微生物資源的開發(fā)與利用資料

1、微生物資源的開發(fā)與利用摘要： 微生物資源的開發(fā)利用前景將會(huì)在解決人類社會(huì)面臨的人口劇增、資源匱乏、 環(huán)境惡化問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮不可替代的作用。 本文綜述了微生物資源以 及其開發(fā)利用過(guò)程這兩個(gè)方面。關(guān)鍵詞： 微生物資源，放線菌，開發(fā)，利用1. 引言當(dāng)今，人類的工業(yè)是建立在化石能源基礎(chǔ)之上的，而其特點(diǎn)必然要導(dǎo)致大量不 可再生資源的消耗，大量溫室氣體的排放以及伴隨著生態(tài)環(huán)境的破壞。導(dǎo)致人類社 會(huì)面臨著人口劇增、資源匱乏、能源危機(jī)、環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題，而人類又要求 不停的發(fā)展，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于尋求一條可持續(xù)發(fā)展的道路。生物技術(shù)正在推動(dòng)著以化石能源為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)向以知識(shí)經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)為

2、主的 經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。因此大力發(fā)展生物技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展以及人類社會(huì)的發(fā)展有著巨大而深遠(yuǎn)的影響，而作為生物技術(shù)的核心技術(shù)， 微生物工程技術(shù)的發(fā)展將要涉及到微生物資源的開發(fā)與利用問(wèn)題 1 。微生物資源利用的核心是在于利用其產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)，目前，微生物活性 物質(zhì)絕大部分來(lái)源于普通環(huán)境中的微生物，因此從普通環(huán)境微生物中尋找新的活性 物質(zhì)難度越來(lái)越大。新的基因有很大的可能產(chǎn)生新的生物活性物質(zhì)，因此通過(guò)尋找 新的基因來(lái)尋找新的生物活性物質(zhì)。基于該思路，稀有放線菌、海洋微生物、極端 環(huán)境微生物等過(guò)去很少觸及的微生物資源已越來(lái)越受重視 2 。2. 微生物資源2.1 微生物資

3、源的特點(diǎn)環(huán)境中存在著大量的微生物 , 據(jù)估計(jì) , 每克土壤樣品中可含有高達(dá) 1000種不同 的微生物 3, 這些微生物產(chǎn)生多種多樣的活性物質(zhì) （包括酶與次生代謝產(chǎn)物兩部分 ） ,對(duì)人類有實(shí)用意義的抗生素青霉素、鏈霉素、抓霉素、金霉素、土霉素、紅霉素、新霉家、萬(wàn)古霉素、慶大霉素等都是從微生物中發(fā)現(xiàn)并開發(fā)出來(lái)的 ; 基因工程中各 種工具酶幾乎都來(lái)自多種不同的微生物 4微生物是一類物種豐富的生物資源和基因資源，迄今為止我們所分離到的微生物主要有：真菌 70000多種、細(xì)菌 5000 多種、放線菌 3000多種。而這些人類所知 道的微生物估計(jì)僅占自然界存在的微生物不到 10%，而被利用的還不到 1%。

4、微生物具有很快的生長(zhǎng)繁殖速度，有的細(xì)菌的時(shí)代時(shí)間僅僅 20 分鐘，而且微生 物可以再人工控制的條件下大規(guī)模培養(yǎng)，并且?guī)缀醪皇艿赜颉夂虻葪l件的影響。相比于動(dòng)、植物品種遺傳基因結(jié)構(gòu)，微生物的基因組小得多，基因拷貝數(shù)比較 少，比較容易進(jìn)行基因操作，微生物改良易于操作，改造性能、提高產(chǎn)率相對(duì)容易。微生物資源豐富，微生物資源的開發(fā)與利用不會(huì)導(dǎo)致微生物物種的減少和環(huán)境 的破壞。部分動(dòng)植物資源的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致物種的減少甚至滅絕，造成嚴(yán)重的 環(huán)境的惡化和污染問(wèn)題，而微生物資源的開發(fā)利用不會(huì)存在此類問(wèn)題。但我們必須 注意到并引起重視的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是由于環(huán)境的改變和惡化，如原始森林開發(fā)成旅游區(qū) 等現(xiàn)象，造成的天

5、然微生物的破壞，使得許多在該類環(huán)境中賴以生存的微生物在人 類還沒有認(rèn)識(shí)它之前就悄悄滅絕了 1 。微生物資源是新抗菌劑的主要來(lái)源之一 , 然而即使采用先進(jìn)的方法 , 絕大部分 微生物也仍然不可培養(yǎng)、只能用分子指紋圖譜來(lái)描述 5 。2.2 稀有放線菌目前大部分生物活性物質(zhì)來(lái)自鏈霉菌，所以從鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)性的活性物質(zhì)的幾 率已經(jīng)大大降低。自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái) , 已從部分稀有放線菌代謝產(chǎn)物中得到許 多已經(jīng)臨床應(yīng)用的重要活性物質(zhì)，如紅霉素B、利福霉素、慶大霉素、其它放線菌素 類、安莎類、肽類、酶抑制劑等活性物質(zhì)。盡管新的種、屬不斷被發(fā)現(xiàn) , 但據(jù)估計(jì) , 目前分離到的放線菌種類 , 僅為實(shí)際

6、存在種類的 0.1%1%。因此 , 放線菌還有極其豐富多樣的未知種群等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn) 6 。如日本 Takahashi 等7 報(bào)道, 從不同的環(huán)境 , 利用特殊的分離方法分離到放線 菌的新種、新屬 , 并從這些放線菌發(fā)酵產(chǎn)物中得到許多新結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)。2.3 海洋微生物海洋中蘊(yùn)藏著巨大的微生物資源 , 據(jù)估計(jì)其數(shù)量可達(dá) 0.1億 2億種。迄今為止 , 人類發(fā)現(xiàn)的微生物大約有 150 多萬(wàn)種 , 除了 712 萬(wàn)種存在于陸地外 , 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、藻類和原蟲 ） 、原核微生物 （ 海 洋細(xì)菌、海洋放線菌和海洋藍(lán)細(xì)菌等 ） 和無(wú)細(xì)胞生物 （ 病毒

7、） 9 。海洋微生物因其 獨(dú)特的生存環(huán)境 , 能夠產(chǎn)生許多陸地微生物所不能產(chǎn)生的活性物質(zhì) , 這對(duì)最終解決 威脅著人類健康的許多重大疾病 , 如惡性腫瘤、糖尿病、艾滋病等具有重要的意義。海洋的面積占地球面積的 71% 。海洋獨(dú)特的自然條件 : 高壓、低營(yíng)養(yǎng)、無(wú)光照、 局部高溫、高鹽等 , 使得海洋微生物具有特殊的代謝途徑和遺傳背景 , 從而具有產(chǎn) 生特殊結(jié)構(gòu)和功能活性物質(zhì)的能力。據(jù)研究發(fā)現(xiàn) , 約 27%的海洋微生物都能產(chǎn)生抗 菌活性物質(zhì)10; 從海洋真菌分離出的次級(jí)代謝產(chǎn)物 70% 80% 具有生物活性 11 。許 多海洋微生物能產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)。 Koyama 等12 從一株未鑒定的海

8、洋真菌中得 到一種新的二萜 : Phomactin H; Robert 等13 從海洋來(lái)源的真菌 Aspergillus carneus 的代謝產(chǎn)物中分離到 7 種活性化合物 , 其中 5 種是新化合物。 目前 , 在海洋微生物 及其代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了許多特異、新穎、結(jié)構(gòu)多樣、陸地微生物很少產(chǎn)生的活性物 質(zhì), 有些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)類型在陸生生物中從未發(fā)現(xiàn)過(guò) , 因此海洋微生物成為又一個(gè)具 有巨大開發(fā)潛力的天然藥物寶庫(kù) 13 。2.4 極端環(huán)境微生物 極端環(huán)境微生物能長(zhǎng)期生長(zhǎng)在高溫、低溫、極端高酸、高堿及高鹽等極端特異 環(huán)境中 , 必然有其獨(dú)特的基因類型、特殊的生理機(jī)制 , 從而產(chǎn)生特殊的代謝產(chǎn)物。 普

9、遍認(rèn)為 , 已知微生物資源的種類不過(guò)占實(shí)有種類的 1% 10%。甚至有人認(rèn)為不到 0.1%, 極端環(huán)境的微生物資源更是知之甚少 , 因此極端環(huán)境是發(fā)現(xiàn)未知微生物資源 的理想之地 5 。近幾十年來(lái) , 極端環(huán)境微生物的研究受到廣泛重視 , 通過(guò)對(duì)這些極端環(huán)境條件下的微生物的研究 , 發(fā)現(xiàn)了大量。這些未知新種屬的發(fā)現(xiàn)為尋找新的活性物質(zhì)提供 了新的資源。隨著各種技術(shù)、方法的改進(jìn)和突破 , 將有更多的極端微生物新物種被 發(fā)現(xiàn) , 從而大大促進(jìn)微生物藥物的發(fā)展。2.5 內(nèi)生菌和黏細(xì)菌自 20 世紀(jì) 70 年代從短葉紅豆杉樹皮中分離出具有抗癌活性的化合物紫杉醇 （ 世界上第一個(gè)年銷售額超過(guò) 10 億美元以

10、上抗腫瘤藥物 14） 以來(lái), 內(nèi)生真菌的分 離及其代謝產(chǎn)物的研究普遍受到重視。內(nèi)生真菌的代謝產(chǎn)物普遍具有一定的抗菌作用。而據(jù)估計(jì)植物內(nèi)生真菌總數(shù)超 過(guò) 100 萬(wàn)種 , 因此內(nèi)生真菌資源極其豐富 , 是新型藥物的一個(gè)重要來(lái)源。目前除紫 杉醇外, 從內(nèi)生真菌中已分離到多種其他活性物質(zhì)。 如: 從 P.microspora 分離到的 抗真菌劑 ambuic acid 15 ; 從 T. wilfordii 中分離到的免疫抑制劑 Subglutinols A 和 B16 ; 從 C.quercina 分離到的肽類抗真菌劑 cryptocandin, 已被幾家公司開發(fā) 為治療真菌引起的皮膚和指 （ 趾

11、） 甲病制劑 14 。除內(nèi)生真菌外 , 內(nèi)生放線菌的研究 也引起了研究者的極大興趣 , 我國(guó)云南大學(xué)微生物研究所已率先進(jìn)行了這方面的研 究工作 , 目前工作進(jìn)展順利 , 相信這將為我國(guó)微生物藥物開發(fā)出新的重要資源 2。粘細(xì)菌在最近 20 多年中作為具有生物活性的天然產(chǎn)物的生產(chǎn)者 , 越來(lái)越受到重 視, 因其能產(chǎn)生各種有生物活性的新天然產(chǎn)物 17 。如由粘細(xì)菌纖維堆囊菌產(chǎn)生的聚 酮類化合物埃波霉素 （ epothilone） ,有很好的抗微管解聚作用 , 有望成為繼紫杉醇之后的抗腫瘤藥物,目前這類化合物已在美國(guó)進(jìn)行U期臨床試驗(yàn)；Kundim等18從 粘細(xì)菌 Cystobacter fuscus

12、中分離到 3 種具有抗真菌活性的多烯酰胺類新物質(zhì)。由 于粘細(xì)菌來(lái)源的化合物只占微生物來(lái)源化合物總數(shù)的 5%, 因此它將成為越來(lái)越重要 的天然小分子的產(chǎn)生者 17。3. 微生物資源的開發(fā)與利用3.1 目的菌株的獲得微生物資源開發(fā)與利用的核心問(wèn)題就是千方百計(jì)地盡早找到所需的目的微生物，這是微生物開發(fā)利用成敗的關(guān)鍵。生物工程的主體或核心部分是微生物工程， 而微生物工程的核心是性能優(yōu)良、高效的微生物菌株，再好的設(shè)想沒有微生物這一 主體也難以實(shí)現(xiàn)。因此，目的菌株的獲得是微生物資源開發(fā)利用的第一步，也是最 關(guān)鍵的一步。獲得目的菌株的主要渠道包括：向菌種保藏機(jī)構(gòu)購(gòu)買、自行分離獲得目的菌。 目前國(guó)內(nèi)外設(shè)立了許

13、多微生物菌株的保藏機(jī)構(gòu)，根據(jù)自己的開發(fā)意圖，可以向有關(guān) 菌株保藏機(jī)構(gòu)購(gòu)買實(shí)驗(yàn)菌株。自行分離尋找新的微生物是一項(xiàng)艱苦、細(xì)致的工作， 建立準(zhǔn)確、快速、簡(jiǎn)便的篩選模型，盡早淘汰非目的菌，加速篩選進(jìn)程是微生物資 源與利用的關(guān)鍵一步，篩選模型設(shè)計(jì)是微生物資源開發(fā)最活躍的領(lǐng)域，也是體現(xiàn)微 生物工作者專業(yè)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能以及頭腦靈活性的一項(xiàng)工作，簡(jiǎn)便、有效的篩選方 法，可以大大提高篩選獲得目的微生物的幾率。等新在篩選目的微生物的過(guò)程中，要注意一菌多篩問(wèn)題，這不僅增加了菌種的利用 率和入選率，更重要的是有可能找到用途更大的非目的菌。同時(shí)，要注重高通量篩 選( High throughput screening

14、)、組合生化 (Combinatorial Biochemistry) 技術(shù)的使用，可以有效地提高工作效率和降低成本。 13.2 知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)微生物資源開發(fā)與利用是競(jìng)爭(zhēng)很激烈的領(lǐng)域，研究方案以及工作進(jìn)展都是應(yīng)該 嚴(yán)格保密的內(nèi)容，同時(shí)微生物資源開發(fā)包含重大的經(jīng)濟(jì)利益，也包含重大的投入和 風(fēng)險(xiǎn)，為了保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在做好保密工作的同時(shí)，把握好申請(qǐng)專利的時(shí)機(jī)， 及時(shí)申請(qǐng)專利是非常有必要的。3.3 目的菌種的改良微生物資源的開發(fā)與利用在某種意義上講是微生物天然功能在人工控制條件 下，按照人的意志的重演和高效表達(dá)。通常獲得的菌種目的物的產(chǎn)率都比較低，或 者菌株的工藝性狀有缺陷，如生長(zhǎng)慢、斜面菌種的

15、孢子少等等，需要對(duì)菌種進(jìn)行改 良。菌種改良的方法主要有傳統(tǒng)的隨機(jī)誘變法和基因工程手段等。傳統(tǒng)的隨機(jī)誘變 法使菌種在理化因素處理以后發(fā)生基因突變，存優(yōu)去劣，這是目前普遍采用的方法。 盡管這種方法與基因工程技術(shù)相比存在很大的盲目性、工作量大等不足，但其容易 實(shí)施，易見成效，目前對(duì)于工業(yè)微生物菌株改造而言，仍然是最有效的方法，當(dāng)前 發(fā)酵工業(yè)使用的優(yōu)良的微生物菌株多數(shù)仍然是通過(guò)隨機(jī)誘變手段獲得的。另一種菌種的改良途徑就是基因工程技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)研究目的物基因的結(jié)構(gòu) 及基因調(diào)空、表達(dá)方式，進(jìn)行基因重組，使之高效表達(dá)，達(dá)到改良菌種提高目的物 產(chǎn)量的目的，基因工程技術(shù)育種更具有目的性。人們所以重視基因工程技

16、術(shù)是因?yàn)?它可以像工程設(shè)計(jì)一樣，在基因水平上采用與工程設(shè)計(jì)十分類似的方法按照人類的 需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，按設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建出具有某種新的性狀的微生物菌株，并能使之穩(wěn)定 地遺傳給后代。技術(shù)人員在掌握菌株代謝特性的基礎(chǔ)上，可以充分發(fā)揮自身的聰明 才智，構(gòu)建目的菌的遺傳基因改造思路，這樣就有效地提高了獲得優(yōu)良菌株的幾率。 目前基因工程技術(shù)已變成構(gòu)建新型菌株的常規(guī)技術(shù)，在未來(lái)微生物資源開發(fā)與利用 方面必將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。3.4 菌株培養(yǎng)的優(yōu)化、放大實(shí)驗(yàn)及工程化優(yōu)良的菌株性能是微生物工程技術(shù)的核心，而合理的培養(yǎng)基組成和控制條件是 優(yōu)良的菌株性能得以充分發(fā)揮的基礎(chǔ)。微生物發(fā)酵過(guò)程是由一系列復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化 過(guò)程構(gòu)成

17、的，發(fā)酵過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，受到眾多因素的影響，目的產(chǎn)物的生產(chǎn)水平除受 微生物菌株內(nèi)部代謝機(jī)理、調(diào)控機(jī)制等影響外，還要受到外界環(huán)境 （ 培養(yǎng)基組成、溫 度、pH值、溶解氧等）的影響。選育獲得高產(chǎn)菌株以及菌株的生化特性確定以后，研 究確定合理的培養(yǎng)基組成和適宜的發(fā)酵控制條件就成為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵。放大實(shí)驗(yàn)或中試是微生物資源開發(fā)研究中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要目的就 是對(duì)前期實(shí)驗(yàn)室結(jié)果在發(fā)酵罐體系中進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步探索確定生產(chǎn)過(guò)程的控制參 數(shù)，對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，使控制參數(shù)更接近于生產(chǎn)實(shí)際。發(fā)酵技術(shù)的放大 問(wèn)題涉及到的因素很多，多數(shù)情況下并不是簡(jiǎn)單的容積放大問(wèn)題，但歸納起來(lái)發(fā)酵 過(guò)程放大主要包

18、括發(fā)酵條件的研究與確定和設(shè)計(jì)滿足這些過(guò)程條件的生物反應(yīng)器兩 個(gè)基本問(wèn)題 19 。微生物資源的開發(fā)利用工程化技術(shù)研究是決定其是否可以產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，工程 化研究的主要原則是產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中易于實(shí)現(xiàn)的原則，也就是實(shí)驗(yàn)室研究、放大實(shí)驗(yàn) 研究結(jié)果在規(guī)?；a(chǎn)中的再現(xiàn)，實(shí)施從原料到產(chǎn)品低成本、高效率生物轉(zhuǎn)化的過(guò) 程，主要包括產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)路線、裝備及過(guò)程控制技術(shù)的確定等。4. 總結(jié)人類大規(guī)模開發(fā)利用微生物資源的歷史不長(zhǎng)，但已取得了令人矚目的成果，微 生物資源開發(fā)利用的潛力仍然很大，前景十分廣闊，任務(wù)也相當(dāng)艱巨。隨著微生物 資源開發(fā)與利用研究的不斷深入和新技術(shù)的發(fā)展，微生物資源的開發(fā)利用前景將會(huì) 無(wú)法估量，微生

19、物藥物、微生物新型代謝產(chǎn)物、微生物治理環(huán)境污染等領(lǐng)域的發(fā)展， 在解決人類社會(huì)面臨的人口劇增、資源匱乏、環(huán)境惡化問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面 必將發(fā)揮不可替代的作用。參考文獻(xiàn)1 劉建軍 . 淺談微生物資源的開發(fā)與利用問(wèn)題 J .山東食品發(fā)酵 .2012,116:3-7.2 張炳火，方 亮，李漢全等 . 微生物資源研究開發(fā)進(jìn)展 J . 國(guó)外醫(yī)藥抗生素分 冊(cè).2006,27(4):233-235.3 閻冰 , 洪葵, 許云, 等.宏基因組克隆微生物活性物質(zhì)篩選的新途徑 J .微生物學(xué)通報(bào)2005 ,32 (1 ) :113-117.4 周德慶 . 微生物學(xué)教程 M . 北京: 高等教育出版社 , 199

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