周静-海洋放线菌

海洋放线菌：天然产物探索和开发的新机遇周静2008.05.21要点：引言海洋生物开发的基本概述海洋放线菌研究概述生物开发机遇的最大化技术的革新正确认识机遇结论及未来展望§1引言目前对抗生素的需求迫切，而其最终来源仍是天然产物。从微生物及其代谢产物的巨大多样性来看，在开发生物活性天然产物新能源时，必须对海洋环境机遇相当关注。最近的新型化合物和最优备选药物的报告，以及对本土海洋放线菌的分类鉴定，都产生了令人欣喜的结果。这些细菌具有产生可供开发的天然产物的无与伦比的能力。放线菌概述细菌界——放线菌门——放线菌纲——各类亚纲/目常见于土壤中，能分解纤维素和几丁质；另有一些寄居在动植物体内是很重要的次级代谢产物制造者代表种：放线菌、节杆菌、棒杆菌、弗兰克氏菌、微球菌、小单孢菌、分枝杆菌、丙酸杆菌、诺卡氏菌、链霉菌典型代表：链霉菌§2海洋生物开发的基本概述天然产物放线菌海洋环境关键要素种种误解：天然产物开发和微生物系统学类同集邮新型微生物天然产物的探寻过程费时费力，收效甚微化学合成药物比天然产物更好对其成功开发具有重要意义对其成功开发具有重要意义SalinosporamideA最近的研究已证实确实存在海洋放线菌。这对于将其作为海洋天然产物开发的目标十分关键。随着海洋微生物学研究和发展的加快，越来越多的新的放线菌代谢产物将得以描述。其中一些现已进入临床试验阶段。如SalinosporamideA已于发现后的3年内进入Ⅰ期临床试验。由于海水的稀释效应会降低天然产物的浓度，一种低剂量协同筛选策略能为之提供一种新的毒性天然产物的开发方法。§3海洋放线菌研究概述海洋微生物学在一些国家发展势头强劲。其发展重点清楚定位于生物活性化合物的开发。目前，通过16srRNA系统发生多样性的研究结果和新的培养方式的建立，在深海沉积物中已发现超过1300种放线菌，人们预计其中很大一部分是新的种类。主要有：Salinispora(小单孢菌属),Demequina(微球菌属)其他一些仍待正式分类学描述的：Marinispora,Solwaraspora,Lamerjespora从有效的生物开发角度看，许多问题值得重申和更新。取样海域的深浅与否与假设有关该假设认为：浅层海域的取样的情况受制于陆地地表径流来源的菌株的情况但目前以在表层海水中发现许多新的属(Serinicoccus,Demequina)人们普遍认为放线菌在很大意义上与海洋沉积物有关，或是存在于无脊椎动物共生体中。而浮游生物式的生存方式相当少见。但最近的研究确发现某些放线菌会对深海对流或病毒的作用敏感。因此我们还需更全面地理解海洋动力学和海洋生物学。在海洋放线菌生物地理学方面仍存在问题。总的来说，大量研究均支持自由存在的微生物的生物地理分布的假说。同时认为这种空间分布多样性反映了环境选择。但总之，过去几年来我们已在分离海洋沉积物来源的放线菌方面取得了长足进步。（图1）§4生物开发机遇的最大化能否成功地从自然环境中分离出新的放线菌，在很大程度上取决于是否对所说的特定环境进行了全面把握。例如：定居的微生物可能的生物学情况是什么？它们与其他群落成员间的关系如何？§4.1生态生理学尽管系统发生学和宏基因组学的优势均有利于生物开发，微生物的分离和培养仍是关键目标。有3种培养方式值得特别关注：对因过度稀释（导致的环境样本几乎被消除）的培养条件的改进对过低营养物浓度的培养条件的改进对病毒数量过少的培养条件的改进对因过度稀释（导致的环境样本几乎被消除）的培养条件的改进使用微胶囊化细胞，并向其中灌注模拟天然成分的培养基（如海水、沉积物等）。此法可使来自于同一样本的104份分离产物得以再现。对过低营养物浓度的培养条件的改进涉及多次向海产琼脂上或向无菌海水稀释液中压加(pressing)干燥的沉积物。显著特色就是通过延长培养时间使生长较慢的细菌能得以检测到。对病毒数量过少的培养条件的改进病毒感染为培养假设的数量较少的放线菌种群提供了更多机会。研究表明，对病毒的控制可从广义上操控，而非局限在毒力的菌株水平上。§4.2本土性如果我们能够对深海放线菌的某些或全部特征进行界定，将会产生更高的分离功效。尽管对Na+的需求和对营养缺乏底物的浓度、低温和较高压力等生长所需条件的需求或耐受力都为本土性提供了初步证据。但还没有任何针对有关深海放线菌的假设进行的系统实验。另外还需建立一种原位生长活性或代谢活性的证明。而对此的生理学理解能够产生针对更多深海放线菌的更为精确的仿生学或微观方法。§4.3共生已知细菌与海绵、海苔癣虫、海洋被囊动物和海参间存在协作。所产的光化产物很可能是其共生细菌的次级代谢产物。而海绵共生体系已日益引起关注。已报道的大堡礁海绵中分离的Salinispora菌株的中发现了与产利福霉素B的Amycolatopsis具有高度保守但有各具特色的基因。提示这是用于重组合成抗生素的有利体系。§5技术的革新技术的进步增强了科学家的开发能力。主要体现在一下几个方面：§5.1生物信息学生物信息学及组成它的各学科元素为我们走进天然产物开发创造了一个范例式的转变。分类学数据只是化学多样性提供了前瞻性路线图。而16srRNA系统发生远近关系的三维显示结果则惊人的说明了在未知放线菌分类学领域仍有巨大发展空间。对16srRNA及其他诊断基因的大规模测序的前景将使获得更具代表性的新型海洋放线菌成为可能。这种能力对于发现数量稀少的海洋微生物，包括放线菌尤为重要。§5.2代谢产物特征分析另一个问题在于怎样将基因表达放大以发现新的代谢产物。很清楚的一点是，必须有一种针对海洋放线菌合成的天然产物的更为系统的、生态驱动的研究。已经使用带二极管阵列检测器的高压液相质谱发分析代谢产物的特征。可选的分析技术包括：质谱法和核磁共振(NMR)法。后者可提供更佳的信息证据。最近，由差异双向NMR谱阵列技术衍生的方法为其在新型化合物检测方面提供了重要的支持。§5.3基因组学以前人们认为上述稀少的微生物会在处理过程中损失。基因组学技术的运用有力更正了这一错误。其推动性作用在于区分未知的与生物合成有关的基因簇。它们具有表型沉默，却能在非标准发酵条件下或基因操作条件下或二者兼而有之时被激活。基因组扫描的实用性和高效性可通过与发酵实验的对比得以说明：当用传统的发酵工艺筛选60种放线菌菌种时，检得65种天然产物同样情况下基因组扫描却显示有近700个与天然产物合成有关的基因簇，其中就包括合成这65种化合物的基因。机器人平台技术和自动筛选技术——为基因组大规模筛选提供补充和完善群落自动采集和分离技术联合高产基因组消除复制技术——产生分类学上独特的放线菌文库微阵列技术——能够大量筛选感兴趣基因载玻片技术——能够在发酵之前建立起具有目的基因的菌株的次级文库PCR和测序技术大规模发酵过程中的理化筛查技术基因敲除体外重组同位素遗传分析法对未知的与生物合成有关的基因簇的鉴定§6正确认识机遇技术性问题非技术性问题生物多样性对培养基依赖与否的关系筛选基因组学人员培训投资对海洋放线菌和整个天然产物开发领域共同产生影响§7结论及未来展望天然产物研究和海洋放线菌的开发前景是乐观的：了不起的技术设备的出现，且目前已可得以使用对海洋生物学的理解日益深刻，只是发展还较慢已发现大量天然产物并各有广泛应用（如生物催化剂、生物材料、农业化学试剂等）但仍需不断探索和努力。