微生物資源的開發(fā)與利用

微生物資源的開發(fā)與利用微生物資源的開發(fā)與利用微生物資源的開發(fā)與利用V:1.0精細整理，僅供參考微生物資源的開發(fā)與利用日期：20xx年X月微生物資源的開發(fā)與利用摘要：微生物資源的開發(fā)利用前景將會在解決人類社會面臨的人口劇增、資源匱乏、環(huán)境惡化問題和實現(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)利用過程這兩個方面。關鍵詞：微生物資源，放線菌，開發(fā)，利用引言當今，人類的工業(yè)是建立在化石能源基礎之上的，而其特點必然要導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。導致人類社會面臨著人口劇增、資源匱乏、能源危機、環(huán)境惡化等一系列問題，而人類又要求不停的發(fā)展，解決這些問題的關鍵在于尋求一條可持續(xù)發(fā)展的道路。生物技術正在推動著以化石能源為基礎的經濟向以知識經濟、循環(huán)經濟為主的經濟結構轉型，是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的關鍵技術。因此大力發(fā)展生物技術對經濟的發(fā)展以及人類社會的發(fā)展有著巨大而深遠的影響，而作為生物技術的核心技術，微生物工程技術的發(fā)展將要涉及到微生物資源的開發(fā)與利用問題[1]。微生物資源利用的核心是在于利用其產生的生物活性物質，目前，微生物活性物質絕大部分來源于普通環(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難度越來越大。新的基因有很大的可能產生新的生物活性物質，因此通過尋找新的基因來尋找新的生物活性物質。基于該思路，稀有放線菌、海洋微生物、極端環(huán)境微生物等過去很少觸及的微生物資源已越來越受重視[2]。微生物資源2.1微生物資源的特點環(huán)境中存在著大量的微生物,據估計,每克土壤樣品中可含有高達1000種不同的微生物[3],這些微生物產生多種多樣的活性物質(包括酶與次生代謝產物兩部分),對人類有實用意義的抗生素—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)出來的;基因工程中各種工具酶幾乎都來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、細菌5000多種、放線菌3000多種。而這些人類所知道的微生物估計僅占自然界存在的微生物不到10%，而被利用的還不到1%。微生物具有很快的生長繁殖速度，有的細菌的時代時間僅僅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、植物品種遺傳基因結構，微生物的基因組小得多，基因拷貝數(shù)比較少，比較容易進行基因操作，微生物改良易于操作，改造性能、提高產率相對容易。微生物資源豐富，微生物資源的開發(fā)與利用不會導致微生物物種的減少和環(huán)境的破壞。部分動植物資源的不合理開發(fā)利用導致物種的減少甚至滅絕，造成嚴重的環(huán)境的惡化和污染問題，而微生物資源的開發(fā)利用不會存在此類問題。但我們必須注意到并引起重視的現(xiàn)實問題是由于環(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識它之前就悄悄滅絕了[1]。微生物資源是新抗菌劑的主要來源之一,然而即使采用先進的方法,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描述[5]。2.2稀有放線菌目前大部分生物活性物質來自鏈霉菌，所以從鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)性的活性物質的幾率已經大大降低。自20世紀50年代以來,已從部分稀有放線菌代謝產物中得到許多已經臨床應用的重要活性物質,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。盡管新的種、屬不斷被發(fā)現(xiàn),但據估計,目前分離到的放線菌種類,僅為實際存在種類的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去發(fā)現(xiàn)[6]。如日本Takahashi等[7]報道,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)酵產物中得到許多新結構的活性物質。2.3海洋微生物海洋中蘊藏著巨大的微生物資源,據估計其數(shù)量可達0.1億~2億種。迄今為止,人類發(fā)現(xiàn)的微生物大約有150多萬種,除了712萬種存在于陸地外,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(海洋細菌、海洋放線菌和海洋藍細菌等)和無細胞生物(病毒)[9]。海洋微生物因其獨特的生存環(huán)境,能夠產生許多陸地微生物所不能產生的活性物質,這對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%。海洋獨特的自然條件:高壓、低營養(yǎng)、無光照、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,從而具有產生特殊結構和功能活性物質的能力。據研究發(fā)現(xiàn),約27%的海洋微生物都能產生抗菌活性物質[10];從海洋真菌分離出的次級代謝產物70%~80%具有生物活性[11]。許多海洋微生物能產生新結構的活性物質。Koyama等[12]從一株未鑒定的海洋真菌中得到一種新的二萜:PhomactinH;Robert等[13]從海洋來源的真菌Aspergilluscarneus的代謝產物中分離到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物中發(fā)現(xiàn)了許多特異、新穎、結構多樣、陸地微生物很少產生的活性物質,有些物質的結構類型在陸生生物中從未發(fā)現(xiàn)過,因此海洋微生物成為又一個具有巨大開發(fā)潛力的天然藥物寶庫[13]。2.4極端環(huán)境微生物極端環(huán)境微生物能長期生長在高溫、低溫、極端高酸、高堿及高鹽等極端特異環(huán)境中,必然有其獨特的基因類型、特殊的生理機制,從而產生特殊的代謝產物。普遍認為,已知微生物資源的種類不過占實有種類的1%~10%。甚至有人認為不到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,極端環(huán)境微生物的研究受到廣泛重視,通過對這些極端環(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提供了新的資源。隨著各種技術、方法的改進和突破,將有更多的極端微生物新物種被發(fā)現(xiàn),從而大大促進微生物藥物的發(fā)展。2.5內生菌和黏細菌自20世紀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(世界上第一個年銷售額超過10億美元以上抗腫瘤藥物[14])以來,內生真菌的分離及其代謝產物的研究普遍受到重視。內生真菌的代謝產物普遍具有一定的抗菌作用。而據估計植物內生真菌總數(shù)超過100萬種,因此內生真菌資源極其豐富,是新型藥物的一個重要來源。目前除紫杉醇外,從內生真菌中已分離到多種其他活性物質。如:從P.microspora分離到的抗真菌劑ambuicacid[15];從T.wilfordii中分離到的免疫抑制劑SubglutinolsA和B[16];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)甲病制劑[14]。除內生真菌外,內生放線菌的研究也引起了研究者的極大興趣,我國云南大學微生物研究所已率先進行了這方面的研究工作,目前工作進展順利,相信這將為我國微生物藥物開發(fā)出新的重要資源[2]。粘細菌在最近20多年中作為具有生物活性的天然產物的生產者,越來越受到重視,因其能產生各種有生物活性的新天然產物[17]。如由粘細菌纖維堆囊菌產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進行Ⅱ期臨床試驗;Kundim等[18]從粘細菌Cystobacterfuscus中分離到3種具有抗真菌活性的多烯酰胺類新物質。由于粘細菌來源的化合物只占微生物來源化合物總數(shù)的5%,因此它將成為越來越重要的天然小分子的產生者[17]。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)與利用的核心問題就是千方百計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，再好的設想沒有微生物這一主體也難以實現(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，也是最關鍵的一步。獲得目的菌株的主要渠道包括：向菌種保藏機構購買、自行分離獲得目的菌。目前國內外設立了許多微生物菌株的保藏機構，根據自己的開發(fā)意圖，可以向有關菌株保藏機構購買實驗菌株。自行分離尋找新的微生物是一項艱苦、細致的工作，建立準確、快速、簡便的篩選模型，盡早淘汰非目的菌，加速篩選進程是微生物資源與利用的關鍵一步，篩選模型設計是微生物資源開發(fā)最活躍的領域，也是體現(xiàn)微生物工作者專業(yè)知識、實驗技能以及頭腦靈活性的一項工作，簡便、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。在篩選目的微生物的過程中，要注意一菌多篩問題，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，要注重高通量篩選（Highthroughputscreening）、組合生化(CombinatorialBiochemistry)等新技術的使用，可以有效地提高工作效率和降低成本。[1]3.2知識產權的保護微生物資源開發(fā)與利用是競爭很激烈的領域，研究方案以及工作進展都是應該嚴格保密的內容，同時微生物資源開發(fā)包含重大的經濟利益，也包含重大的投入和風險，為了保護自己的知識產權，在做好保密工作的同時，把握好申請專利的時機，及時申請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。通常獲得的菌種目的物的產率都比較低，或者菌株的工藝性狀有缺陷，如生長慢、斜面菌種的孢子少等等，需要對菌種進行改良。菌種改良的方法主要有傳統(tǒng)的隨機誘變法和基因工程手段等。傳統(tǒng)的隨機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相比存在很大的盲目性、工作量大等不足，但其容易實施，易見成效，目前對于工業(yè)微生物菌株改造而言，仍然是最有效的方法，當前發(fā)酵工業(yè)使用的優(yōu)良的微生物菌株多數(shù)仍然是通過隨機誘變手段獲得的。另一種菌種的改良途徑就是基因工程技術的應用，通過研究目的物基因的結構及基因調空、表達方式，進行基因重組，使之高效表達，達到改良菌種提高目的物產量的目的，基因工程技術育種更具有目的性。人們所以重視基因工程技術是因為它可以像工程設計一樣，在基因水平上采用與工程設計十分類似的方法按照人類的需要進行設計，按設計方案創(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。技術人員在掌握菌株代謝特性的基礎上，可以充分發(fā)揮自身的聰明才智，構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。目前基因工程技術已變成構建新型菌株的常規(guī)技術，在未來微生物資源開發(fā)與利用方面必將會發(fā)揮巨大的作用。菌株培養(yǎng)的優(yōu)化、放大實驗及工程化優(yōu)良的菌株性能是微生物工程技術的核心，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。微生物發(fā)酵過程是由一系列復雜的生物轉化過程構成的，發(fā)酵過程機理復雜，受到眾多因素的影響，目的產物的生產水平除受微生物菌株內部代謝機理、調控機制等影響外，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現(xiàn)規(guī)?；a的關鍵。放大實驗或中試是微生物資源開發(fā)研究中非常重要的一個環(huán)節(jié)，其主要目的就是對前期實驗室結果在發(fā)酵罐體系中進行驗證和進一步探索確定生產過程的控制參數(shù)，對工藝條件進行優(yōu)化、調整，使控制參數(shù)更接近于生產實際。發(fā)酵技術的放大問題涉及到的因素很多，多數(shù)情況下并不是簡單的容積放大問題，但歸納起來發(fā)酵過程放大主要包括發(fā)酵條件的研究與確定和設計滿足這些過程條件的生物反應器兩個基本問題[19]。微生物資源的開發(fā)利用工程化技術研究是決定其是否可以產業(yè)化的關鍵，工程化研究的主要原則是產業(yè)化過程中易于實現(xiàn)的原則，也就是實驗室研究、放大實驗研究結果在規(guī)模化生產中的再現(xiàn)，實施從原料到產品低成本、高效率生物轉化的過程，主要包括產業(yè)化生產技術路線、裝備及過程控制技術的確定等?？偨Y人類大規(guī)模開發(fā)利用微生物資源的歷史不長，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，任務也相當艱巨。隨著微生物資源開發(fā)與利用研究的不斷深入和新技術的發(fā)展，微生物資源的開發(fā)利用前景將會無法估量，微生物藥物、微生物新型代謝產物、微生物治理環(huán)境污染等領域的發(fā)展，在解決人類社會面臨的人口劇增、資源匱乏、環(huán)境惡化問題和實現(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［1］劉建軍.淺談微生物資源的開發(fā)與利用問題[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)進展[J].國外醫(yī)藥抗生素分冊.2006,27(4):233-235.［3］閻冰,洪葵,許云,等.宏基因組克隆—微生物活性物質篩選的新途徑[J].微生物學通報,2005,32(1):113-117.［4］周德慶.微生物學教程[M].北京:高等教育出版社,1993:6-8.［5］KellerM,ZenglerK.Tappingintomicrobialdiversity[J].NatRevMicroBiol,2004,2:141-150.［6］劉志恒,姜成林.放線菌現(xiàn)代生物學與生物技術[M].北京:科學出版社,2004,244.［7］TakahashiY,OmuraS.Isolationofnewactinomycetestrainsforthescreeningofnewbioactivecompounds[J].JGenApplMicrobiol,2003,49(3):141-154.［8］李艷華,張利平.海洋微生物資源的開發(fā)與利用[J].微生物學通報,2003,30(3):113-114.［9］相建海.海洋生物學[M].北京:科學出版社,2003.［10］劉雪莉,錢伯初.日本海洋天然活性物質研究簡況[J].中國海洋藥物,1997,61(1):45-49.［11］劉全永,胡江春,薛德林.海洋微生物生物活性物質研究[J].應用生態(tài)學報,2002,13(7):901-905.［12］KoyamaK,IshinoM,TakatoriK,etal.PhomactinH,anovelditerpenefromanunidentifiedmarine-derivedfungus[J].TetrahedronLett,2004,45:6947-6948.［13］RobertJ,CaponA,ColinSA,etal.AspergillicinsA-E:fivenoveldepsipeptidesfromthemarinederivedfungusAspergilluscarneus[J].OrgBiomolChem,2003,1:1856-1862.［14］StrobelGA.Endophytesassourcesofbioactiveproducts[J].MicrobInfect,2003,5:535-544.［15］LiJY,HarperJK,GrantDM,etal.Ambuicacid,ahighlyfunctionalizedcyclohexenonewithantigungalactivityfromPestalotiopsisspp.andMonochaetiasp[J].Phytochemistry,2001,56(5):463-468.［16］LeeJ,LobkovskyE,Pliam