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什么是微生物发酵产能的特点

作者:微彩票 发布日期:2020-08-08 13:27



  古细菌(ARCHAEOBACTERIA) (又可叫做古生菌或者古菌)是一类很特殊的细菌,多生活在极端的生态环境中。具有原核生物的某些特征,如无核膜及内膜系统;也有真核生物的特征,如以甲硫氨酸起始蛋白质的合成、核糖体对氯霉素不敏感、RNA聚合酶和真核细胞的相似、DNA具有内含子并结合组蛋白;此外还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的特征,如:细胞膜中的脂类是不可皂化的;细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸。

   古细菌这个概念是1977年由CARL WOESE和GEORGE FOX提出的,原因是它们在16SRRNA的系统发生树上和其它原核生物的区别。这两组原核生物起初被定为古细菌(ARCHAEBACTERIA)和真细菌(EUBACTERIA)两个界或亚界。WOESE认为它们是两支根本不同的生物,於是重新命名其为古菌(ARCHAEA)和细菌(BACTERIA),这两支和真核生物(EUKARYA)一起构成了生物的三域系统。

  古菌、细菌和线; 在细胞结构和代谢上,古菌在很多方面接近其它原核生物。然而在基因转录这两个分子生物学的中心过程上,它们并不明显表现出细菌的特徵,反而非常接近真核生物。比如,古菌的转译使用真核的启动和延伸因子,且转译过程需要真核生物中的TATA框结合蛋白和TFIIB。

   古菌还具有一些其它特徵。与大多数细菌不同,它们只有一层细胞膜而缺少肽聚糖细胞壁。而且,绝大多数细菌和真核生物的细胞膜中的脂类主要由甘油酯组成,而古菌的膜脂由甘油醚构成。这些区别也许是对超高温环境的适应。古菌鞭毛的成分和形成过程也与细菌不同。

   很多古菌是生存在极端环境中的。一些生存在极高的温度(经常100℃以上)下,比如间歇泉或者海底黑烟囱中。还有的生存在很冷的环境或者高盐、强酸或强碱性的水中。然而也有些古菌是嗜中性的,能够在沼泽、废水和土壤中被发现。很多产甲烷的古菌生存在动物的消化道中,如反刍动物、白蚁或者人类。古菌通常对其它生物无害,且未知有致病古菌。

   单个古菌细胞直径在0.1到15微米之间,有一些种类形成细胞团簇或者纤维,长度可达200微米。它们可有各种形状,如球形、杆形、螺旋形、叶状或方形。它们具有多种代谢类型。值得注意的是,盐杆菌可以利用光能制造ATP,尽管古菌不能像其他利用光能的生物一样利用电子链传导实现光合作用。

   WOESE认为细菌、古菌和真核生物各代表了一支具有简单遗传机制的远祖生物的后代。这个假说反映在了“古菌”的名称中(希腊语ARCHAE为“古代的”)。随后他正式称这三支为三个域,各由几个界组成。这种分类后来非常流行,但远组生物这种思想本身并未被普遍接受。一些生物学家认为古菌和真核生物产生於特化的细菌。

   古菌和真核生物的关系仍然是个重要问题。除掉上面所提到的相似性,很多其他遗传树也将二者并在一起。在一些树中真核生物离广古菌比离泉古菌更近,但生物膜化学的结论相反。然而,在一些细菌,(如栖热袍菌)中发现了和古菌类似的基因,使这些关系变得复杂起来。一些人认为真核生物起源於一个古菌和细菌的融合,二者分别成为细胞核和细胞质。这解释了很多基因上的相似性,但在解释细胞结构上存在困难。

   目前有22个古菌基因组已经完全结束了测序,另外15个的测序工作正在进行中。

  极端嗜热菌(THEMOPHILES):能生长在90℃以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现的古细菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活,德国的斯梯特(K. STETTER)研究组在意大利海底发现的一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适生长温度为98℃,降至84℃即停止生长;美国的J. A. BAROSS发现一些从火山口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广,多为异养菌,其中许多能将硫氧化以取得能量。

  极端嗜盐菌(EXTREMEHALOPHILES):生活在高盐度环境中,盐度可达25%,如死海和盐湖中。

  极端嗜酸菌(ACIDOPHILES):能生活在PH值1以下的环境中,往往也是嗜高温菌,生活在火山地区的酸性热水中,能氧化硫,硫酸作为代谢产物排出体外。

  极端嗜碱菌(ALKALIPHILES):多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境PH值可达11.5以上,最适PH值8~10。

  产甲烷菌(METNANOGENS):是严格厌氧的生物,能利用CO2使H2氧化,生成甲烷,同时释放能量。

  地球上究竟有几种生命形式?当亚里士多德建立生物学时,他用二分法则将生物分为动物和植物。显微镜的诞生使人们发现了肉眼看不见的细菌。细菌在细胞结构上与动植物的最根本差别是,动植物细胞内有细胞核,遗传物质DNA主要储存于此,而细菌则没有细胞核,DNA游离于细胞质中。由于动物与植物的差别小于它们与细菌的差别,沙东(E. CHATTON)于1937年提出了生物界新的二分法则,即生物分为含细胞核的真核生物和不含细胞核的原核生物。动植物属于真核生物,而细菌属于原核生物。

  1859年达尔文发表《物种起源》以后,生物学家便开始建立基于进化关系而非表型相似性的分类系统,即所谓系统发育分类系统。可是,由于缺乏化石记录,这种分类方法长期未能有效运用于原核生物的分类。1970年代,随着分子生物学的发展,伍斯终于在这方面获得了意义重大的突破。

  在漫长的进化过程中,每种生物细胞中的信息分子(核酸和蛋白质)的序列均不断发生着突变。许多信息分子序列变化的产生在时间上是随机的,进化速率相对恒定,即具有时钟特性。因此,物种间的亲缘关系可以用它们共有的某个具有时钟特性的基因或其产物(如蛋白质)在序列上的差别来定量描述。这些基因或其产物便成了记录生物进化历程的分子记时器(CHRONOMETER)。显然,这种记录生物系统发育历程的分子记时器应该广泛分布于所有生物之中。基于这一考虑,伍斯选择了一种名为小亚基核糖体核酸(SSU RRNA)的分子,作为分子记时器。这种分子是细胞内蛋白质合成机器——核糖体的一个组成部分,而蛋白质合成又是几乎所有生物生命活动的一个重要方面。因此,把SSU RRNA分子作为分子记时器是合适的。

  在比较了来自不同原核及真核生物的SSU RRNA序列的相似性后,伍斯发现原先被认为是细菌的甲烷球菌代表着一种既不同于真核生物,也不同于细菌的生命形式。考虑到甲烷球菌的生活环境可能与生命诞生时地球上的自然环境相似,伍斯将这类生物称为古细菌。据此,伍斯于1977年提出,生物可分为三大类群,即真核生物、真细菌和古细菌。基于SSU RRNA分析结果的泛系统发育(进化)树随后诞生了。

  进一步的研究表明,进化树上的第一次分叉产生了真细菌的一支和古细菌/真核生物的一支,古细菌和真核生物的分叉发生在后。换句话说,古细菌比真细菌更接近线年伍斯提出了三域分类学说:生物分为真核生物、真细菌和古细菌三域,域被定义为高于界的分类单位。为突出古细菌与真细菌的区别,伍斯将古细菌更名为古菌。真细菌改称细菌。三域学说使古菌获得了与真核生物和细菌等同的分类学地位。

  自诞生之日起,伍斯的三域学说便遭到部分人,特别是微生物学领域外的人反对。反对者坚持认为:原核与真核的区分是生物界最根本的、具有进化意义的分类法则;与具有丰富多样性表型的真核生物相比,古菌与细菌的差异远没有大到需要改变二分法则的程度。但在詹氏甲烷球菌基因组序列测定完成前的近20年中,采用多种分子记时器进行的系统发育学研究一再证明,古菌是一种独特的生命形式。

  尽管对古菌已有了上述认识,当人们第一次面对詹氏甲烷球菌的全基因组序列时,还是大吃了一惊。詹氏甲烷球菌共有1738个基因,其中人们从未见过的基因竟占了56%!相比之下,在这之前完成测序的流感嗜血菌(HAEMOPHILUS INFLUENZAE)和生殖道枝原体(MYCOPLASMA GENITALIUM)基因组中未知基因仅占20%左右。于是人们终于在基因组水平上认识到,古菌是一种崭新的生命形式。

  更有趣的是,詹氏甲烷球菌基因组中占总数44%的那些功能或多或少已经知道的基因似乎勾勒出了古菌与另两类生物之间的进化关系:古菌在产能、细胞分裂、代谢等方面与细菌相近,而在转录、翻译和复制方面则与真核生物类似。换言之,一个生活在大洋底部热溢口处的、习性古怪的微生物,在遗传信息传递方面竟有着与人(而不是与人的消化道中细菌)相似的基因!在赞叹生命奇妙的同时,许多人开始欢呼三域学说的最终确立。美国《科学》周刊在把詹氏甲烷球菌基因组序列测定工作列为1996年度重大科学突破之一时宣称,这一成果使围绕三域学说的争论差不多可以结束了。

  就在古菌的悬念似乎行将消失时,接踵而来的新发现却使人们重新陷入困惑之中。各类完整的微生物基因组序列一个接一个出现在人们轻点鼠标便可查阅的数据库中,在已发表的18种生物基因组序列中,古菌的占了4个。采用更灵敏的方法对这些基因组(包括詹氏甲烷球菌基因组)进行分析,得到了令人吃惊的结果:詹氏甲烷球菌基因组中只有30%(不是先前估计的半数以上)的基因编码目前未知的功能,这与细菌基因组相近。古菌的神秘性和独特性因此减少了许多。

  对三域学说更为不利的是,在詹氏甲烷球菌的那些可以推测功能的基因产物(蛋白质)中,44%具有细菌蛋白特征,只有13%的像真核生物的蛋白质。在另一个古菌,嗜热碱甲烷杆菌(METHANOBACTERIUM THERMOAOTUTROPHICUM)的基因组中也有类似情况。因此,从基因组比较的数字上看,古菌与细菌间的差异远小于古菌与真核生物间的差异,不足以说服三域学说的反对者。

  更令人难以理解的是,利用同一生物中不同基因对该物种进行系统发育学定位常常会得到不同的结果。最近,一种能在接近沸点温度下生长的细菌(AQUIFEX AEOLICUS)的基因组序列测定完成。对该菌的几个基因进行的系统发育学研究表明:如果用参与细胞分裂调控的蛋白质FTSY作为分子记时器,该菌与伍斯进化树上位于细菌分枝的一个土壤细菌——枯草芽孢杆菌相近;如果以一种参与色氨酸合成的酶为准,该菌应属于古菌;而当比较该菌和其他生物的合成胞苷三磷酸(DNA的基本结构单位之一)的酶时,竟发现古菌不再形成独立的一群。看来不同的基因似乎在诉说不同的进化故事。那么,古菌还能是独特的、统一的生命形式吗?

  属于真核生物的啤酒酵母基因组序列测定完成后,三域学说遇到了更大危机。酵母细胞核基因中,与细菌基因有亲缘关系的比与古菌有亲缘关系的多一倍。有人还对在三种生命形式中都存在的34个蛋白质家族进行了分析,发现其中17个家族来源于细菌,只有8个显示出古菌与真核生物的亲缘关系。

  如果伍斯进化树正确、古菌与真核生物在进化历程中的分歧晚于两者与细菌的分歧的话,那么怎样才能解释上面这些结果呢?

  根据细胞进化研究中流行的内共生假说,真核细胞细胞器(线粒体、叶绿体)的产生源于细菌与原真核生物在进化早期建立的内共生关系。在这种关系中,真核细胞提供稳定的微环境,内共生体(细菌)则提供能量,久而久之,内共生体演变为细胞器。真核生物细胞核中一部分源于细菌的基因可能来自线粒体,这些为数不多的基因通常编码重新运回线粒体的蛋白质分子。可是,现在发现许多源于细菌的核基因编码那些在细胞质、而不是线粒体中起作用的蛋白质。那么,这些基因从何而来呢?显然,内共生假说已不足以挽救伍斯进化树。

  不过,伍斯进化树也不会轻易倒下,支撑它的假说依然很多。最近,有人提出了新版的“基因水平转移”假说。根据这个假说,基因组的杂合组成是进化过程中不同谱系间发生基因转移造成的。一种生物可以采用包括吞食等方式获得另一种、亲缘关系也许很远的生物的基因。伍斯推测,始祖生物在演化形成细菌、古菌和真核生物三大谱系前,生活于可以相互交换基因的“公社”中,来自这个“史前公社”的生物可能获得了不同的基因遗产。这一切使得进化树难以枝杈分明。不过,伍斯相信,基于SSU RRNA的进化树在总体上是正确的,三种生命形式是存在的。

  三年前詹氏甲烷球菌基因组序列的发表,似乎预示着一场延续了20多年的、关于地球上到底有几种生命形式的争论的终结。古菌似乎被认定为生命的第三种形式。如今,仅仅过了三年,即使最乐观的人都无法预料伍斯进化树的命运。这场仍在继续的争论中,尽管古菌的分类地位遭到质疑,但古菌这一生命形式的独特性依然得到不同程度的肯定。

  目前,古菌研究正在世界范围内升温,这不仅因为古菌中蕴藏着远多于另两类生物的、未知的生物学过程和功能,以及有助于阐明生物进化规律的线索,而且因为古菌有着不可估量的生物技术开发前景。古菌已经一次又一次让人们吃惊,可以肯定,在未来的岁月中,这群独特的生物将继续向人们展示生命的无穷奥秘

  支原体是一类缺乏细胞壁的原核细胞型微生物,大小一般在0.3-0.5um之间,呈高度多形性,有球形、杆形、丝状、分枝状等多种形态。它不同于细胞,也不同于病毒。支原体用普通染色法不易着色,用姬姆萨染色很浅,革兰染色为阴性。支原体可在鸡胚绒毛尿囊膜上或细胞培养中生长,营养要求比细菌高。支原体的种类繁多、分布广泛、造成的危害相当大,涉及人、动物、植物及昆虫等多个领域,给人类健康和科研工作带来不利影响。

  从动物体内分离并鉴定出了几十种支原体,仅少部分引起不同程度的疾病,能造成严重危害的有四种,即:丝状支原体丝状亚种、鸡毒支原体、猪肺炎支原体和丝状支原体山羊亚种。支原体广泛分布于植物与昆虫中,引起植物和昆虫病害的支原体有植原体和螺原体两大类。

  致病支原体中,肺炎支原体起肺炎,人型支原体、解脲支原体和生殖器支原体主要泌尿生殖道感染。支原体肺炎又称原发性非典型肺炎,支原体肺炎全年均可发病,以冬季多见,可有小流行。支原体脑炎是学龄前儿童及青年人常见的一种肺炎,支原体肺炎主要通过飞沫传播,潜伏期较长,可达2~3周。支原体肺炎虽然病程较长,肺部病变较重,炎症吸收较慢,但绝大多数预后都是良好的,合并症亦少。生殖器支原体感染是近年新明确的一种性接触传播疾病。成人主要通过性接触传播,新生儿则由母亲生殖道分娩时感染。成人男性的感染部位在尿道粘膜,女性感染部位在宫颈。新生儿主要引起结膜炎和肺炎。

  细胞培养(特别是传代细胞)被支原体污染是个世界性问题。国内外研究表明,95%以上是以下四种支原体:口腔支原体(M.orale)、精氨酸支原体(M.arginini)、猪鼻支原体(M.hyorhinis)和莱氏无胆甾原体(dlawii),为牛源性。以上是最常见的污染细胞培养的支原体菌群,但能够污染细胞的支原体种类是很多的,国外调查证明,大约有二十多种支原体能污染细胞,有的细胞株可以同时污染两种以上的支原体。

  支原体污染的来源包括工作环境的污染、操作者本身的污染(一些支原体在人体是正常菌群)、培养基的污染、污染支原体的细胞造成的交叉污染、实验器材带来的污染和用来制备细胞的原始组织或器官的污染。

  组织细胞培养工作中,主要从以下几个方面来预防支原体的污染:控制环境污染;严格实验操作;细胞培养基和器材要保证无菌;在细胞培养基中加入适量的抗生素。支原体污染细胞后,特别是重要的细胞株,有必要清除支原体,常用方法有抗生素处理、抗血清处理、抗生素加抗血清和补体联合处理。支原体最突出的结构特征是没有细胞壁,一般来讲,对作用于细胞壁生物合成的抗生素,如 -内酰胺类、万古霉素等完全不敏感;对多粘菌素(polymycin)、利福平、磺胺药物普遍耐药。对支原体最有抑制活性及常用于支原体感染治疗的抗生素是四环素类、大环内酯类及一些氟喹诺酮;其他类抗生素如氨基糖苷类、氯霉素对支原体有较小抑制作用,所以常不用来作为支原体感染的化学治疗剂。InvivoGen公司研究开发的新一代支原体抗生素M-Plasmocin能有效地杀灭支原体,不影响细胞本身的代谢,并且用M-Plasmocin处理过的培养细胞,不会重新感染支原体。

  支原体是一类比细菌小比病毒大的原核生物,广泛分布于自然界,包括一些动物与人类。到目前已从人体内分离出几种支原体,与生殖道有关,能引起生殖道疾病患的主要是解脲支原体阳性率为28%,两种支原体同时阳性者为22%。成年女性宫颈或阴道中解脲支原体检出率为40%-80%,人型支原体为21%-53%。

  人体感染支原体后,它的潜伏期一般为1-3周,部分病人可无症状,约50%的病人表现为尿道有刺痒感受伴有或轻或重及排尿不畅的感觉。女性患者症状更轻,无明显尿痛或有轻微尿痛,仅可出现少量的分泌物,有时宫颈也有炎症或糜烂,男性表现为晨起尿道口痂膜或污染内裤,有时病人有症状有无分泌物,也可无症状有分泌物。感染支原体后的确可以引起不育。首先,它可以在寄居的部位引起炎症,如男性的附睾炎或前列腺炎,女性的宫颈炎、宫颈糜烂、前庭大腺炎、阴道炎、输卵管炎、盆腔炎、宫外孕等。慢性炎症的后果有可能导致输精管首和输卵管道的阻塞。还可通过局部的炎性细胞对精子造成间接损伤,通过分解尿素产生碱性环境,直接损伤输卵管上皮细胞,其次,支原体可以在精子的体部,影响其活动力,导致不育。此外,在感染了支原体的不育夫妇的血液和男方的精液中,抗精子抗体的阳性率明显高于生育正常的夫妇。抗精子抗体和支原体对精子的吸附,均可造成精子的泳动能力差,活力下降,畸形率高,精子间互相发生凝集引起不育。

  要确诊是否感染支原体,只要根据临床症状再结合准确的实验室检查就不难诊断。

  一般这样认为,支原体停药 7—10 天以后复查,如果是阴性,那么一个月以后再做一次,如果还是阴性,三个月以后再做复查,如果都是阴性,我们认为这个患者的支原体就已经被治好了。

  另外应该注意的一个问题,就是性伴侣的问题,如果患者的性伴侣检查有,两个人就应该同时治疗,如果对方没有,也应该再过一个月或两个月再复查一次,这样会更安全。

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