現代生物技術和化學分析技術在篩選藥用微生物資源中的應用

●路則寶

現代生物技術和化學分析技術在篩選藥用微生物資源中的應用

●路則寶

藥用微生物主要包括放線菌、真菌和細菌等, 是一類可持續發展利用的天然資源。以現代生物技術 和化學分析技術為核心的現代高技術在藥用微生物資源的研究開發領域內發揮著越來越重要的作用,各種“組學”研究技術、基因工程以及生物轉化等技術已被廣泛應用于藥用微生物資源的篩選。本文就各種現代生物技術和化學分析技術在藥用微生物資源篩選中的應用情況, 進行了綜述并就其研究前景進行了初步的分析和預測。

藥用微生物；生物技術；化學分析技術；篩選

人類對藥用微生物的研究開發和利用已經持續了半個多世紀,而且新發現的藥用微生物及其活性化合物的數量仍在穩步增長。藥用微生物主要包括放線菌，真菌和細菌，其中從放線菌中所發現的活性化合物最多(約占70%)，其次分別為真菌(約占20%)和細菌(約占10%)。早期研究的放線菌絕大多數為鏈霉菌, 隨著對微生物資源研究和利用的不斷深入，人們對許多過去不常見的稀有放線菌、真菌也表現出了很大的興趣并從中發現了許多新結構的活性化合物[1]。微生物作為一類重要的天然藥用資源，曾經為人類的健康做出了巨大的貢獻，近年來，隨著現代生物技術和化學分析技術的飛速發展，人們設計了許多特異性的針對各種微生物的藥用微生物篩選模型，使得從微生物中篩選新的藥用微生物資源的研究又迎來了一個新的春天[2]。

1 現代生物技術在海洋藥用微生物資源篩選中的應用

目前，對海洋微生物研究的焦點集中在極端微生物和共附生微生物的研究方面。現代生物技術在海洋微生物研究領域內的應用主要體現在利用各種分子標記技術、熒光原位雜交技術( FISH)以及系統進化分析手段等開展海洋微生物種質資源的鑒定以及利用宏基因組(Metagenomics)研究技術開展活性代謝產物的研究。宏基因組技術的出現與細菌人工染色體技術的發展以及環境難培養微生物研究的需要有關,是目前解決海洋難培養微生物天然活性成分的研究以及“藥源”問題的一個重要途徑。大量的研究顯示：生物體內與某一代謝途徑相關的功能基因往往以串聯的形式排列在一起形成基因簇,利用一些限制性內切酶或通過超聲等物理方法將環境中的微生物(如難以培養的微生物或難以分離單菌落的微生物群落等)的遺傳物質DNA切成大小合適的DNA片段,并將它們連接到合適的載體上,然后轉化到一些可培養的細菌(如:大腸桿菌、鏈霉菌或假單胞菌等)中,根據獲得的功能進行篩選。宏基因組研究技術不僅有助于新化合物的發現和解決活性產物的生產問題,同時,也將有助于我們對一些重要功能基因的認識[3,4]。

2 現代生物技術在自然界中難分離培養微生物的分離和應用

由于在藥用微生物的篩選過程中，長期使用傳統的菌種分離和鑒定技術，結果導致大量缺乏明確鑒定的分離菌株被重復分離和使用，嚴重地影響著新的生物活性物質的篩選效率。近年來，國內外科學家為提高藥用微生物的篩選效率，在利用人功能基因組和微生物基因組研究的成果改進或設計新的篩選系統的同時，正在開展從自然生態環境中選擇性分離藥用微生物的分離技術研究。現在國內外有些實驗室采用在分離培養基中添加自然來源的抽提液,或加入一些特殊化合物,使其中處于Viable but non-culturable(VBNC)狀態的微生物恢復其生長繁殖能力,從而得到分離。

近年來，直接從環境樣品中提取混合微生物總基因組DNA，利用可培養的宿主細菌構建宏基因文庫，通過篩選目的克隆，尋找活性代謝產物，取得矚目進展。這種避開了傳統的微生物的分離培養，采用了直接開發環境微生物功能基因的方法，能夠最大限度的開發利用未培養或非可培養微生物的功能基因，直至獲得這些基因的表達生產的次級代謝活性產物。該領域的迄今研究結果表明，自然界中非可培養微生物作為巨大基因文庫是可以發掘利用的寶貴資源，通過基因工程手段從中尋找新的活性次級代謝產物是可行的[5]。

3 化學分析技術在篩選藥用微生物資源中的應用

近年來應用于藥用微生物資源篩選的化學分析技術主要有：滴定分析、氧化還原滴定法、重量分析法、和沉淀滴定法、分光光度法、原子吸收分光光度法、原子發射分光光度法、X射線熒光光譜分析、電位分析等技術。而且相信新的化學分析技術還將不斷應用于篩選藥用微生物資源

4 現代生物技術和化學分析技術在篩選藥用微生物資源中的研究展望

綜合上述分析,可以看出,目前生物技術和化學分析技術在藥用微生物資源開發中的應用主要集中在藥用微生物的分類、鑒定、微生物的培養、天然活性成分的分離純化和生產以及重要功能基因和蛋白質的研究方面,并分別在上述領域內取得了一定的進展。但是,藥用微生物資源的開發畢竟是一個系統工程,利用各種現代生物技術的組裝和集成對藥用微生物資源進行合理利用以實現可持續發展已成為國際社會的共識。大量的研究已證明天然活性成分的產生和蓄積并不是孤立的事件,它們在很大程度上受到環境因素的影響,為提高藥物篩選和研制的效率,有必要整合藥用微生物的基因、蛋白質、代謝產物以及環境因子的相關研究數據,為新化合物的篩選以及化合物新活性的研究提供理論指導。

（作者單位：楚雄醫藥高等專科學校）

[1]姜成林, 徐麗華編.微生物資源開發利用[M].北京: 中國輕工業出版社,2001.

[2]張華等.藥用微生物資源[J].微生物學通報,2004,31(2):152-153.

[3]葉波平等.現代生物技術在海洋藥用生物資源開發中的應用[J].中國天然藥物,2006,1(4):5-9.

[4]Schirmer A , Gadkari R , Reeves CD , etal . Metagenomic Analysis Reveals Diverse Polyketide Synthase Gene Clusters in Microorganisms Associated with the Marine Sponge Discodermia dissoluta [J] . Appl Environ Microbiol , 2005 ,71 :4840-4849。

[5]許曉妍等.宏基因技術在開拓天然產物新資源中的應用[J].微生物學通報,2005,32(1):108-102.

路則寶(1980～)，男,碩士研究生,講師，研究方向為微生物與免疫學。

資助課題：云南省教育廳科學研究基金指導性項目，項目編號：2017ZDX003。