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(xì)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(guān)鍵詞：微生物資源，放線菌，開發(fā)，利用引言當(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)境惡化等一系列問題，而人類又要求不停的發(fā)展，解決這些問題的關(guān)鍵在于尋求一條可持續(xù)發(fā)展的道路。生物技術(shù)正在推動著以化石能源為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)向以知識經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)為主的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，是實現(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)對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類社會的發(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)，因此通過尋找新的基因來尋找新的生物活性物質(zhì)?；谠撍悸?，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(jù)估計,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(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(xì)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?、氣候等條件的影響。相比于動、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)率相對容易。微生物資源豐富，微生物資源的開發(fā)與利用不會導(dǎo)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(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(rèn)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(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描述[5]。2.2稀有放線菌目前大部分生物活性物質(zhì)來自鏈霉菌，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,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,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?nèi)グl(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(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藏著巨大的微生物資源,據(jù)估計其數(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(xì)菌、海洋放線菌和海洋藍(lán)細(xì)菌等)和無細(xì)胞生物(病毒)[9]。海洋微生物因其獨特的生存環(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(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(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,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(jī)制,從而產(chǎn)生特殊的代謝產(chǎn)物。普遍認(rèn)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(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,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(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(世界上第一個年銷售額超過10億美元以上抗腫瘤藥物[14])以來,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)估計植物內(nèi)生真菌總數(shù)超過100萬種,因此內(nèi)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(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(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進(jìn)行Ⅱ期臨床試驗;Kundim等[18]從粘細(xì)菌Cystobacterfuscus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(chǎn)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(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)購買、自行分離獲得目的菌。目前國內(nèi)外設(shè)立了許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)購買實驗菌株。自行分離尋找新的微生物是一項艱苦、細(xì)致的工作，建立準(zhǔn)確、快速、簡便的篩選模型，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、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(shù)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(chǎn)權(quán)的保護(hù)微生物資源開發(fā)與利用是競爭很激烈的領(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，為了保護(hù)自己的知識產(chǎn)權(quán)，在做好保密工作的同時，把握好申請專利的時機(jī)，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(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，如生長慢、斜面菌種的孢子少等等，需要對菌種進(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(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術(shù)是因為它可以像工程設(shè)計一樣，在基因水平上采用與工程設(shè)計十分類似的方法按照人類的需要進(jìn)行設(shè)計，按設(shè)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(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(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)酵過程是由一系列復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過程構(gòu)成的，發(fā)酵過程機(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現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)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(jié)果在發(fā)酵罐體系中進(jìn)行驗證和進(jìn)一步探索確定生產(chǎn)過程的控制參數(shù)，對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，使控制參數(shù)更接近于生產(chǎn)實際。發(fā)酵技術(shù)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(shè)計滿足這些過程條件的生物反應(yīng)器兩個基本問題[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(jié)果在規(guī)模化生產(chǎn)中的再現(xiàn)，實施從原料到產(chǎn)品低成本、高效率生物轉(zhuǎn)化的過程，主要包括產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)路線、裝備及過程控制技術(shù)的確定等。總結(jié)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(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)利用前景將會無法估量，微生物藥物、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(xiàn)［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(jìn)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(zhì)篩選的新途徑[J].微生物學(xué)通報,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,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(xué)與生物技術(shù)[M].北京:科學(xué)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(xué)通報,2003,30(3):113-114.［9］相建海.海洋生物學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.［10］劉雪莉,錢伯初.日本海洋天然活性物質(zhì)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(zhì)研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)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