微生物资源的开发与利用

微生物资源的开发与利用摘要：微生物资源的开发利用前景将会在解决人类社会面临的人口剧增、资源匮乏、环境恶化问题和实现可持续发展等方面发挥不可替代的作用。本文综述了微生物资源以及其开发利用过程这两个方面。关键词：微生物资源，放线菌，开发，利用1.引言当今，人类的工业是建立在化石能源基础之上的，而其特点必然要导致大量不可再生资源的消耗，大量温室气体的排放以及伴随着生态环境的破坏。导致人类社会面临着人口剧增、资源匮乏、能源危机、环境恶化等一系列问题，而人类又要求不停的发展，解决这些问题的关键在于寻求一条可持续发展的道路。生物技术正在推动着以化石能源为基础的经济向以知识经济、循环经济为主的经济结构转型，是实现人类可持续发展的关键技术。因此大力发展生物技术对经济的发展以及人类社会的发展有着巨大而深远的影响，而作为生物技术的核心技术，微生物工程技术的发展将要涉及到微生物资源的开发与利用问题[1]。微生物资源利用的核心是在于利用其产生的生物活性物质，目前，微生物活性物质绝大部分来源于普通环境中的微生物，因此从普通环境微生物中寻找新的活性物质难度越来越大。新的基因有很大的可能产生新的生物活性物质，因此通过寻找新的基因来寻找新的生物活性物质。基于该思路，稀有放线菌、海洋微生物、极端环境微生物等过去很少触及的微生物资源已越来越受重视[2]。2.微生物资源2.1微生物资源的特点环境中存在着大量的微生物,据估计,每克土壤样品中可含有高达1000种不同的微生物[3],这些微生物产生多种多样的活性物质(包括酶与次生代谢产物两部分),对人类有实用意义的抗生素—青霉素、链霉素、抓霉素、金霉素、土霉素、红霉素、新霉家、万古霉素、庆大霉素等都是从微生物中发现并开发出来的;基因工程中各种工具酶几乎都来自多种不同的微生物[4]微生物是一类物种丰富的生物资源和基因资源，迄今为止我们所分离到的微生物主要有：真菌70000多种、细菌5000多种、放线菌3000多种。而这些人类所知道的微生物估计仅占自然界存在的微生物不到10%，而被利用的还不到1%。微生物具有很快的生长繁殖速度，有的细菌的时代时间仅仅20分钟，而且微生物可以再人工控制的条件下大规模培养，并且几乎不受地域、气候等条件的影响。相比于动、植物品种遗传基因结构，微生物的基因组小得多，基因拷贝数比较少，比较容易进行基因操作，微生物改良易于操作，改造性能、提高产率相对容易。微生物资源丰富，微生物资源的开发与利用不会导致微生物物种的减少和环境的破坏。部分动植物资源的不合理开发利用导致物种的减少甚至灭绝，造成严重的环境的恶化和污染问题，而微生物资源的开发利用不会存在此类问题。但我们必须注意到并引起重视的现实问题是由于环境的改变和恶化，如原始森林开发成旅游区等现象，造成的天然微生物的破坏，使得许多在该类环境中赖以生存的微生物在人类还没有认识它之前就悄悄灭绝了[1]。微生物资源是新抗菌剂的主要来源之一,然而即使采用先进的方法,绝大部分微生物也仍然不可培养、只能用分子指纹图谱来描述[5]。2.2稀有放线菌目前大部分生物活性物质来自链霉菌，所以从链霉菌中发现性的活性物质的几率已经大大降低。自20世纪50年代以来,已从部分稀有放线菌代谢产物中得到许多已经临床应用的重要活性物质,如红霉素B、利福霉素、庆大霉素、其它放线菌素类、安莎类、肽类、酶抑制剂等活性物质。尽管新的种、属不断被发现,但据估计,目前分离到的放线菌种类,仅为实际存在种类的0.1%~1%。因此,放线菌还有极其丰富多样的未知种群等待人们去发现[6]。如日本Takahashi等[7]报道,从不同的环境,利用特殊的分离方法分离到放线菌的新种、新属,并从这些放线菌发酵产物中得到许多新结构的活性物质。2.3海洋微生物海洋中蕴藏着巨大的微生物资源,据估计其数量可达0.1亿~2亿种。迄今为止,人类发现的微生物大约有150多万种,除了712万种存在于陆地外,其余都存在于海洋之中[8]。海洋微生物主要包括真核微生物(真菌、藻类和原虫)、原核微生物(海洋细菌、海洋放线菌和海洋蓝细菌等)和无细胞生物(病毒)[9]。海洋微生物因其独特的生存环境,能够产生许多陆地微生物所不能产生的活性物质,这对最终解决威胁着人类健康的许多重大疾病,如恶性肿瘤、糖尿病、艾滋病等具有重要的意义。海洋的面积占地球面积的71%。海洋独特的自然条件:高压、低营养、无光照、局部高温、高盐等,使得海洋微生物具有特殊的代谢途径和遗传背景,从而具有产生特殊结构和功能活性物质的能力。据研究发现,约27%的海洋微生物都能产生抗菌活性物质[10];从海洋真菌分离出的次级代谢产物70%~80%具有生物活性[11]。许多海洋微生物能产生新结构的活性物质。Koyama等[12]从一株未鉴定的海洋真菌中得到一种新的二萜:PhomactinH;Robert等[13]从海洋来源的真菌Aspergilluscarneus的代谢产物中分离到7种活性化合物,其中5种是新化合物。目前,在海洋微生物及其代谢产物中发现了许多特异、新颖、结构多样、陆地微生物很少产生的活性物质,有些物质的结构类型在陆生生物中从未发现过,因此海洋微生物成为又一个具有巨大开发潜力的天然药物宝库[13]。2.4极端环境微生物极端环境微生物能长期生长在高温、低温、极端高酸、高碱及高盐等极端特异环境中,必然有其独特的基因类型、特殊的生理机制,从而产生特殊的代谢产物。普遍认为,已知微生物资源的种类不过占实有种类的1%~10%。甚至有人认为不到0.1%,极端环境的微生物资源更是知之甚少,因此极端环境是发现未知微生物资源的理想之地[5]。近几十年来,极端环境微生物的研究受到广泛重视,通过对这些极端环境条件下的微生物的研究,发现了大量。这些未知新种属的发现为寻找新的活性物质提供了新的资源。随着各种技术、方法的改进和突破,将有更多的极端微生物新物种被发现,从而大大促进微生物药物的发展。2.5内生菌和黏细菌自20世纪70年代从短叶红豆杉树皮中分离出具有抗癌活性的化合物紫杉醇(世界上第一个年销售额超过10亿美元以上抗肿瘤药物[14])以来,内生真菌的分离及其代谢产物的研究普遍受到重视。内生真菌的代谢产物普遍具有一定的抗菌作用。而据估计植物内生真菌总数超过100万种,因此内生真菌资源极其丰富,是新型药物的一个重要来源。目前除紫杉醇外,从内生真菌中已分离到多种其他活性物质。如:从P.microspora分离到的抗真菌剂ambuicacid[15];从T.wilfordii中分离到的免疫抑制剂SubglutinolsA和B[16];从C.quercina分离到的肽类抗真菌剂cryptocandin,已被几家公司开发为治疗真菌引起的皮肤和指(趾)甲病制剂[14]。除内生真菌外,内生放线菌的研究也引起了研究者的极大兴趣,我国云南大学微生物研究所已率先进行了这方面的研究工作,目前工作进展顺利,相信这将为我国微生物药物开发出新的重要资源[2]。粘细菌在最近20多年中作为具有生物活性的天然产物的生产者,越来越受到重视,因其能产生各种有生物活性的新天然产物[17]。如由粘细菌纤维堆囊菌产生的聚酮类化合物埃波霉素(epothilone),有很好的抗微管解聚作用,有望成为继紫杉醇之后的抗肿瘤药物,目前这类化合物已在美国进行Ⅱ期临床试验;Kundim等[18]从粘细菌Cystobacterfuscus中分离到3种具有抗真菌活性的多烯酰胺类新物质。由于粘细菌来源的化合物只占微生物来源化合物总数的5%,因此它将成为越来越重要的天然小分子的产生者[17]。3.微生物资源的开发与利用3.1目的菌株的获得微生物资源开发与利用的核心问题就是千方百计地尽早找到所需的目的微生物，这是微生物开发利用成败的关键。生物工程的主体或核心部分是微生物工程，而微生物工程的核心是性能优良、高效的微生物菌株，再好的设想没有微生物这一主体也难以实现。因此，目的菌株的获得是微生物资源开发利用的第一步，也是最关键的一步。获得目的菌株的主要渠道包括：向菌种保藏机构购买、自行分离获得目的菌。目前国内外设立了许多微生物菌株的保藏机构，根据自己的开发意图，可以向有关菌株保藏机构购买实验菌株。自行分离寻找新的微生物是一项艰苦、细致的工作，建立准确、快速、简便的筛选模型，尽早淘汰非目的菌，加速筛选进程是微生物资源与利用的关键一步，筛选模型设计是微生物资源开发最活跃的领域，也是体现微生物工作者专业知识、实验技能以及头脑灵活性的一项工作，简便、有效的筛选方法，可以大大提高筛选获得目的微生物的几率。在筛选目的微生物的过程中，要注意一菌多筛问题，这不仅增加了菌种的利用率和入选率，更重要的是有可能找到用途更大的非目的菌。同时，要注重高通量筛选（Highthroughputscreening）、组合生化(CombinatorialBiochemistry)等新技术的使用，可以有效地提高工作效率和降低成本。[1]3.2知识产权的保护微生物资源开发与利用是竞争很激烈的领域，研究方案以及工作进展都是应该严格保密的内容，同时微生物资源开发包含重大的经济利益，也包含重大的投入和风险，为了保护自己的知识产权，在做好保密工作的同时，把握好申请专利的时机，及时申请专利是非常有必要的。3.3目的菌种的改良微生物资源的开发与利用在某种意义上讲是微生物天然功能在人工控制条件下，按照人的意志的重演和高效表达。通常获得的菌种目的物的产率都比较低，或者菌株的工艺性状有缺陷，如生长慢、斜面菌种的孢子少等等，需要对菌种进行改良。菌种改良的方法主要有传统的随机诱变法和基因工程手段等。传统的随机诱变法使菌种在理化因素处理以后发生基因突变，存优去劣，这是目前普遍采用的方法。尽管这种方法与基因工程技术相比存在很大的盲目性、工作量大等不足，但其容易实施，易见成效，目前对于工业微生物菌株改造而言，仍然是最有效的方法，当前发酵工业使用的优良的微生物菌株多数仍然是通过随机诱变手段获得的。另一种菌种的改良途径就是基因工程技术的应用，通过研究目的物基因的结构及基因调空、表达方式，进行基因重组，使之高效表达，达到改良菌种提高目的物产量的目的，基因工程技术育种更具有目的性。人们所以重视基因工程技术是因为它可以像工程设计一样，在基因水平上采用与工程设计十分类似的方法按照人类的需要进行设计，按设计方案创建出具有某种新的性状的微生物菌株，并能使之稳定地遗传给后代。技术人员在掌握菌株代谢特性的基础上，可以充分发挥自身的聪明才智，构建目的菌的遗传基因改造思路，这样就有效地提高了获得优良菌株的几率。目前基因工程技术已变成构建新型菌株的常规技术，在未来微生物资源开发与利用方面必将会发挥巨大的作用。3.4菌株培养的优化、放大实验及工程化优良的菌株性能是微生物工程技术的核心，而合理的培养基组成和控制条件是优良的菌株性能得以充分发挥的基础。微生物发酵过程是由一系列复杂的生物转化过程构成的，发酵过程机理复杂，受到众多因素的影响，目的产物的生产水平除受微生物菌株内部代谢机理、调控机制等影响外，还要受到外界环境(培养基组成、温度、pH值、溶解氧等)的影响。选育获得高产菌株以及菌株的生化特性确定以后，研究确定合理的培养基组成和适宜的发酵控制条件就成为实现规模化生产的关键。放大实验或中试是微生物资源开发研究中非常重要的一个环节，其主要目的就是对前期实验室结果在发酵罐体系中进行验证和进一步探索确定生产过程的控制参数，对工艺条件进行优化、调整，使控制参数更接近于生产实际。发酵技术的放大问题涉及到的因素很多，多数情况下并不是简单的容积放大问题，但归纳起来发酵过程放大主要包括发酵条件的研究与确定和设计满足这些过程条件的生物反应器两个基本问题[19]。微生物资源的开发利用工程化技术研究是决定其是否可以产业化的关键，工程化研究的主要原则是产业化过程中易于实现的原则，也就是实验室研究、放大实验研究结果在规模化生产中的再现，实施从原料到产品低成本、高效率生物转化的过程，主要包括产业化生产技术路线、装备及过程控制技术的确定等。4.总结人类大规模开发利用微生物资源的历史不长，