微生物学

来源：Elizabeth Suter1，Christopher Corbo1，Jonathan Blaize1 1 生物科学系，瓦格纳学院，1 Campus Road，纽约史泰登岛，10301 Winogradsky 柱是一种用于富集沉积物微生物群落的微型封闭生态系统，尤其适用于参与硫循环的微生物。该方法最早由 Sergei Winogradsky 于19世纪80年代使用，此后已广泛应用于研究多种参与生物地球化学过程的微生物，例如光合生物、硫氧化菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌、铁氧化菌、氮循环菌等（1,2）。 地球上大多数微生物被认为是不可培养的，这意味着它们无法在试管或培养皿中被分离培养（3）。造成这一现象的原因很多，其中包括微生物在某些代谢产物上依赖其他微生物。温诺格拉茨基柱中的条件 closely 模拟了微生物的自然生境，包括它们与其他生物之间的相互作用，从而使其能够在实验室中生长。因此，该技术使科学家能够研究这些微生物，并理解它们在地球生物地球化学循环中的重要作用，而无需将它们单独分离培养。

来源：Jonathan F. Blaize1，Elizabeth Suter1 和 Christopher P. Corbo1 1 生物科学系，瓦格纳学院，1 Campus Road，纽约州史泰登岛，10301 由于原核生物数量庞大、易于呈指数级增殖、种群内物种多样性高，且具有特定的生理需求，因此对其进行定量评估可能十分繁琐。此外，细菌的增殖具有四个阶段（迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期），进一步加大了这一挑战。准确估算微生物浓度对于成功进行微生物的鉴定、分离、培养和表征至关重要（6）。因此，一个多世纪以来，微生物学家一直采用连续稀释法及多种平板接种技术，在临床、工业、制药以及学术实验室环境中可靠地定量细菌和病毒载量（2,4,6）。该方法的最早描述可追溯至1883年，当时德国科学家兼医生罗伯特·科赫（Robert Koch）发表了关于致病微生物的研究成果（2）。科赫常被称为现代细菌学之父，他所创立的这些技术已成为全球范围内对可培养或不可培养微生物进行计数的金标准。

来源：Christopher P. Corbo1，Jonathan F. Blaize1，Elizabeth Suter1 1 生物科学系，瓦格纳学院，美国纽约州史泰登岛校园路1号，邮编10301 原核细胞能够生存在地球上几乎所有的环境中。作为一类生物，它们具有极高的代谢多样性，能够利用多种多样的分子进行能量生成（1）。因此，在实验室中培养这些生物时，必须在培养基中提供其产生能量所需的所有必要且特定的分子。尽管某些生物具有广泛的代谢能力，但另一些生物则能够在极端环境中生存，例如高温或低温、碱性或酸性pH、还原性或无氧环境，或高盐环境（2,3,4）。这类生物被称为"嗜极生物"，通常需要这些极端环境才能增殖。当科学家试图培养此类生物时，必须充分考虑培养基的成分以及任何特定的环境条件，以成功培养目标生物。

来源：Tilde Andersson1，Rolf Lood1 1 瑞典隆德大学隆德临床科学系感染医学部，生物医学中心，隆德 221 00 微生物多样性看似无法确定，实际上却极为惊人，据估计共存的物种数量可达一万亿种（1,2）。尽管某些极端环境（例如人类胃部的酸性环境（3）或南极洲的冰下湖泊（4））可能由特定物种占主导地位，但细菌通常以混合培养的形式存在。由于每种菌株都可能影响其他菌株的生长（5），在临床和学术领域中，分离并培养“纯”（仅含一种类型）菌落的能力变得至关重要。纯培养物可进一步用于基因（6）和蛋白质组学分析（7）、样品纯度检测，或许更重要的是，可用于从临床样本中鉴定和表征感染性病原体。

来源：Ewa Bukowska-Faniband1，Tilde Andersson1，Rolf Lood1 1 瑞典隆德大学隆德临床科学系感染医学部，生物医学中心，隆德 221 00 地球是数百万种细菌物种的栖息地，每种细菌都具有特定的特征。细菌物种的鉴定被广泛应用于微生物生态学中，以确定环境样本的生物多样性，以及应用于医学微生物学中，以诊断感染患者。细菌可通过传统的微生物学方法进行分类，例如显微镜检查、在特定培养基上培养、生化和血清学试验以及抗生素敏感性检测。近几十年来，分子微生物学方法彻底改变了细菌鉴定技术。其中一种常用的方法是16S核糖体RNA（rRNA）基因测序。该方法不仅比传统方法更快、更准确，而且还能鉴定那些在实验室条件下难以培养的菌株。此外，在分子水平上对菌株进行区分，能够辨别表型相同的细菌（1-4）。 16S rRNA 与19种蛋白质组成的复合物结合，形成细菌核糖体的30S亚基（5）。它由16S rRNA基因编码，该基因由于在核糖体组装中具有关键功能，因此存在于所有细菌中且高度保守；然而，该基因也包含可变区，可作为特定物种的“指纹”。这些特性使得16S...

来源：Andrew J. Van Alst1，Rhiannon M. LeVeque1，Natalia Martin1，和 Victor J. DiRita1 1 美国密歇根州东兰辛市密歇根州立大学微生物学与分子遗传学系 生长曲线可提供有关细菌生长动力学和细胞生理学的宝贵信息。通过生长曲线，我们能够确定细菌在不同生长条件下的响应情况，并定义特定细菌的最佳生长参数。典型的生长曲线经历四个生长阶段：迟缓期、指数期、稳定期和衰亡期（1）。 图 1：细菌生长曲线。 在分批培养中生长的细菌会经历四个生长阶段：迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期。迟缓期是指细菌达到能够快速生长和分裂的生理状态所需的时间。对数期是细胞生长和分裂最快的阶段，此时DNA复制、RNA转录和蛋白质合成均以恒定且快速的速率进行。稳定期的特征是由于营养物质限制和/或有毒中间产物的积累，细菌生长速度减慢并趋于平稳。衰亡期是由于严重缺乏营养物质而导致细胞裂解的阶段。

来源：Anna Bläckberg1, Rolf Lood1 1 瑞典隆德大学隆德临床科学系感染医学部，生物医学中心，隆德 221 00，瑞典 了解抗生素与细菌之间的相互作用对于理解微生物如何进化出抗生素耐药性至关重要。1928年，亚历山大·Fleming（Alexander Fleming）发现了青霉素，这种抗生素通过干扰细菌细胞壁的再生来发挥其抗菌作用（1）。随后，人们又发现了其他具有不同作用机制的抗生素，包括抑制细菌DNA复制和蛋白质翻译的药物；然而，近年来尚未开发出新的抗生素。当前抗生素的耐药性日益增加，导致一些严重的感染性疾病无法得到有效治疗（2）。本文介绍几种评估细菌群体耐药性的方法。这些方法均有效，且不受所用抗生素作用机制的影响，因为其检测的最终指标是细菌的死亡。抗生素耐药性不仅在医院环境中迅速传播，也在整个社会广泛扩散。为了研究此类耐药现象，已发展出多种检测方法，包括Epsilometer试验（E试验）和肉汤稀释法（3）。

来源：Rhiannon M. LeVeque1，Natalia Martin1，Andrew J. Van Alst1 和 Victor J. DiRita1 1 美国密歇根州东兰辛市密歇根州立大学微生物学与分子遗传学系 细菌是地球上几乎无处不在的多样化微生物。许多特性可用于区分不同类型的细菌，包括但不限于革兰染色类型、形态与排列方式、荚膜产生能力以及孢子形成能力。要观察这些特性，可使用光学显微镜；然而，由于某些细菌的特征（例如体积微小、缺乏颜色以及折射特性），仅依靠光学显微镜难以清晰分辨细菌（1, 2）。因此，在利用光学显微镜区分细菌类型时，对细菌进行染色是必要的。光学显微镜主要有两种类型：简易显微镜和复式显微镜。两者最主要的区别在于用于放大物体的透镜数量。简易显微镜（例如放大镜）仅有一个透镜用于放大物体，而复式显微镜则包含多个透镜以增强放大效果（图1）。复式显微镜具有一个靠近物体的物镜，用于收集光线并形成物体的图像，该图像随后由目镜（ocular...

来源：Tilde Andersson1，Rolf Lood1 1 瑞典隆德大学隆德临床科学系，感染医学部，生物医学中心，221 00 隆德，瑞典 感染原核生物的病毒被称为细菌病毒，或简称为噬菌体，最早于20世纪初被发现。th 20世纪初，Twort（1）和d'Hérelle（2）分别独立发现了噬菌体。自发现以来，噬菌体因其治疗价值（3）以及对人类（4）乃至全球生态系统（5）的影响而受到广泛关注。当前的公共卫生关切推动了人们对噬菌体作为现代抗生素替代手段治疗传染病的重新关注（6）。几乎所有噬菌体研究都依赖于病毒的纯化与定量能力，即病毒滴度测定。1952年首次描述的噬菌斑实验（7）正是为实现这一目的而建立的方法。历经数十年及多项技术进步，噬菌斑实验至今仍是测定病毒滴度最可靠的方法之一（8）。 噬菌体通过将其遗传物质注入宿主细胞，劫持细胞内的合成机制以产生新的噬菌体颗粒，最终通过细胞裂解使宿主释放大量子代病毒颗粒。由于噬菌体体积微小，仅依靠光学显微镜无法观察；因此，必须使用扫描电子显微镜 (图1)。此外，噬菌体不能像细菌一样在营养琼脂平板上培养，因为它们需要宿主细胞作为寄生对象。

来源：Natalia Martin1，Andrew J. Van Alst1，Rhiannon M. LeVeque1 和 Victor J. DiRita1 1 密歇根州立大学微生物学与分子遗传学系 细菌能够通过一种称为水平基因转移的过程交换遗传物质（脱氧核糖核酸，DNA）。整合外源DNA为细菌提供了一种机制，使其能够获得新的遗传性状，从而适应不断变化的环境条件，例如抗生素或抗体的存在（1），或自然生境中发现的分子（2）。水平基因转移有三种机制：转化、转导和接合（3）。本文将重点介绍转化，即细菌从环境中摄取游离DNA的能力。在实验室中，转化过程通常包括四个基本步骤：1）制备感受态细胞，2）将感受态细胞与DNA共孵育，3）细胞恢复培养，以及4）涂布细胞以培养转化子（图1）。 图 1：转化过程的总体步骤。 转化过程包括四个基本步骤：1）感受态细胞的制备，2）与 DNA 共孵育，3）细胞恢复，以及 4）涂布细胞以培养转化子。

来源：Alexander S. Gold1，Tonya M. Colpitts1 1 微生物学系，波士顿大学医学院，国家新发传染病实验室，马萨诸塞州波士顿 接合转移最早由莱德伯格（Lederberg）和塔特姆（Tatum）于1946年发现，是一种依赖于两个细菌细胞之间直接物理接触的水平基因转移形式（1）。与其他基因转移方式（如转化或转导）不同，接合转移是一种自然发生的生物学过程，其特点是DNA以单向方式从供体细胞分泌至受体细胞。这种单向性以及该过程增加细菌遗传多样性的能力，使接合转移被称为细菌的“交配”形式，被认为在近年来耐药细菌数量上升中发挥了重要作用（2, 3）。通过施加选择压力（例如使用抗生素），接合转移已被改造并应用于实验室环境中，使其成为细菌间水平基因转移的有力工具，并在某些情况下可用于将基因从细菌转移至酵母、植物和动物细胞（4）。除了实验室应用外，细菌与真核生物之间的接合介导基因转移也是DNA转移的一个极具前景的研究方向，具有多种潜在的生物技术应用价值以及重要的自然生物学意义（5）。

来源：Alexander S. Gold1，Tonya M. Colpitts1 1 微生物学系，波士顿大学医学院，国家新发传染病实验室，马萨诸塞州波士顿 转导是一种通过噬菌体介导的细菌间基因交换形式，噬菌体（或称噬菌体）是一类专门感染原核生物的病毒。这种通过噬菌体将DNA从一个细菌转移到另一个细菌的方式，于1951年由Norton Zinder和Joshua Lederberg发现，他们将该过程命名为“转导”（1）。噬菌体最早于1915年由英国细菌学家Frederick Twort发现，随后在1917年又被法裔加拿大微生物学家Felix...