螺旋霉素(已作为一类化学新药进行了开发) 等。目前国家的多项重大科技计划如973、863和重大新药创制等资助了与微生物药物合成生物学相关的项目或课题, 预计未来我国在微生物药物合成生物学方面将取得更多的成果和技术突破。
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1.It is well known that microbes are：pioneers, ubiquitous, metabolically varied, helpful,harmful and alien, please write out your understanding to each aspect above and also show at least one example to support your understanding. 众所周知，微生物是：先驱，无处不在，代谢多样，有益，有害和外来性，请在上面的每个方面写出你的理解，并至少显示一个例子来支持你的理解。 2．Please list and explain the major subdisciplines of modern microbiology based on your knowledge. 请根据您的知识列出并解释现代微生物学的主要分支学科。 微生物学 (Microbiology) 是研究微生物及其生命活动规律的科学。即研究微生物在一定条件下的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的进化、分类、生态等生命活动规律及其与其他微生物之间，与动植物之间的相互关系，与外界环境理化因素之间的相互关系，微生物在自然界各种元素的生物地球化学循环中的作用，微生物在工业、农业、医疗卫生、环境保护、食品生产等各个领域中的应用，等等。实际上，微生物学除了相应的理论体系外，还包括了有别于动植物研究的微生物学研究技术，是一门既有独特的理论体系，又有很强实践性的学科。微生物研究作为一门科学--微生物学，当今的发展无疑是最为活跃、最为迅速、最为辉煌、影响最大的生命科学之一。 微生物学的分支学科：随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学，又可根据研究的侧重面和层次不同而分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。按研究对象分，可分为细菌学，放线菌学，真菌学，病毒学，原生动物学，藻类学等。按过程与功能分，可分为微生物生理学，微生物分类学，微生物遗传学，微生物生态学，微生物分子生物学，微生物基因组学，细胞微生物学等。按生态环境分，可分为土壤微生物学，环境微生物学，水域微生物学，海洋微生物学，宇宙微生物学等。按技术与工艺分，可分为发酵微生物学，分析微生物学，遗传工程学，微生物技术学等。按应用范围分，可分为工业微生物学，农业微生物学，医学微生物学，兽医微生物学，食品微生物学，预防微生物学等；按与人类疾病关系分，可分为流行病学，医学微生物学，免疫学等。随着现代理论和技术的发展，新的微生物学分支学科正在不断形成和建立。 细胞微生物学 (cellular microbiology) 、微生物分子生物学和微生物基因组学等在分子水平、基因水平和后基因组水平上研究微生物生命活动规律及其生命本质的分支学科和新型研究领域的出现，表明微生物学的发展进入了一个崭新的阶段。 3．Based on your understanding, in what areas/parts microbes might exist in human body? And discuss the good and bad effects of these microbes to human health (Giving examples is good). 根据您的理解，人体内可能存在哪些区域/部位微生物？并讨论这些微生物对人类健康的好坏效果（举例说明是好的）。答：1、皮肤微生物组：皮肤主要由四门细菌组成：放线菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门。还有含有双链DNA(dsDNA)的病毒，如多瘤病毒科和乳头瘤病毒科。特应性皮炎是一种常见的慢性炎症性皮肤病，其发病率通常由皮肤微生物群感染引起。例如，金黄色葡萄球菌在特应性皮炎皮肤上非常普遍，并且与特应性皮炎临床严重程度直接相关。 2、口腔微生物组：通常由革兰氏阳性球菌和棒状菌(主要由链球菌和放线菌组成)和革兰氏阴性球菌(韦荣球菌科)组成。动脉粥样硬化斑块上定植的口腔微生物包括链球菌属、韦荣球菌属、牙龈卟啉单胞菌等，其中大多数菌水平与血浆胆固醇水平密切相关，也促进血栓的形成。 3、肠道微生物组：主要是大肠杆菌、粪杆菌、双歧杆菌、乳杆菌等。双歧杆菌也可增加白介素和肿瘤坏死因子的产生，还可间接活化T淋巴细胞，这些细胞因子及免疫细胞的合成、活化可以在一定程度上抑制肿瘤细胞的生长。 4、呼吸道微生物组：主要包括假单胞菌属、链球菌属、普雷沃菌属、韦荣球菌属、嗜血菌属以及奈瑟球菌属。与健康人群相比，哮喘患者的呼吸道中嗜血菌属、莫拉菌属和奈瑟球菌属明显增加，而普雷沃杆菌属明显减少。4．Recently, microbes were found to be associated with brain development and diseases (e.g.neurodegenerative diseases), based on your understanding, please discuss how microbes might affect occurrence and development of such diseases (Giving examples is just fine). 最近，根据您的理解，发现微生物与大脑发育和疾病（例如神经退行性疾病）有关，请讨论微生物如何影响这些疾病的发生和发展（给出的例子很好）。 答：阿尔茨海默病是常见的神经变性疾病，也是导致痴呆的最主要原因。Aβ沉积往往被认为是AD发病的始动环节，而之后引发的一系列炎症反应则推动了AD的病情进展，神经炎症反应导致神经细胞的凋亡或坏死，最终导致大脑发生不可逆损害积聚的Aβ周围出现炎症反应和胶质增生，其中小胶质细胞的活化在其中发挥了重要的作用，而肠道微生物的酵解产物SCFAs可穿过血脑屏障作用于小胶质细胞，促进小胶质细胞的成熟。活化的小胶质细胞引发了一系列炎症因子的产生，不仅可直接作用于神经元，也可通过影响脉管系统破坏血脑屏障，加大对大脑的损害。此外，变形菌门的某些细菌自身便可分泌一些炎症因子如IL-6、IL-8促进机体的炎症反应。肠道微生物参与人体的物质代谢，包括胆固醇代谢和对血糖的调节，而高血糖和高血脂会增大AD的患病风险，代谢异常相关疾病如肥胖、糖尿病、心血管疾病的患者有较高罹患AD的风险。许多病原微生物如单纯疱疹病毒、肺炎衣原体、人类免疫缺陷病毒、弓形虫、HBV、人类巨细胞病毒也都被认为同AD相关。
微生物药物学重点 抗生素的定义（Waksman ，1942）：抗生素是微生物在其代谢过程中所产生的、具有抑制它种微生物生长及活动甚至杀灭它种微生物性能的化学物质。 抗生素的一般定义：“抗生素”是在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物机能的、是在微生物生命过程中产生的具有生物活性的次级代谢产物及其衍生物。 抗生素与抗菌药物的区别： 1.完全通过化学合成方法制备的磺胺类、氟喹诺酮类和恶唑烷酮类等抗细菌药物，以及像酮康唑类抗真菌药物被称之为抗菌药物，而不属于抗生素的范畴。 2. 而对于像磷霉素和氯霉素这些原来是来源于微生物的次级代谢产物，但由于结构简单而用化学合成的方法代替微生物发酵法来生产制备的品种，以及像源于微生物次级代谢产物硫霉素，后完全用化学合成方法制备的一系列碳青霉烯类 B -内酰胺抗生素等，通常将其归纳在抗生素的范畴。 微生物药物：由微生物（包括重组微生物）在其生命活动过程中产生的、在低 微浓度下具有生理活性的次级代谢产物及其衍生物。 初级代谢产物与次级代谢产物作为药物的差别 1. 初级代谢和次级代谢是完全不同的两个代谢系统； 2. 初级代谢物和次级代谢物的理化特性有着很大的区别，后者为小分子物质，其分子量小于3000，且化学结构多样性； 3. 次级代谢物对产生它的微生物的作用不明显或没有作用 4. 初级代谢物作为药物使用时尽管也有药理活性作用，但一般往往没有确定的作用靶点且更多的是作为辅助或营养药物，而次级代谢物具有确切的作用靶点和明显的治疗效果。 广义的天然药物强调“来源于各种生物体的化合物” ，可以是初级代谢产物也可以是次级代谢产物；而化学合成药物一般是指通过化学方法合成的小分子化合物。 天然药物分类 生物制品；生化药物；抗生素；微生物药物；植物药物；中草药；基因工程药物；生物技术药物等 微生物药学研究的内容：微生物药学是药学的一个分支，它与生化药学一起构成 微生物与生化药学二级学科。微生物药学的研究内容包括：微生物药物生物合成 的代谢调控、产物的分离纯化、作用机制和耐药机制的研究、产生菌的菌种选育及寻找新微生物药物的方法和途径等。 微生物产生拮抗作用的可能原因 1、营养物质被消耗。 2、培养基的理化性质被改变。
微生物药物学重点 抗生素得定义(Wａｋsmａｎ,１94２):抗生素就是微生物在其代谢过程中所产生得、具有抑制它种微生物生长及活动甚至杀灭它种微生物性能得化学物质。 抗生素得一般定义:“抗生素"就是在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物机能得、就是在微生物生命过程中产生得具有生物活性得次级代谢产物及其衍生物。 抗生素与抗菌药物得区别:1。完全通过化学合成方法制备得磺胺类、氟喹诺酮类与恶唑烷酮类等抗细菌药物,以及像酮康唑类抗真菌药物被称之为抗菌药物,而不属于抗生素得范畴。 2。而对于像磷霉素与氯霉素这些原来就是来源于微生物得次级代谢产物,但由于结构简单而用化学合成得方法代替微生物发酵法来生产制备得品种,以及像源于微生物次级代谢产物硫霉素,后完全用化学合成方法制备得一系列碳青霉烯类β—内酰胺抗生素等,通常将其归纳在抗生素得范畴。 微生物药物:由微生物(包括重组微生物)在其生命活动过程中产生得、在低微浓度下具有生理活性得次级代谢产物及其衍生物。 初级代谢产物与次级代谢产物作为药物得差别 1。初级代谢与次级代谢就是完全不同得两个代谢系统; 2、初级代谢物与次级代谢物得理化特性有着很大得区别,后者为小分子物质,其分子量小于3000,且化学结构多样性; ３.次级代谢物对产生它得微生物得作用不明显或没有作用 ４。初级代谢物作为药物使用时尽管也有药理活性作用,但一般往往没有确定得作用靶点且更多得就是作为辅助或营养药物,而次级代谢物具有确切得作用靶点与明显得治疗效果。 广义得天然药物强调“来源于各种生物体得化合物”,可以就是初级代谢产物也可以就是次级代谢产物;而化学合成药物一般就是指通过化学方法合成得小分子化合物。 天然药物分类 生物制品;生化药物;抗生素;微生物药物;植物药物;中草药;基因工程药物;生物技术药物等 微生物药学研究得内容:微生物药学就是药学得一个分支,它与生化药学一起构成
预测微生物学的研究进展 赵光辉1,2,赵改名1,刘 蓉3,王玉芬2,谢 华2,冯 坤1,崔艳飞1,黄现青1,2* (1.河南农业大学食品科学技术学院河南省肉制品加工与质量安全控制重点实验室 肉品加工与质量安全控制工程技术研究中心,河南郑州 450002;2.双汇集团技术中心,河南漯河 462003; 3.河南省电力公司信阳供电公司,河南信阳 464000) 摘 要 简要介绍了预测微生物学模型的2个类型(品质预测模型和安全评估模型),特定腐败菌在微生物预测中的特殊作用,可追溯技术、温度综合函数和生物指示器等新技术在微生物预测中的应用,以及国外的预测模型库和国内的研究现状,展望了预测微生物学未来的发展趋势。 关键词 微生物;预测模型;特定腐败菌;模型库 中图分类号 Q939.9 文献标识码 A 文章编号 1005-7021(2010)04-0076-07 Advance m ent of Predicti ve M icrobiology Z HAO Guang hu i1,2,Z HAO Gai m ing1,LI U Rong3,WANG Yu fen2,XI E H ua2, FENG Kun1,C U I Y an fe i1,HUANG X i a n qi n g1,2 (1.C oll.of F ood S ci.&Technol.,H e nan Ag ric.Un i.,H enan K e y Lab.o f M eat Process.&Qua lit y Safet y C on t., M e a tP rocess.&Qualit y Safet y Cont.Eng i n.Technol.R es.C tr.,Zhengzhou450002;2.Technol.C tr.of Sh i ne w ay G roup;Lu ohe462003; 3.X i nyang P o w er Suppl y C o mpany,H enan Prov i nce P o w er C o mpany,X inyang464000) A bstrac t Tw o types of t he predicti ve m icrob i o l ogy mode,l the special ro l e o f spec ifi c spo ilage m icrobes;t he app lica ti ons o f techno logy,te mperature co m prehensive f uncti on and bio i ndica tor and other new techno l og ies i n predictive m i c robiology w ere traced,t he research prog ress o f the R epre d icti veM od e lL i bra ry abroad and current studies i n hom e coun try w ere briefl y rev i ewed i n this paper;and the deve l op m en t trend of the pred i c ti ve m i c robiology w as also prospected. K eywords pred icti ve m icrob i o logy;predictive m ode;l spec ific spo ilage m i crobe;repred icti ve model li bra ry 20世纪80年代初,Ross等[1]最先提出 微生物预报技术这一概念,从此预测微生物学便应运而生。食品预测微生物学(Food Pred ictive M icro b iology)是一门在微生物学、数学、统计学和应用计算机科学基础上建立起来的新学科。它的发展方向是研究和设计一系列能描述和预测微生物在特定条件下生长和衰亡的模型。它是依据各种食品微生物在不同加工、储藏和流通条件下的特征信息库,通过计算机的配套软件,在不进行微生物检测分析的前提下,判断食品内主要病原菌或腐败微生物死亡、残存和增殖的动态变化,从而对食品安全做出快速评估的预测方法[2 3]。1983年,国外食品微生物学家小组应用直观预测的De l p h i 工艺,用计算机预测了食品货架期,开发了腐败菌生长的数据库,从此揭开了预测微生物学序幕[4]。上世纪八九十年代,由于食品安全问题的严峻形式,预测微生物学的研究对象主要是食品中的病原菌(如单核增生李斯特菌、沙门菌、金黄色葡萄球菌等),后来,随着食品企业对自身产品品质问题的关注,腐败菌的研究也逐渐发展起来,并且对这些细菌进行建模[5]。近年来美国、英国、澳大利亚、丹麦等国更是致力于微生物预测软件开发,旨在对食品货架期进行有效的预测,并对致病菌进行风险评估[6]。 基金项目:国家科技计划项目(2009G J D00047) 作者简介:赵光辉 男,硕士研究生。研究方向为食品安全与质量控制。E ma i:l z ghw ork@s i na.co m *通讯作者。Te:l0371 ********,E m ai:l hxq8210@126.co m 收稿日期:2010 01 04;修回日期:2010 04 27 76微生物学杂志 2010年7月第30卷第4期 J OU RNAL OF M I CROB I OLOGY July2010V o.l30N o.4
预测微生物学的研究进展 作者姓名：钟强 工作单位：安康学院 摘要 简要介绍了预测微生物学模型的2个类型(品质预测模型和安全评估模型),特定腐败菌在微生物预测中的特殊作用,可追溯技术、温度综合函数和生物指示器等新技术在微生物预测中的应用,以及国外的预测模型库和国内的研究现状,展望了预测微生物学未来的发展趋势。 关键词：[微生物]；[预测模型]；[特定腐败菌]；[模型库]。
Advancement ofPredictive Microbiology Abstract Two types of the predictive microbiology model the special role of specific spoila gemicrobes; the applica-tions of technology, temperature comprehensive function and bio-indicator and other new technologies inpredictivemi-crobiology were raced,the research progressof the Repredictive ModelLibrary abroad and currentstudies in home coun-trywere briefly reviewed in this paper; and the development trend of the predictive micro biology was also prospected. Keywords：[predictive micro biology]; [predictive model];[specific spoila gemicrobe]; [repredictive model library]
一、理解下列有关专业名词，并译成英文 1、抗生素后效应 2、生物转化 3、微生物药物 4、多药抗性 5、突变生物合成 6、稀有放线菌 7、手性药物 8、酶抑制剂 9、青霉素结合蛋白10、抗菌生长促进剂11、前体12、主动外排泵系统13、超广谱 -内酰胺酶14、选择压力15、选择毒力16、最低抑菌浓度17、定向生物合成18、杂交生物合成19、阻断突变株20、葡萄糖效应 21、生理酸碱性物质22、反馈抑制23、反馈阻遏24、初级代谢产物 25、次级代谢产物26、分叉代谢物27、随机筛选28、推理筛选 29、高通量筛选30、理性化筛选31、组合生物化学32、组合生物转化 33、原生质体融合34、菌种改良35、手性药物36、动态动力学拆分 37、生物催化拆分38、对映体过剩39、水解酶40、裂合酶41、脂肪酶/酯酶 二、论述题 1、简要阐述利用微生物生物合成原理，寻找微生物新药的途径和方法。 2、设计一个应用组合生物转化技术获得新药的实验方案。 3、描绘一个集中所有耐药机制的细菌耐药性的模式图，并作简要阐述。 4、简要阐述从抗生素到微生物药物发展的主要推动力。 5、组成工业微生物菌种培养基的基本原理和成分。 6、从微生物发酵代谢液中分离纯化目标化合物的基本方法。 7、在微生物菌种的诱变处理过程中常用的诱变剂有哪些，其原理是什么。 8、工业发酵过程中采用中间补料或流加补料的理论基础是什么。 9、简述常用灭菌的方法和原理。 10、画出高压灭菌锅的管路，以及简述操作方法和工作原理。 11、简述玻璃发酵罐的工作原理。 12、为什么摇瓶培养需要振荡，以及为什么发酵罐培养需要搅拌和通气。 13、HPLC和TLC分析的基本原理是什么。 14、自然分离的目的是什么，自然分离的方法有哪几种，简要说明其操作过程。 15、微生物菌种保藏的方法有哪几种，简要阐述牛奶冷冻保藏的原理和过程。 16、简要阐述无菌操作台的工作原理和操作注意点。 17、简要阐述冷冻干燥机的工作原理和操作步骤。 18、简要阐述利用分子生物学技术进行菌种改良的方法和途径。 19、基因工程技术在抗生素研究中的应用包括哪几个方面，你认为近几年来在这一领域中取得的最大成果是什么，为什么。 20、实验室常用的消毒（灭菌）试剂有哪几种，简述其原理和配置过程。 21、酶抑制剂的概念是什么，动物酶抑制剂和细菌酶抑制剂的作用机制各是什么。 22、什么叫复合培养基，什么叫合成培养基。实验室常用的复合氮源有哪几种，常用的复合碳源有哪几种。 23、根据化学结构分类，临床常用的抗菌药物有哪几种，简要阐述其作用机制和细菌对这些抗菌药物的作用机制。 24、什么叫特异性耐药，什么叫非特异性耐药，请举例说明。 25、链霉菌是产生抗生素的主要微生物，简述其在固体培养基上的发育周期，并列举5种以上由链霉菌产生的、目前在临床上使用的抗生素的名称。 26、免疫调节剂的概念是什么，目前临床使用的微生物来源的免疫抑制剂有哪几种。 27、微生物来源的生理活性物质的概念是什么，请举例说明。
浙江大学2000年工业微生物考研试题 一、是非题（共16分。只需注明 “ 对 ” 或 “ 错 ” ） ? 遗传型相同的个体在不同环境条件下会有不同的表现型。 EMP 和 HMP 代谢途径往往同时存在于同一种微生物的糖代谢中。 如果碱基的置换，并不引起其编码的肽链结构的改变，那么，这种突变现象称为沉默突变。 低剂量照射紫外线，对微生物几乎没有影响，但以超过某一阈值剂量的紫外线照射，则会导致微生物的基因突变。 在宿主细胞内， DNA 病毒转录生成 mRNA ，然后以 mRNA 为模板翻译外壳蛋白、被膜蛋白及溶菌酶。 总状毛霉和米根霉同属藻状菌纲。 大多数微生物可以合成自身所需的生长因子，不必从外界摄取。 产子囊孢子的细胞一定是双倍体，而出芽生殖的细胞可以是双倍体，也可以是单倍体。 E.coli K12( l ) 表示一株带有 l 前噬菌体（ Prophage) 的大肠杆菌 K12 溶源菌株。 因为不具吸收营养的功能，所以，将根霉的根称为“假根”。 因为细菌是低等原核生物，所以，它没有有性繁殖，只具无性繁殖形式。 与单独处理相比，诱变剂的复合处理虽然不能使微生物的总突变率增大，但能使正突变率大大提高。 微生物系统分类单元从高到低依次为界、门、纲、科、目、属、种。 在自然条件下，某些病毒DNA 侵染宿主细胞后，产生病毒后代的现象称为转染（transfect) 。 一个操纵子中的结构基因通过转录、转译控制蛋白质的合成，而操纵基因和启动基因通过转录、转译控制结构基因的表达。 蓝细菌是一类含有叶绿素 a 、具有放氧性光合作用的原核生物。 二填充题（共 30分）： 实验室常见的干热灭菌手段有 a 和 b 等。 实验室常用的有机氮源有 a 和 b 等，无机氮源有 c 和 d 等。为节约成本，工厂中常用e 等作为有机氮源。 细菌的个体形态主要有 a 、 b 和 c 等。 细菌肽聚糖由 a 和 b 交替交联形成基本骨架，再由 c 交差相连，构成网状结构。 a 是芽孢所特有的化学物质。一般它随着芽孢的形成而形成，随芽孢的萌发而消失。 微生物系统命名采用 a 法，即 b 加 c 。 中体 (mesosome) 是 a 内陷而成的层状、管状或囊状结构。它主要功能 b 。 鞭毛主要化学成分为 a ，鞭毛主要功能为 b 。 荚膜的主要化学成分有 a 和 b 等，常采用 c 方法进行荚膜染色。 霉菌细胞壁化学组成是 a 等；酵母菌细胞壁化学组成是 b 和 c 等。 培养基按其制成后的物理状态可分为 a 、 b 和 c 。 枝原体突出的形态特征是 a ，所以，它对青霉素不敏感。 碳源对微生物的主要作用 a 。 Actinomycetes 是一类介于 a 和 b 之间，又更接近于 a 的原核微生物。它的菌丝因其形态和功能不同可分为 c 、 d 和 e 。 霉菌的有性繁殖是通过形成 a 、 b 和 c 三类孢子而进行的。其过程都经历 d 、 e 、 f 三阶段。大多数霉菌是 g 倍体。
南开大学现代远程教育学院考试卷 《微生物学》 主讲教师：李明春、吴卫辉 一、请同学们在下列（20）题目中任选一题，写成期末论文。 1. 病毒在生物技术中的应用（例如噬菌体展示技术，病毒载体等） 2. 近年来重大病毒引起的传染病的特征和病毒复制、致病机制（如埃博拉出血热、 中东呼吸综合征等） 3. CRISPR-Cas9技术综述（来源，机制，应用） 4. 细菌耐药遗传水平机制 5. 微生物遗传物质水平转移方式和机制 6. 微生物遗传学技术在工农业中的应用 7. 基因组学、转录组学和蛋白组学研究进展 8. 微生物在环境污染和保护中的作用 9. 人体肠道微生物分类、功能研究进展 10. 疫苗的作用机制和对人类健康的贡献 11. 微生物作为模式系统揭示生命过程的优势 12. 试述未来微生物学发展的趋势 13. 从细胞形态结构及一些重要结构的化学成分组成等方面分析细菌、古生菌及真 核微生物三者之间的进化关系 14. 微生物营养及代谢的多样性对微生物生存能力的影响 15. 极端微生物对生命起源和生命极限的启示 16. 你认为微生物学发展过程中做出重大贡献的微生物学家及其成就 17. 微生物学中的独特技术及对发展现代生物学的贡献 18. 食药用真菌的研究进展 19. 微生物在自然界碳元素地球化学循环中的作用及意义 20. 生物固氮的原理、意义及应用 二、论文写作要求 论文题目应为授课教师指定题目，论文要层次清晰、论点清楚、论据准确； 论文写作要理论联系实际，同学们应结合课堂讲授内容，广泛收集与论文有关资料，含有一定案例，参考一定文献资料。 三、论文写作格式要求： 论文题目要求为宋体三号字，加粗居中； 正文部分要求为宋体小四号字，标题加粗，行间距为1.5倍行距；
工业微生物学3章 1、 什么是营养物质？营养物质有哪些生理功能？ 营养指物体从外部环境摄取其生命活动所必需的能量和物质，以满足其生长和繁殖需要的过程，这些能量和物质即为营养物质。 营养物质的生理功能有：为生物提供必需的能量，结构合成物质，调节生物体的新陈代谢，为生物提供良好的生理环境。 4、什么是能源？试以能源为主，对微生物营养类型进行分类能源是指能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。 能源是指能为微生物的生命活动提供必需的能量来源的营养物质和辐射能。 以能源，碳源不同可将微生物分成四大类: 7、什么是生长因子？它主要包括哪几类化合物？是否任何微生物都需要生长因子？如何才能满足微生物对生长因子的需求？ 生长因子：某些微生物不能从普通的碳源。氮源合成，而需要另处少量加入来满足生长需要的有机物质。 主要包括：氨基酸，维生素，嘌呤和嘧啶及其衍生物、甾醇、胺类、C4～C6 的分枝或直链脂肪酸等。 各种微生物所需的生长因子互不相同，有的需要多种，有的不需要，培养条件也会影响微生物对生长因子的需求。 为了满足微生物对生长因子的需求，一般要在培养基本中添加少量的该种生长因子。 9、为什么实验室配制培养基时，一般采用蛋白胨而不是以蛋白质为氮源？为什么枯草杆菌能水原明胶，而大肠杆菌则不能？ 蛋白胨是水解产物，微生物可直接利用，另处蛋白胨比蛋白质更易保存，所以实验室一般用蛋白质胨作氮源。 大肠杆菌是G+ 菌，它的细胞壁中含有脂多糖和外壁层，使蛋白分解酶无法穿过细胞壁，来到胞外水解明胶，而枯草杆菌是G-菌，情况相反，因而可以水解明胶。 13、什么是选择性培养基？它在工业微生物学工作中有何重要性？试举一例并分析其中的选择性原理。 根据某种某类微生物的特殊营养要求，或对某些物理，化学条件的抗性而设计的培养基，称为选择性培养基，其重要性在于它可以使混合菌样中的劣势变成优势菌，从而提高该菌的筛选效率。 例如，已知结晶紫可以抑制革兰氏阳性菌，那么，在革兰氏阳，阴性菌的混合培养物中加入结晶紫，即可使革兰氏阳性菌的生长受到抑制，而分离对象革兰氏阴性菌则可趁机大大增殖，在数量占据优势。 16、什么是微生物的最适生长温度？温度对同一微生物的生长速度，生长量代谢速度及各代谢产物的累积的影响不否相同？研究这一问题有何实践意义？ 最适生长温度是某微生物分裂代时最短成生长速率最高时的培养温度。同一微生物的不同生理过程有着不同的最适温度，温度对同一微生物的生长速度，生长量，代谢速度及各代谢产物的累积量的影响各不相同。 研究这一问题，使我们能根据目标产物的情况，选择最适温度，以提高发酵生产效率。 19、 24、导酵母菌接种到含有葡萄糖和最低限度无机盐的培养液中，并分装到烧瓶A 和B 中，将烧瓶A 放在30 的好氧培养中，烧瓶B 放在30 的 氧培养。问： A 哪个培养能获得更多的A TP ？A B 哪个培养能获得更多的酒精：B C 哪个培养中的细胞世代时间更短？A D 哪个培养能获得更多的细胞量？A E 哪个培养液的吸光更高？A 能 源 CO2(自养型)------- 自养型 有机碳化物-------光能异养型 光： 光能营养型 化合物： 化能营养型
高通量测序在病原微生物学方面的研究进展 近年来，随着测序技术的不断发展，实现对大量分离菌高通量，更准确的序列分析，以及对细菌种群进行高分辨率的系统发育分析，极大地提高了对病原微生物产生、适应和传播的认识。高通量测序（high throughput generation sequencing，HTS）技术是人类和动物基因组学研究领域中最热门的话题，与基于Sanger方法的最复杂的毛细管测序仪相比，该技术可以产生的数据多100倍。 与传统的第一代测序，又称Sanger测序相比，在DNA测序方面，HTS技术具有快速、廉价和高通量的优点，使得细菌基因组学研究发生了巨大的变化。高通量“台式”测序仪的出现的使实验室能够独立于专业测序中心进行测序工作，同时，HTS高分辨率的特点可以确定病原菌克隆的分子机制，辅助研究人员推断出全球大流行以及局部暴发期间的传播途径，甚至可以对患者个体在感染期间进行细菌种群进化分析。与传统的杂交方法相比，HTS还提供了转录组分析的潜力，包括覆盖全基因组范围及准确定量等，且深度测序辅助对细菌突变体文库的构建，以确定病原菌在体内生长或在其他特定生长条件下存活所需的决定因素。本文将对HTS在细菌病原体方面的近期研究进展进行阐述。
一、感染过程中细菌进化的研究 感染性疾病的进展和结果往往取决于宿主与病原体如何相互作用，采用HTS技术进行的研究为定殖和感染过程中细菌病原体的进化提供了新的见解。例如，研究发现，在感染过程中，由于选择性压力（例如与其他微生物共同感染、宿主的免疫反应及抗生素的应用等），某些固定的亚种中会随机出现有利与病原菌的突变，同时，在感染期间还可以发生抗生素耐药性的突变。相较于与传统的PCR扩增技术和一代Sanger测序，HTS的超基因组学方法可以从微生物群分析得到更大的多样性。例如，与健康者相比，肺囊性纤维化患者的微生物多样性降低与更严重的炎症相关，并且微生物的代谢途径的明显发生改变。 二、确定疾病暴发的来源和传播途径 传统的细菌分型方法鉴别力较低，无法在传染病暴发的流行病学调查中发挥精准的作用。全基因组序列可以为分离株之间核苷酸提供最高水平的分辨率，可识别医院内部和医院之间以及社区之间的传播。应用该种新方法可以确定传播的起源是某单一菌株还是多个菌株共同引起。
浙江大学工业微生物92-97 1992 年攻读硕士学位研究生入学考试试题 一填空（共15分） 1、细菌一般进行a 繁殖，即b 。酵母的繁殖方式分为有性和无性两类，无性繁殖又可分为c ，d 两种形式，有性繁殖时形成 e ；霉菌在有性繁殖中产生的有性孢子种类有 f ，g ，h ；在无性繁殖中产生的无性孢子种类有i ，j ，k ；放线菌以l 方式繁殖，主要形成m ，也可以通过n 繁殖。 2、一摩尔葡萄糖通过EMP途径和TCA循环彻底氧化，在原核微生物中产生a 摩尔ATP，在真核微生物中产生b 摩尔ATP，这是因为在真核微生物中，c 不能通过线粒体膜，只能借助于d 将EMP途径产生的磷酸二羟丙酮还原成 e ，后者可进入线粒体，将氢转移给f ，形成g ，自身又回复到磷酸二羟丙酮。这一过程称为“穿梭”，每次穿梭实际损失h 个ATP。 3、微生物基因突变的机制包括a 、b 及c 。诱发突变的方法分为物理方法和化学方法，物理方法主要是d ， e ， f 和g ；化学诱变剂包括h ，i 和j 。 二是非题（叙述正确的在括号写T，错误的写F，共10分） 1、自养型、专性厌氧型微生物不是真菌（） 2、在酵母细胞融合时，用溶菌酶破壁（） 3、从形态上看，毛霉属细菌都有假根（） 4、营养缺陷型菌株不能在基本培养基上正常生长（） 5、产黄青霉在工业生产上只用于生产青霉素（） 6、分子氧对专性厌氧微生物的抑制和制死作用是因为这些微生物内缺乏过氧化氢酶（） 7、同工酶是指能催化同一个反应，有相同控制特征的一组酶（） 8、基因位移是借助于酶或定向酶系统实现的主动输送，因此不需要消耗能量（） 9、培养基中加入一定量NaCl的作用是降低渗透压（） 10、噬菌体的RNA必须利用寄主的蛋白质合成体系翻译，因此只能在寄主体内繁殖（） 三. 名词解释（共15分） 1、抗代谢物 2、温和噬菌体 3、阻遏酶 4、转化 5、活性污泥 四在恒化器中培养微生物，在稳态操作时，μ=D，D为稀释率，μ可用Monod公式描述：求：a. 恒化器出口底物浓度S0和微生物浓度X0 b. 当稀释率D增加到一定程度后会产生“清洗”现象，求发生清洗现象的最小稀释率Dcrit c. 单位体积细胞产率可以用细胞出口浓度X0与稀释率的乘积DX0表示。求当DX0达到最大值时的稀释率Dmax 五. 简要叙述工业微生物研究和实验中的微生物培养基必须具备的要素和对于大规模生产 时对培养基的基本要求。（15分） 六. 以肌苷酸生产菌为例，说明营养缺陷型菌株筛选的机理及筛选的方法。（15分） 七. 试述革兰氏阳性菌和阴性菌在细胞壁组成上的差别，并判断下述几种微生物的染色结果是什么。 a. 枯草芽孢杆菌 b. 金黄葡萄球菌 c. 大肠杆菌 d. 乳链球菌 e.假单孢菌 1993年攻读硕士学位研究生入学考试试题 一填空（共15分，每格0.5分）
1.工业微生物育种在发酵工业中的作用如何？其目的是什么？ 工业微生物育种建立在： （1）遗传和变异（微生物遗传学）的基础之上； （2）物理和化学诱变剂的发现和应用； （3）工业自动化（自动仪表装置和微机）。 工业微生物育种在发酵工业中占有重要地位，是决定该发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。 2.工业微生物发展经历了哪几个阶段？ 1)自然选育阶段 2)人工诱变选育阶段 3)杂交育种阶段 4)代谢控制育种阶段 5)基因工程育种阶段 3.工业微生物育种的核心指标有哪些？ 1)在遗传上必须是稳定的。稳定性。 2)易于产生许多营养细胞、孢子或其它繁殖体。 3)必须是纯种，不应带有其他杂菌及噬菌体。 4)种子的生长必须旺盛、迅速。 5)产生所需要的产物时间短。转化率。 6)比较容易分离提纯。 7)有自身保护机制，抵抗杂菌污染能力强。 8)能保持较长的良好经济性能。产率。
9)菌株对诱变剂处理较敏感，从而可能选育出高产菌株。 10）在规定的时间内，菌株必须产生预期数量的目的产物，并保持相对地稳定。 4.革兰氏阳性和阴性菌的细胞壁结构有何差异？它们对溶菌酶和青霉素的敏感有何不同？ 5.缺壁细菌有哪些类型和异同？制备缺壁细菌主要有哪些途径？原生质体：G+菌经溶菌酶或青霉素处理； 球状体：G-菌，残留部分细胞壁。 是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。 L型细菌：自发突变形成细胞壁缺陷菌株； 6.原生质体制备时，为什么不同微生物要选择不同的酶？举例说明。 酶在原生质体制备中主要用来酶解细胞壁的，不同的微生物其细胞壁成分及含量可能不同，所以要用不同的酶。 酵母菌的细胞壁主要成分有葡聚糖、甘露聚糖蛋白质、几丁质。霉菌的细胞壁：主要成分是纤维素、几丁质、葡聚糖等。
微生物制剂研究进展 班级：07级动物医学姓名：李* 学号：200707323 摘要：着重介绍了动物激生物制剂——活菌制剂和寡糖的主要作用机理和在动物饲料中的使用效果，同时也分析了应用动物微生物制剂的前景和存在的主要问题。 关键词：动物；微生物制剂；活菌制剂；寡糖；进展 1概述 动物微生物制剂应用的发展是与微生态学的发展紧密相关的。微生态学是研究正常微生物与其宿主内环境相互依赖和相互制约的细胞水平和分子水平的生态科学；而正常微生物菌群是指寄居在特定个体的非但无害而且有益的长期历史进化过程中形成的微生物群落或微生态系。一般认为，正常微生物群可分为3类：一类是原籍菌群；二类是外籍菌群；三类是陌生菌群。原籍菌群是指其自身宿主个体对其无免疫反应或低免疫反应，是宿主个体固有的菌群。外籍菌群是由同种属不同宿主个体传来的，在血清型上或免疫上有一致性。陌生菌是由不同种属的宿主传来的。例如，人类的大肠杆菌在人类不同个体间传播就是外籍菌，如果传播到其他动物就是陌生菌。正常微生物对宿主具有营养、免疫、生长刺激、生物拮抗等作用，是机体的生理组成部分。在成人的正常结肠中，寄居菌群的96％-99％由厌氧菌（大肠杆菌、肠球菌、变形杆菌、乳酸杆菌等）组成。在动物正常肠道微生态系统中，优势菌群为厌氧菌，占99％以上，兼性厌氧菌和好氧菌不到1％。正常微生物菌群固定位转移和宿主转换都可能使宿主致病。微生物的致病性与非致病性是相对的，与其所处的生态环境密切相关。如在肠道是正常菌，转移至其他部位就可能是致病菌；在动物是非致病菌，转移到人类就可能是致病菌，即对某种动物是正常菌，转移到另一种动物就可能是致病菌。 2 动物微生态制剂的种类和作用机理 药物饲料添加剂的广泛运用，尤其是抗生素饲料添加剂的利用，在动物防病治病菌方面发挥重要作用的同时，也给畜牧生产和人类带来了一定的副效应。首先是抗生素在消灭致病菌的同时，也消灭了对动物机体有益的生理性细菌，破坏肠道微生物的微生态平衡，导致动物，特别是幼畜禽对病原微生物的易感性。另外，长期饲喂抗生素使动物机体内产生具有耐药性的细菌，这些细菌对人畜均有害。为此，各国都在进行其他种类饲料添加剂（主要是无残留，对动物和人类无副作用的饲料添加剂）的研究，已有多种效果显著的微生态制剂（包括活菌制剂——益生素和寡糖——化学益生素）问世。 2．１动物微生态制剂的种类 动物微生态饲料添加剂是根据微生态学理论研制的含有对动物有益的微生物及其代谢产物的活菌制剂（Probiotics）和低聚糖（oligosacchride）——寡糖类制剂。它们通过维持动物肠道内微生态平衡而发挥作用，具有促进动物生长发育，提高动物机体免疫力等多种功能，且无污染、无残留、不产生耐药性和对环境无害等，是一类新型绿色环保饲料添加剂。 Z.1.1活菌微生态制剂 随着抗生素技术的发展和应用，动物的生产得到了极大的发展；但是人们也发现了抗生素的副作用和对动物及人类的潜在危害。因此，有必要发展抗生素的替代物，动物微生态活菌制剂就应运而生了。活菌制剂始于上世纪初，有人用酸牛奶来调整幼畜腹泻出现的肠道微生物菌群失调。后来，在研究中人们发现用活菌制剂可防止畜禽的腹泻和肠炎，继之又发现活菌制剂还可改善动物对饲料的利用，并有利于促进畜禽的生长发育和健康，从而扩大了活菌制剂在畜牧生产中的作用和应用前景。 2．1 .1.1 活菌微生态制剂的种类 活菌微生态制剂的分类有多种，根据制剂的用途及作用机制可分为微生态生长促进剂和微生态治疗剂。依微生物的种类有芽孢杆菌制剂、乳酸菌制剂、酵母类菌制剂及光合细菌
课程名称：工业微生物学 课程编码：04043100 英文名称：Industrial Microbiology 学时：54 学分：3 适用专业：生物工程，制药工程，食品科学与工程，生物技术，食品质量与安全 课程类别：必修 课程性质：学科基础课 先修课程：生物化学 教材：《微生物学》路福平等，中国轻工业出版社，2005 一、课程性质与任务 工业微生物学是为生物工程、制药工程、食品科学与工程、食品质量与安全和生物技术专业开设的一门重要技术基础课。通过本课程的学习，要求学生掌握微生物的基本知识，包括微生物的形态、结构、营养、生长、环境因素对微生物的影响、菌种选育、菌种保藏以及新陈代谢和遗传变异等；了解微生物在生物界中的地位、在自然界中的分布与作用、特别是在食品、发酵与制药工业中的实际应用等，为其它专业课的学习奠定良好基础。 虽然工业微生物学是我校生物工程，制药工程，食品科学与工程，食品质量与安全，生物技术专业重要的一门基础生物学课程，但因为学习时间有限，因而本课程不能详尽无遗地讲解微生物学的各个方面，在内容的选择和安排上要注意做到主次分明、概念清楚、由浅入深、理论联系实际，为提高教学质量与教学效果创造有利条件。 二、课程教学的基本要求 工业微生物学是生物工程、制药工程、食品科学与工程、食品质量与安全和生物技术专业的一门重要技术基础课，以阐述微生物的形态结构与功能、微生物的营养、环境因素对微生物生长的影响以及微生物的遗传育种为主，同时适当介绍微生物的生态学、微生物的分类以及传染与免疫等知识。考虑到学生已经在生物化学课中学过各种物质代谢的知识，所以在工业微生物学中不再讲解，只介绍微生物的产能方式如呼吸和发酵。通过本课程的学习，要求学生掌握微生物的基本知识，包括微生物的形态、结构、营养、生长、环境因素对微生物的影响、菌种选育、菌种保藏以及新陈代谢和遗传变异等；了解微生物在生物界中的地位，在自然界中的分布与作用，特别是在食品、发酵与制药工业中的实际应用等，为其它专业课的学习奠定良好基础。 为适应相应专业的发展，还要求比较系统地掌握发酵专业中有关微生物的形态、生理、培养、鉴别、检出、筛选、保藏等方面的知识；了解微生物对营养物质的需要和营养物质在生命活动中的功能，具有选择与配制培养基的能力；掌握灭菌的原理与方法；了解环境因素与微生物生命活动的关系、了解微生物的生长发育、呼吸与发酵之间的关系、了解微生物在自然界中的分布及微生物间的相互关系和寻找新菌种的途径。通过对遗传变异知识的学习使学生具有分离、筛选和培育微生物新菌种的能力。 三、课程内容及教学要求 第一章绪论
微生物学发展史 自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经觉察到微生物的生命活动及其所发生的作用。中国利用微生物进行酿酒的历史，可以追溯到4000多年前的龙山文化时期。殷商时代的甲骨文中刻有“酒”字。北魏贾思勰的《齐民要术》中，列有谷物制曲，酿酒、制酱、造醋和腌菜等方法。 在古希腊留下来的石刻上，记有酿酒的操作过程。中国在春秋战国时期，就已经利用微生物分解有机物质的作用，进行沤粪积肥。公元二世纪的《神农本草经》中，有白僵蚕治病的记载。公园六世纪的《左传》中，有用麦曲治腹泻病的记载。在10世纪的《医宗金鉴》中，有关于种痘方法的记载。1796年，英国人琴纳发明了牛痘苗，为免疫学的发展奠定了基础。 17世纪，荷兰人列文虎克用自制的简单显微镜(可放大160～260倍)观察牙垢、雨水、井水和植物浸液后，发现其中有许多运动着的“微小动物”，并用文字和图画科学地记载了人类最早看见的“微小动物”——细菌的不同形态(球状、杆状和螺旋状等)。过了不久，意大利植物学家米凯利也用简单的显微镜观察了真菌的形态。 1838年，德国动物学家埃伦贝格在《纤毛虫是真正的有机体》一书中，把纤毛虫纲分为22科，其中包括3个细菌的科(他将细菌看作动物)，并且创用细菌一词。1854年，德国植物学家科恩发现杆状细菌的芽孢，他将细菌归属于植物界，确定了此后百年间细菌的分类地位。 微生物学的研究从19世纪60年代开始进入生理学阶段。法国科学家巴斯德对微生物生理学的研究为现代微生物学奠定了基础。他论证酒和醋的酿造以及一些物质的腐败都是由一定种类的微生物引起的发酵过程，并不是发酵或腐败产生微生物；他认为发酵是微生物在没有空气的环境中的呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物生长的结果；他进一步证明不同微生物种类各有独特的代谢机能，各自需要不同的生活条件并引起不同的作用；他提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被人称为巴斯德灭菌法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长期保存。 后来，他开始研究人、禽、畜的传染病(狂犬病、炭疽病和鸡霍乱等)，创立了病原微生物是传染病因的正确理论，和应用菌苗接种预防传染病的方法。巴斯德在微生物学各方面的科学研究成果，促进了医学、发酵工业和农业的发展。 与巴斯德同时代的德国微生物学家科赫对新兴的医学微生物学作出了巨大贡献。科赫首先论证炭疽杆菌是炭疽病的病原苗，接着又发现结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法防止这些疾病的传播；他的学生们也陆续发现白喉，肺炎、破伤风、鼠疫等的病原细菌，导致了当时和以后数十年间人们对细菌给予高度的重视；他首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单苗落而获得纯培养的操作过程；他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。 1860年，英国外科医生利斯特应用药物杀菌，并创立了无菌的外科手术操作方法。1901年，著名细菌学家和动物学家梅契尼科夫发现白细胞吞噬细菌的作用，对免疫学的发展作出了贡献。 俄国出生的法国微生物学家维诺格拉茨基于1887年发现硫磺细菌，1890年发现硝化细菌，他论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物学过程以及这些细菌的化能营养特性。他最先发现嫌气性的自生固氮细菌，并运用无机培养基、选择性培养基以及富集培养等原理和方法，研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，