1、1微生物学复兴的机遇、挑战和趋势“微生物学”教材编后随笔沈萍 陈向东（ 武汉大学生命科学学院）我国第一部全彩色新版“微生物学” 教材已在 2009 年 8 月份由高等教育出版社出版，该教材从内容到形式力求做到与国际同类先进教材接轨。该书的字字句句都包含着每位编者对微生物学的深情和热爱，渗透着他（她）们的汗水和和辛劳。作为主编，我们为有这样的同行和朋友，有如此团结、长期合作的团队而感到骄傲，为我们共同为我国微生物学教育事业做出了应有的贡献而感到欣慰。自 2000 年以来的 9 年间，我们这个团队连续编写出版了三本在全国颇具影响的“微生物学 ”教材，在教材的编写过程中促使我们去学习许多新的知识，关
2、注微生物学的进展，特别是 2009 年这本教材的编写和出版，更激起了我们对微生学的未来和发展趋势的关注，除了教材上已有的相关内容外，我们在这里，将进一步浅述在当前形势下，微生物学发展的机遇、挑战和趋势，以飨读者。 微生物学的发展曾经历了二个辉煌的黄金时代，即：从 19 世纪中期到 20世纪初的第一个黄金时代和从 20 世纪 40 年代到 70 年代末的第二个黄金时代，其后走入低谷。但近 20 年来，随着基因组学、结构生物学、生物信息学、PCR技术、高分率荧光显微镜及其它物理化学理论和技术等的应用，使微生物学的研究取得一系突破性进展，揭示了许多令人惊奇的生命现象，从微观（细胞结构和功能、基因和基
3、因组、生物大分子）到宏观（微生物生态，环境微生物学）研究微生物获得的成果，开始或正在改变许多传统的概念和观点；微生物学家开始从传统的实验室纯培养物的研究走向自然环境，研究自然环境（包括浩瀚海洋海底黑烟囱和沉积物以及其它极端环境）中微生物的生理、遗传及其群体间的相互作用，使人们对微生物的生物多样性、巨大的生物量及其对整个地球物质循环重要性的理解翻开了新的一页。微生物学己走出其低谷，开始进入它的第三个黄金时代。一、历史上微生物学发展的二个黄金时代历史上，微生物学的发展曾经历了二个黄金时代 1-3 ，虽然具体的年代划分有所差异，但其内容和观点却趋向一致。第一个黄金时代是从 19 世纪中期到 20 世
4、纪初（约 1857-1914） ，这个阶段，2微生物研究作为一门独立的学科已经形成，并因在传染病方面取得的巨大成就而迅速发展，当时，接连不断地发现人和动植物疾病的致病因子，如：引起炭疽病、疟疾病、肺结核、肺炎、鼠疫、烟草花叶病、梅毒等重大疾病的致病因子以及新的诊断和预防方法，如：用肥达氏试验（Widal test）来检查伤寒病，用华塞曼氏试验（Wassermann test）来检查梅毒等，并研制出了炭疽疫苗、狂犬疫苗。此外，在微生物的纯培养、分类等技术方面也获得重大突破。出现了微生物学发展的第一个黄金时代。这个时期的微生物学，是进行着自身的独立发展，还末与当时生物学的主流相汇合。第二个黄金时代
5、是从 20 世纪 40 年代到 70 年代末（约 l944-l977），这个阶段，微生物学走出了独自发展，以应用为主的研究范围，与生物学发展的主流汇合、交叉， 获得全面、深入的发展，形成了该领域的许多分支学科。微生物是最小最顽强的生命，也是最易操作的生命体，生命科学由整体或细胞研究水平进入分子水平，取决于许多重大理论问题（遗传密码、基因概念、遗传的物质基础等）的突破，其中微生物学起了重要甚至关键的作用；微生物中的许多新发现（转化、转导、接合、操纵子模型、质粒、转座子、限制性内切酶、逆转录酶、三域学说等）不仅使微生物学的理论和应用获得长足发展，而且极大地推动了现代生物学即分子生物学的建立和发展，
6、为基因工程、重组 DNA 技术的建立做出了巨大贡献 4 ，可以说，分子生物学早期的建立和发展是源于微生物，那时，任何想从事现代生物科学研究的人，无论是有意还是无意，都不得不成为微生物学家。微生物学再一次被推到了整个生命科学发展的前沿，形成了微生物学发展的第二个黄金时代。二、微生物学复兴的机遇和挑战1， 微生物学发展的低谷 3,5 20 世纪 70 年代末期到 90 年代初，这一段时间，从事真核生物研究的科学家很快将微生物研究中获得的新发现和相关技术用于自己的研究领域，使高等动植物，包括人类的分子生物学研究及其应用迅速发展。微生物学的发展却处于低谷，微生物中的模式菌，如大肠杆菌等只是用作为克隆、
7、表达、研究真核生物基因的受体，或用于生产疫苗（如 1986年第一个遗传工程生产的乙肝疫苗批准用于人类，并在 1990 年，开始了首次人类基因治疗试验）等，高等真核生物的研究蓬勃发展。微生物学本身的研究成果不突出，从微生物学教科书中，以表格形式列举的“微生物学发展中的一些重要事件”（Some Important Events in the Development of Microbiology）可看出，从 l979 年-1995 年这段时间，除了分离和鉴定了人免疫缺陷病毒这一项重大微3生物成果外，几乎没有其它重要进展。在生命科学的发展中，似乎是处于一种尴尬的副手地位，许多从事微生物学研究的人纷纷
8、转行，甚至有的微生物学实验室更换了门牌。2， 微生物学复兴和发展的机遇 从历史上的二个黄金时代可以看出，微生物学的研究使其能够征服重大疾病（特别是传染病），这是微生物学对人类社会健康发展，甚至人类的生存所作的首要贡献；其次，利用微生物的特性和共性，发展自身，并推动整个生命科学仍至社会的进步和发展，是微生物学展示其独特魅力的平台。微生物学发展的这二大特点将在新的机遇和挑战面前，重新展现其辉煌。1995 年，第一个自由生活的微生物（流感嗜血杆菌）基因组测序完成 6 ，这是所有生物中最先完成全序列测定的生物，最先进入基因组学的研究。伴随人类基因组计划（HGP）而崛起的微生物基因组学将使微生物学走出低
9、谷，为其复兴和发展，甚至为其进入第三个黄金时代带来机遇和挑战。3，微生物在推动 HGP 实施的过程中发展自己： 1）微生物作为模式生物及其提供的载体（BAC,YAC）为人类基因组测序、诠释以及提前完成做出了重大贡献。在进入后基因组时代的今天，微生物仍将为认识庞大的人类基因组及其功能(包括人类的疾病) 提供简便的模式。微生物的特性和共性在 HGP 的实施中又一次被推向了生命科学发展的前沿。2）在为 HGP 做出贡献的同时，发展了自己：己测序的微生物数己超过所有其它生物（已完成测序的达 897，正在测序中的有 l79l 种），基因组知识推动了微生学中某些分支学科的复苏和发展，如分类学、生态学、环境
10、微生物学等；对微生物的多样性、系统发育和进化有了更深的认识；在微生物基因组基础上发展起来的元基因组学（metagenomics）不仅对了解和利用环境中占 99以上的未培养微生物开创了一个新的途径，而且对人类许多疾病以及能源和环境问题具有推动作用。利用微生物基因组挖掘新的有用基因或药物靶基因已经展現了微生物在其应用领域的独特作用。随着古菌基因组研究的深入(已有 62 种古菌基因组被测序，45 种正在测序中)，适应极端环境的机理及特殊的生命特征将被进一步阐明，有关生命起源的问题更接近其真谛，具有特殊应用价值的新基因将被开发利用。微生物学对生命科学及社会进步和发展的影响必然将出现新的辉煌，微生物学进
11、入了研究的第三个黄金时代。三、当前微生物学发展的特点和趋势4从近年来发表在国际权威杂志 PNAS、Science 、Nature、Mol. Microbio. 等上的有关微生物学的文章来看，有下列几方面的特点：1,与人的健康和疾病相关的研究颇受重视，研究成果突出。可以说，所有科学研究的最终目的都是为了人类的生存、健康；社会的发展和进步，人是第一位的。微生物与人的关系最为密切，这不仅反映在我们人类是生活在微生物的包围圈中（微生物无处不在） ，而且在我们人体的表面（皮肤） 、体内（鼻腔、口腔、消化道、阴道等）均生活着 10 倍于人体细胞的微生物，占人体重量的 2%左右，其总基因数是人体的 100
12、倍 7 。近年的研究表明，这些生活在人体内（体表）的正常微生物与人体的生理代谢、免疫机能、疾病等有着密切的相关性，人被认为是由微生物细胞和人体细胞组成，人的遗传特征和代谢特征也是二者的混合,人是超级有机体（superorganisms ） 8 。目前在欧美许多国家以及日本等国正在开展的人体微生物组计划（human microbiome project，HMP ）是人类基因组计划的继续 9-10 ，因为人体的 2万多个基因不能完全揭示人类生老病死之谜，人体内生活着大量的“亲密的陌生者” - 微生物，该计划的宗旨是将人体内 600 多种正常微生物的基因组进行测序，研究存在于人体中的微生物群落的类型
13、、特征和功能，揭示影响人体健康和疾病的微生物群落的复杂性及其与人体的相互作用。更值得一提的是，许多过去认为只与遗传、生理、环境、甚至个人习惯有关的疾病（如胃病、肥胖症等），现在已被证实是因微生物引起或与微生物有关 11,12 。此外，对重大传染病的病理病因及抗药性的基因或基因组学水平的研究也获得新的进展。特别是近年来，对病原微生物致病机理的研究获得重大突破：病原菌利用其 III 型分泌系统，将分泌的毒素蛋白直接“注入” 宿主细胞，而且这种机制为所有致病菌所共有，无论其宿主是动物、昆虫，还是植物 13,14 。这些发现不仅为针对性地筛选靶向药物提供新的信息和途径，而且也将为细菌-宿主、细胞-细胞
14、间的相互作用机制获得新的认识。2, 微生物生态、环境微生物的研究进入最好时期。 由于高通量的全基因组测序和分析、元基因组学以及其它相关技术的发展和应用，使原来发展比较缓慢的微生物生态、环境微生物的研究发展迅速，2008 年的 Nature Reviews Microbiology 发表了一篇题为“ 微生物生态学的黄金时代”(A golden age for microbial ecology)的文章，并指出“微生物与它们环境之间的相互关系对星球和所有的居住者的健康至关重要” 15 。近年来由于 CO2、CH 4、N 2O 等温室气体在大气圈中的增加直接和间接地引起了全球气候的变化，有关生物地球
15、化学循环的问题已受到特别关注 16 。所谓生物地球化学循环是指物质在自然环境5中的传输和转化过程，即物质在环境-生物-环境之间循环的过程。C、N、S、P等元素正常循环的打破，导致当今人类必须面临一系列的环境问题，涉及到当前整个地球上生态安全的方方面面，如沙漠化、退化生态系统的恢复、生物多样性的保护和全球气候变化趋势的缓解。微生物是自然界中许多有机物的分解者，如果没有它们的作用，自然界中各类元素及物质就不可能被周而复始地循环利用，生态平衡就会破坏，人类将无法生存。更重要的是，如今微生物学家有条件和技术去探讨那些 99%以上的、目前被认为是未培养的微生物，以及浩瀚海洋（包括海底黑烟囱和沉积物）及其
16、它极端环境中的微生物，并开始从传统的实验室纯培养物的研究走向自然环境，研究自然环境下微生物的生理、遗传及其群体间的相互作用（包括生物膜的形成、群体感应、抗生素抗性等） 。这些研究完全冲击了我们原来对微生物生物多样性、生物量及其对我们所居住的星球所起的巨大作用：据目前的研究表明，地球上微生物群（biota）被认为在重量上超过了所有其它生物的总合，仅细菌就占有 50%的炭生物量、9O%以上的氮和磷的生物量；仅海洋微生物完成的光合作用就与陆生植物一样多 17 ，有人估计，如果微生物停止氮循环，那么，供植物可利用的氮大约只能唯持一周。自然环境中发生的基因水平转移（Horizontal gene tra
17、nsfer）也越来越引起人们的关注18-19 ，我们实验室的研究还进一步揭示了其转移的机理 20-22 。此外，利用现代生物学技术，分离新功能菌株或利用新的基因或基因簇降解环境中的污染物、获得可再生能源、回收贵重金属等越来越受到重视。3, 嗜极细菌和古菌成为新的研究亮点。近 lO 年来，人们才开始认识的微生物新成员-古菌（ Archaea）已成为新的研究亮点，这是一类极其特殊的生命体，主要生活在极端环境中（高温、高盐、高酸等） ，具有独特的生命特征，被称为生命的第三城或第三生命形式 4,23 ，广泛吸引着人们的注意。这些极端微生物为重新界定了生物圈的边界，提供了探索生命极限的途径，揭示生命的起
18、源，全面了解和利用生物的多样性的重要信息。更有意义的发现是，古菌遗传信息传递（包括转录、翻译、复制）与真核生物的极其相似，因而古菌很可能成为了解真核生物，甚至我们人类的遗传信息传递系统的有效模型 24,25 ，另外，我们的研究还发现，嗜盐古菌转录系统的启动子在结构和功能上不只是与真核生物相似，而且还具有二域或三域的共同特征和功能 26,27 。极端微生物的特殊代谢产物和途径具有巨大的生物技术开发前景，极端微生物所具有的普通生物不可比拟的优点，表明它们能（并且已经）为人类提供不可替代的资源，如：第一个用于 PCR 技术的高温聚合酶 Taq 来自高温细菌 Thermus aquaticus；既耐高
19、温同时又具有 3， 5 ， 核酸外切酶活性的 DNA 聚合酶是由嗜热古菌6Pyrococcus furiosus 所产生的 28,29 。其它嗜极酶、嗜盐菌素、视紫红质等均是重要的特殊生物资源 30-32 。我们在嗜盐古菌中还分离到一种具有特殊性质的蛋白酶 33 ，具有很好的潜在应用价值。目前对嗜极微生物的研究主要集中在下列几方面：（1）对极端环境的适应机理；（2）作为研究真核生物复杂系统（如复制、转录等）的极好模式；（3）作为探索生命起源、进化、界定生命极限及其它星球生命的最好材料；（4）通过比较基因组学和功能基因组学发掘古菌特殊的生命机理和新的基因，进一步完善系统发育树；（5）发掘嗜极微生
20、物中有特殊应用价值的代谢产物，如嗜极酶、嗜盐菌素、视紫红质等；（6）进一步建立完善遗传操作系统；（7）与其它学科交叉，从物理、化学角度揭示一些生物学难以观察到的生命特征；（8）分离获得古菌病毒，探讨其生命特征（如复制、与宿主的特殊关系等）。4, 微生物细胞生物学的研究进入新的阶段 微生物细胞小而简单，因此人们一直认为，这类仅有一立方微米的小空间里，没有类似于真核细胞骨架支撑的空间布局，其结构和功能呈无序性。微生物细胞类似一个“酶袋子” 或“多面手作坊”。 但近年的研究发现，在细菌中也有微管蛋白（tubulin）和肌动蛋白（actin） ，并能自装配成骨架纤维在细胞中行使功能，这二种蛋白是真核细
21、胞骨架组织的关键成份。这一发现打破了细胞骨架是真核生物独有的概念。研究表明，这二种蛋白与细菌的分裂和在分裂中 DNA（包括染色体 DNA 和质粒DNA）的分配（segregation）以及维系细胞的形态有关，例如 FtsZ（微管蛋白的同系物）和 MreB（肌动蛋白同系物）分别与细胞分裂和 DNA 的分离有关，MreB 由于紧邻细胞内表面形成螺旋纤维而直接维系着细胞的形态34 。近年的研究也证实，原核细胞的 DNA 复制是发生在细胞内特定的区域，一些复制蛋白和特殊的 DNA 序列被定位在细菌特殊的亚细胞区，说明细菌细胞内存在复制分区 35-36 。蛋白质糖基化作用在真核生物中普遍存在，但在在细菌
22、中却很罕见，但近年的研究表明，原核生物细胞也具有糖基化功能。最近还报导了一种肠道优势菌-拟杆菌（Bacteroides）， 能够从宿主黏膜的多糖中搜集海藻糖，并将这种外源海藻糖整合到自己的荚膜多糖和糖蛋白中，进一步研究发现，该菌可将这种海藻糖蛋白质糖基化，而这种普通 O-糖基化体系很可能与该菌在人肠道中保持优势有关 37 。细菌（特别是病原菌）与宿主细胞的相互作用是微生物细胞生物学的一个重要研究领域，对其侵染过程和机制的研究已获得新的进展 38,39 ，这些进展7不仅为病原菌致病机理提供了新的观点，而且也为理解真核细胞的结构和功能提供了工具。也将为解决日益增长的抗生素抗性问题、突发性传染疾病的
23、防控、生物恐怖主义的威胁等提供快速检测、有效阻止传播的新途径和方法 40,41 。四、结束语1995年第一个自由生活的微生物流感嗜血杆菌的全基因组序列完成后，标志着微生物学的发展进入了一个新的时期，如前所述，随着基因组学、结构生物学、生物信息学、PCR 技术、高分率荧光显微镜及其它物理化学理论和技术等的应用，为微生物学的发展带来了新式武器，新的契机，但微生物是极其多样性的，其研究也是多方面的。包括基因水平、基因组水平、细胞水平、群体水平；其内容涉及生长、代谢、遗传、生理、分类、生态等。同时微生物学又是一门应用性很强的学科，涉及的面十分广泛。因此，作为一门学科的发展，如何将微生物的基础研究和应用
24、研究、分子水平和细胞水平乃至群体水平（或宏观水平）的研究有序地结合起来，已是现代微生物发展的趋势，因此，已有学者提出“整合微生物学（Integrative microbiology） ”的概念 42 ，认为微生物已成为一个统一体（unified） ，微生物生理学、微生物遗传学、微生物生态学以及微生物病源学已不再是拥有自己的工具和“方言 ”的独立王国，如今，海洋微生物学家很容易与研究人类病原体的微生物学家对话；食品微生物学家可与研究微生物进化的微生物学家进行轻松的交谈。有人因此提出，微生物学发展的第三个黄金时代的重要特征是整合微生物学。时代在发展，科学在进步，作为工作在科研、教学第一线的教材编写
25、者，如何将学科发展的信息尽快融入基础课教材，使其内容尽量能和国际上科学发展前沿同步合拍，无疑将是我们今后将要面临的永恒任务。我们将我国专业基础课的教学水平和教学质量的不断提高提供坚实的基础。我们迫切地希望我国的教材建设能向国外的优秀教材看齐，参考文献1. Pelczar M J.（1993）Microbiology，New York：McGraw Hill2. Tortora G J.（2003 ）Microbiology：An Introduction. 8th ed San Francisco：The Benjamin/Cummings3. Stanley M， （2006）The era
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