现代生物技术和化学分析技术在筛选药用微生物资源中的应用

●路则宝

现代生物技术和化学分析技术在筛选药用微生物资源中的应用

●路则宝

药用微生物主要包括放线菌、真菌和细菌等, 是一类可持续发展利用的天然资源。以现代生物技术 和化学分析技术为核心的现代高技术在药用微生物资源的研究开发领域内发挥着越来越重要的作用,各种“组学”研究技术、基因工程以及生物转化等技术已被广泛应用于药用微生物资源的筛选。本文就各种现代生物技术和化学分析技术在药用微生物资源筛选中的应用情况, 进行了综述并就其研究前景进行了初步的分析和预测。

药用微生物；生物技术；化学分析技术；筛选

人类对药用微生物的研究开发和利用已经持续了半个多世纪,而且新发现的药用微生物及其活性化合物的数量仍在稳步增长。药用微生物主要包括放线菌，真菌和细菌，其中从放线菌中所发现的活性化合物最多(约占70%)，其次分别为真菌(约占20%)和细菌(约占10%)。早期研究的放线菌绝大多数为链霉菌, 随着对微生物资源研究和利用的不断深入，人们对许多过去不常见的稀有放线菌、真菌也表现出了很大的兴趣并从中发现了许多新结构的活性化合物[1]。微生物作为一类重要的天然药用资源，曾经为人类的健康做出了巨大的贡献，近年来，随着现代生物技术和化学分析技术的飞速发展，人们设计了许多特异性的针对各种微生物的药用微生物筛选模型，使得从微生物中筛选新的药用微生物资源的研究又迎来了一个新的春天[2]。

1 现代生物技术在海洋药用微生物资源筛选中的应用

目前，对海洋微生物研究的焦点集中在极端微生物和共附生微生物的研究方面。现代生物技术在海洋微生物研究领域内的应用主要体现在利用各种分子标记技术、荧光原位杂交技术( FISH)以及系统进化分析手段等开展海洋微生物种质资源的鉴定以及利用宏基因组(Metagenomics)研究技术开展活性代谢产物的研究。宏基因组技术的出现与细菌人工染色体技术的发展以及环境难培养微生物研究的需要有关,是目前解决海洋难培养微生物天然活性成分的研究以及“药源”问题的一个重要途径。大量的研究显示：生物体内与某一代谢途径相关的功能基因往往以串联的形式排列在一起形成基因簇,利用一些限制性内切酶或通过超声等物理方法将环境中的微生物(如难以培养的微生物或难以分离单菌落的微生物群落等)的遗传物质DNA切成大小合适的DNA片段,并将它们连接到合适的载体上,然后转化到一些可培养的细菌(如:大肠杆菌、链霉菌或假单胞菌等)中,根据获得的功能进行筛选。宏基因组研究技术不仅有助于新化合物的发现和解决活性产物的生产问题,同时,也将有助于我们对一些重要功能基因的认识[3,4]。

2 现代生物技术在自然界中难分离培养微生物的分离和应用

由于在药用微生物的筛选过程中，长期使用传统的菌种分离和鉴定技术，结果导致大量缺乏明确鉴定的分离菌株被重复分离和使用，严重地影响着新的生物活性物质的筛选效率。近年来，国内外科学家为提高药用微生物的筛选效率，在利用人功能基因组和微生物基因组研究的成果改进或设计新的筛选系统的同时，正在开展从自然生态环境中选择性分离药用微生物的分离技术研究。现在国内外有些实验室采用在分离培养基中添加自然来源的抽提液,或加入一些特殊化合物,使其中处于Viable but non-culturable(VBNC)状态的微生物恢复其生长繁殖能力,从而得到分离。

近年来，直接从环境样品中提取混合微生物总基因组DNA，利用可培养的宿主细菌构建宏基因文库，通过筛选目的克隆，寻找活性代谢产物，取得瞩目进展。这种避开了传统的微生物的分离培养，采用了直接开发环境微生物功能基因的方法，能够最大限度的开发利用未培养或非可培养微生物的功能基因，直至获得这些基因的表达生产的次级代谢活性产物。该领域的迄今研究结果表明，自然界中非可培养微生物作为巨大基因文库是可以发掘利用的宝贵资源，通过基因工程手段从中寻找新的活性次级代谢产物是可行的[5]。

3 化学分析技术在筛选药用微生物资源中的应用

近年来应用于药用微生物资源筛选的化学分析技术主要有：滴定分析、氧化还原滴定法、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、原子发射分光光度法、X射线荧光光谱分析、电位分析等技术。而且相信新的化学分析技术还将不断应用于筛选药用微生物资源

4 现代生物技术和化学分析技术在筛选药用微生物资源中的研究展望

综合上述分析,可以看出,目前生物技术和化学分析技术在药用微生物资源开发中的应用主要集中在药用微生物的分类、鉴定、微生物的培养、天然活性成分的分离纯化和生产以及重要功能基因和蛋白质的研究方面,并分别在上述领域内取得了一定的进展。但是,药用微生物资源的开发毕竟是一个系统工程,利用各种现代生物技术的组装和集成对药用微生物资源进行合理利用以实现可持续发展已成为国际社会的共识。大量的研究已证明天然活性成分的产生和蓄积并不是孤立的事件,它们在很大程度上受到环境因素的影响,为提高药物筛选和研制的效率,有必要整合药用微生物的基因、蛋白质、代谢产物以及环境因子的相关研究数据,为新化合物的筛选以及化合物新活性的研究提供理论指导。

（作者单位：楚雄医药高等专科学校）

[1]姜成林, 徐丽华编.微生物资源开发利用[M].北京: 中国轻工业出版社,2001.

[2]张华等.药用微生物资源[J].微生物学通报,2004,31(2):152-153.

[3]叶波平等.现代生物技术在海洋药用生物资源开发中的应用[J].中国天然药物,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]许晓妍等.宏基因技术在开拓天然产物新资源中的应用[J].微生物学通报,2005,32(1):108-102.

路则宝(1980～)，男,硕士研究生,讲师，研究方向为微生物与免疫学。

资助课题：云南省教育厅科学研究基金指导性项目，项目编号：2017ZDX003。