微生物资源的开发与利用讲解学习
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: Phomactin H; Robert等[13]从海洋来源的真菌Aspergillus carneus 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ambuic acid[15]; 从T. wilfordii中分离到的免疫抑制剂Subglutinols A 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Cystobacter fuscus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