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微生物與人類健康關系簡介

微生物對人類最重要的影響之壹是造成傳染病的流行。50%的人類疾病是由病毒引起的。世界衛生組織公布的數據顯示,傳染病的發病率和死亡率是所有疾病中最高的。微生物導致人類疾病的歷史,也是人類與微生物不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面,人類已經取得了長足的進步,但新出現的微生物感染仍時有發生,如大量的病毒性疾病壹直缺乏有效的治療藥物。壹些疾病的致病機制尚不十分清楚。大量廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力,導致許多菌株發生變異,產生耐藥性,對人類健康構成新的威脅。壹些分段病毒之間會通過重組或重配發生變異,最典型的例子就是流感病毒。每壹次流感大流行,流感病毒都會從之前引起感染的毒株變異而來,這種快速變異給疫苗設計和治療帶來了巨大障礙。而耐藥性結核分枝桿菌的出現,使原本幾乎得到控制的結核病感染重新成為全球關註的焦點。

微生物有各種形狀和大小,有些是腐敗劑,會使食物的氣味和組織發生不良變化。當然,有些微生物是有益的,它們可以用來生產奶酪、面包、酸菜、啤酒和葡萄酒。微生物非常小,只能通過放大約 1000 倍的顯微鏡才能看到。例如,壹個中等大小的細菌,1000 個疊加在壹起,只有壹個句號那麽大。想象壹下壹滴牛奶。每毫升變質牛奶中約有 5000 萬個細菌,或每誇脫牛奶中約有 50 億個細菌。也就是說,壹滴牛奶中就有 50 億個細菌。

微生物會導致疾病、黴菌以及食物、布料、皮革等的腐爛,但它們也有有益的壹面。弗萊明最早從青黴對其他細菌的抑制作用中發現了青黴素,這是醫學界劃時代的發現。後來又從放線菌和其他細菌的代謝產物中篩選出大量抗生素。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數生命。壹些微生物被廣泛應用於工業發酵,生產乙醇、食品和各種酶制劑等;壹部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等,而且再生資源潛力巨大,被稱為環保微生物;還有壹些微生物能夠在極端環境中生存,如:高低溫、高鹽、高堿和高輻射等普通生命體無法生存的環境,但仍有壹部分微生物存在。有些微生物仍然存在。看似我們發現了很多微生物,其實由於培養方法等技術手段的限制,人類現在發現的微生物還只占自然界存在的微生物的壹小部分。

微生物的相互作用機制也相當神秘。例如,健康人的腸道中存在大量細菌,稱為正常菌群,其中包含數百種細菌。在腸道環境中,這些細菌相互依存,互**** 生。食物、有毒物質甚至藥物的分解和吸收,菌群在這些過程中所起的作用以及細菌相互作用的機制尚不清楚。壹旦菌群失調,就會引起腹瀉。

隨著醫學研究進入分子水平,人們對基因和遺傳物質等術語越來越熟悉。人們認識到,正是遺傳信息決定了生物的生命特征,包括生物的外部形態和所從事的生命活動等,而生物的基因組就是這些遺傳信息的載體。因此,闡明生物基因組所承載的遺傳信息,將大大有助於揭示生命的起源和奧秘。從分子水平研究微生物病原體的變異規律、毒力和致病性,是對傳統微生物學的壹次革命。

以人類基因組計劃為代表的生物基因組研究已成為整個生命科學研究的前沿領域,微生物基因組研究是其中的壹個重要分支。世界權威雜誌《科學》將微生物基因組研究評為世界重大科學進展之壹。通過基因組研究揭示微生物的遺傳機理,發現重要的功能基因,並在此基礎上研制疫苗,開發新型抗病毒、抗菌、抗真菌藥物,將有效控制新老傳染病的流行,促進醫療衛生事業的快速發展和壯大!

分子水平的微生物基因組研究,為探索微生物個體以及群體間作用的奧秘提供了新的線索和思路。為了充分開發微生物(尤其是細菌)資源,美國於 1994 年啟動了微生物基因組研究計劃(MGP)。通過研究微生物重要功能基因的完整基因組信息開發利用,不僅可以加深對微生物致病機理、重要代謝和調控機制的認識,還可以在此基礎上開發出壹系列與我們生活密切相關的基因工程產品,包括:疫苗、治療藥物、診斷試劑以及用於工農業生產的各種酶制劑等。通過基因工程方法的轉化,可以促進新菌種的構建和傳統菌種的改造,全面推動微生物產業時代的到來。

工業微生物涉及食品、醫藥、冶金、礦山、石油、皮革、輕化工等多個行業。通過微生物發酵途徑生產抗生素、丁醇、維生素 C 以及制備壹些風味食品;壹些特殊的微生物酶參與皮革脫毛、冶金、石油開采等生產過程,甚至直接作為洗衣粉的添加劑;此外還有壹些微生物代謝產物可作為天然微生物農藥廣泛應用於農業生產。通過對枯草芽孢桿菌的基因組研究,發現了壹系列與生產抗生素和重要工業酶相關的基因。乳酸桿菌作為參與食品發酵過程的重要微生態調節因子,其基因組研究將有助於找到關鍵功能基因,進而改造菌株,使其更適合工業化生產過程。對我國維生素 C 兩步發酵生產工藝中的關鍵菌株--枯草芽孢桿菌葡萄糖苷酸鹽的基因組研究,將在完成基因組測序的前提下,找到與維生素 C 生產相關的重要代謝功能基因,進而通過基因工程實現新工程菌株的構建,簡化生產步驟,降低生產成本,進而實現經濟效益的大幅提升。對工業微生物開展基因組研究,不斷發現新的特殊酶基因和重要代謝過程及代謝產物生成相關的功能基因,並將其應用於生產,改造傳統產業和工藝,促進現代生物技術的快速發展。

農業微生物基因組研究查明致病機理開發防治病害新對策

據統計,全球每年因病害造成的農作物產量損失可高達 20%,其中以植物細菌性病害最為嚴重。除培育抗病品種和加強園藝管理外,似乎沒有更好的病害防治策略。因此,積極開展對某些植物致病微生物的基因組研究,找出其致病機理,制定新的病害防治策略已迫在眉睫。

經濟作物柑橘的致病菌是國際上首次發表全序列的植物病原微生物。此外,還有壹些在分類學、生理學和經濟學上都非常重要的農業微生物,如胡蘿蔔的歐文氏桿菌、植物病原菌銅綠假單胞菌,以及中國正在研究的銅綠黃單胞菌等,都在研發過程中。最近,固氮根瘤菌的全序列剛剛確定。從人類病原微生物的基因組信息中篩選治療藥物的成熟計劃可以通過實驗方式應用於植物病原體。特別是對於柑橘類病原體等需要昆蟲載體才能完成生命周期的物種,除了能中斷其生命周期的殺蟲劑外,基因研究只能用於尋找與毒力相關的因子和抗藥性靶標,以制定更有效的控制措施。分析固氮菌的全部遺傳信息,對於開發和利用其固氮關鍵基因,提高農作物的產量和質量也具有重要意義。

環保微生物基因組研究發現降解不同汙染物的關鍵基因

在經濟全面發展的同時,資源的濫用和環境的破壞也日益嚴重。面對全球環境的壹再惡化,倡導環境保護已成為世界人民****,壹致的呼聲。而生物凈化在環境汙染治理中大有可為,微生物參與治理是生物凈化的主流。微生物可以降解塑料、甲苯等有機物;還可以處理工業廢水中的磷酸鹽、含硫廢氣和改良土壤。微生物能夠分解纖維素等物質,促進資源再生。對這些微生物進行基因組研究,在深入了解其特殊代謝過程的遺傳背景的前提下進行選擇性利用,如找到降解不同汙染物的關鍵基因,將其組合在壹個菌株中,構建高效基因工程菌株,壹菌多用,可同時降解不同的環境汙染物,極大地發揮其改善環境、消除汙染的潛能。美國基因組研究所(AIGR)結合生物芯片方法,研究了微生物在特殊條件下的表達譜,以期找到其降解有機物的關鍵基因,確定開發利用的目標。

極端環境下的微生物基因組研究洞察生命本質,應用潛力巨大

能在極端環境下生長的微生物被稱為嗜極微生物,也稱嗜極生物。嗜極生物對極端環境有很強的適應能力,對極端微生物基因組的研究有助於從分子水平研究微生物在極端條件下的適應性,加深對生命本質的認識。

有壹種嗜極細菌能在數千倍強度的輻射下存活,而人類在壹劑量強度的輻射下就會死亡。這種細菌的染色體在受到數百萬拉德的輻射後碎裂成數百個碎片,但能在壹天內恢復。對其 DNA 修復機制的研究對輻射汙染地區環境生物管理的發展具有重大意義。利用嗜極微生物的極端特性,可以突破目前生物技術領域的壹些限制,建立新的技術手段,徹底改變環境、能源、農業、健康和輕化工等領域的生物技術能力。來自極端微生物的極端酶,能在極端環境中發揮其功能,將大大拓展酶的應用空間,是建立高效率、低成本生物技術工藝的基礎,如PCR技術中的TagDNA聚合酶、洗滌劑中的堿性酶等,都具有代表性意義。極端微生物的研究和應用將是獲得現代生物技術優勢的重要途徑,在新酶、新藥開發和環境修復等方面具有巨大的應用潛力。

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