海洋微生物天然活性物质的开发应用进展
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微生物学杂志2002年3月第22卷第2期 JOURNAL OF MICROBIOLO GY Mar. 2002Vol. 22No. 2
・综 述・
海洋微生物天然活性物质的开发应用进展
周世水, 姚汝华
(华南理工大学食品与生物工程学院, 广东广州 510641)
摘 要 综合课题研究和国内外文献资料报道概括了海洋微生物及其天然活性物质的开发和应用现状、海洋微生
物天然活性物质的研究开发方法及其开发和应用前景。关键词 海洋微生物; 天然活性物质; 筛选方法中图分类号 Q939. 9 文献标识码 A 文章编号 1005-7021(2002) 02-0042-02
随着陆栖微生物在抗生素、酶、酶抑制剂、多糖等生物活性物质方面的大量开发和应用, 通过寻找新种属的微生物或特殊性状的微生物来开发新型微生物天然活性物质的难度越来越大。于是人们在最近几年把目光转向具有更大开发前景的海洋微生物—海洋药物的重要资源[1]。海洋面积不仅占地球面积的70%, 而且其区域环境具有多样性和特殊性, 高盐、高压、低温、低营养和无光照等特殊区域生态环境共同造就了海洋微生物种类的丰富多样性和特殊性。这不仅使海洋微生物普遍具备耐盐和液化琼脂的能力, 而且具有独特的代谢途径和遗传背景及产生有特殊结构和功能的活性物质, 天然活性物质的巨大来源, 究发现约27%质[2]。
海泥中筛选到一链霉菌亚种S. rutgersensis subsp.
Gulangyunensis 经发酵提取获得, 它对绿脓杆菌和
G -菌有较强抑制活性[4]。而海神霉素Istamycins 由海泥中的链霉菌S. tenji m ariensis 产生, 它具有
1 海洋微生物天然活性物质的开发和
应用现状
海洋微生物天然活性物质的开发应用已取得许多成果, 且主要体现在药物的开发应用方面。首先在抗菌药物方面最成功的例子是头孢霉素, 它是1945年从意大利的撒丁岛分离到的1株顶头孢霉菌所产生, 经不断开发现已到第4代达30多个品种上市, 目前仍广泛应用于临床。日本的冈见氏报道从日本相模湾的浅海泥中分离出的链霉菌SS 220, 培养后提取得到无色结晶抗菌素Aplasmomycin , 对G +菌有强烈抑制作用, 体内试验可抑制疟原虫, 对动物毒性也较小。同时还得到Aplasmomycin B , 它具有抗菌活性和离子输送能力。冈崎氏报道从日本相模湾的浅海泥中分离到钦氏菌能产生抗菌素SS 2228Y , 可抑制G +菌、小鼠艾氏腹水癌和多巴胺β2羟化酶[2]。冈见吉郎从Tenjin 岛的近海中分离到1株放线菌, 经培养能产生抗菌物质[3]。中国方金瑞等首次报道从海洋微生物的1株嗜碱海洋链霉菌2B 中分离到广谱抗菌素丁酰杆菌素和抗G +菌的脂溶性物质[1]。郑志成等报道在厦门地区分离到1株链球菌, 命名为厦海链霉菌S t reptom yces xiahaien 2S 21129。从厦门鼓浪屿附近的
强烈抑制革兰氏阳性、阴性细菌的活性[5]。海洋微生物天然活性物质在抗癌药物开发和应用方面已成为当前的研究重点。自1996年Burkholder 从海洋假单胞菌分离得到具抗癌作用的抗生素硝吡咯菌素Pyrolintrin 开始, 直到1998, 以期得um 的海洋细菌Uligi 2Marinactan , 具有增强免疫活性、促进体液免疫和细胞免疫功能, 还能抑制动物移植肿瘤, 与化疗药物在抗肿瘤方面协同作用, 已作为治疗肿瘤的佐剂上市。从日本海北部3000多m 深的海泥中分离到1株海洋细菌A l 2terom anas Haloplanktis , 在一定条件下培养能产生抑制肿瘤细胞的离子载体类代谢产物[3]。K. Custafson 等从海洋细菌中分离得到大环内酯类化合物Maclolactins , Trichoharzin , 具有抗肿瘤、抗病毒、抗菌等性能。从海洋粘球菌Chondrom yces 中发现一类新型缩酚酸肽Chondramides A ～D , 对多种人类瘤细胞有极强的细胞毒性[6]。而Brill G erwick 研究组最近从加勒比海真菌L yngbra m aj uscula 中分得Curacin A , 它是一种有抗肿瘤和有丝分裂潜力的药物[5]。从海洋生物共生菌中分离得到的海洋微生物天然活性物质, 很多具有极好的药用价值。东京大学的研究人员发现河豚毒素TTX 是由生长在鱼内脏器官的单胞菌属的海洋细菌产生, 并且可培养海洋细菌生产河豚毒素TTX 。同样海葵毒素Ap 2A ,Ap 2B 、石房蛤毒素Saxitoxin 等也都是由相应的海洋微生物产生。从虾卵的共生菌中分离出具有明显抗真菌作用的抗生素Istatin 。在佛罗里达曾从一种水母体内分离到一种海洋细菌, 适当培养可产生新抗生素Salinamide A ,B [7]。可见海洋生物中存在大量的海洋微生物天然活性物质, 它为有目地研究寻找新型天然活性物质提供了一条有效的途径。
收稿日期:2001-06-21作者简介:周世水 男, 在读博士。现从事微生物及其代谢产物的研究开发工作。
2期 周世水等:海洋微生物天然活性物质的开发应用进展
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从海洋微生物中得到的具有保健功能的天然活性物质也成为人们寻找有助于健康长寿活性物质的主要来源。报道海生真菌可发酵生产二十碳五烯酸EPA 和二十二碳六烯酸DHA 等多价不饱和脂肪酸, 主要有破囊壶菌Thraustochyt ri um 和裂殖壶菌
[8]
Sohizochyt ri um 。利用单细胞杜氏盐藻Dunaliel 2la sali na 生产β2胡萝卜素, 含量和产量都大幅度提高, 海洋真菌也能发酵生产β2胡萝卜素。1996年上海有机化学所从大亚湾分离到细菌Pseudomonas SP 的代谢产物灵菌红素Prodigiosin , 可用作色素或抗菌素。Shimizu 实验室则培养海洋细菌提取生产虾青素Astaxantin [9], 既可用作色素又具有抗氧化、抗肿瘤和增强免疫的作用。海洋极端微生物在开发天然活性物质方面也引起研究人员的高度重视。由于海洋极端微生物长期生活在极端环境下而有特殊的适应机制, 可从中分离得到有特殊功能的活性物质, 如极端酶的研究开发, 已经在科研生产中广泛使用, 并取得可喜成果。极端条件下微生物机理的研究对微生物菌种选育、改良和培养工艺等的创新同样具有重要理论价值。
总之, 巨大成绩, , 以Screening Methods ) 进行筛选。但不同实验室或公
司都有其保密的具体筛选方法。美国Cyanamid 公司的研究人员运用独特分子筛选技术, 对从世界各地采集的海洋微生物进行测试, 以找到有抗菌、抗病毒或抗癌征兆或作为治疗心血管、神经系统疾病苗头的药物。日本Sankyo 公司利用细菌发酵培养寻找抗细菌和抗真菌药物, 得到许多有药用前景的活性物质。中山大学用其筛选方法从海洋真菌中分离到一批有药效的活性物质, 如获国家自然科学基金的海洋放线菌ZS110环二肽, 并做进一步深入研究以开发成新药。2. 2 与现代生物技术相结合, 实现海洋微生物天然活性物质开发生产的产业化
对于筛选到含有活性物质的微生物还存在有效成分含量低、难分泌到胞外、培养生物量低、培养难度大等问题, 这都限制了海洋微生物天然活性物质生产的工业化和临床应用。、细胞工程, 可实。特别是利用基因工程对原微生物菌株的改良或将天然活性物质的基因克隆到其它易于培养、生长繁殖迅速或代谢物易分泌到胞外的微生物, 如常用陆生酵母菌、枯草杆菌、大肠杆菌等进行表达、合成和发酵培养, 以提高天然活性物质的含量和产量, 大大降低生产成本。利用细胞工程可实现不同种属生物间的融合杂交, 从而改良菌种来提高活性物质含量或增强分泌而简化提取工艺, 从而大量生产所需天然活性物质。利用微生物发酵技术的成熟工艺、后处理工艺、分离纯化技术及高度自动化生物反应器等实现海洋微生物天然活性物质生产的工业化并不断降低生产成本, 加速从研究开发到产品化过程。
2 海洋微生物天然活性物质的开发
方法
2. 1 海洋微生物及海洋微生物天然活性物质的分
离筛选方法
海洋微生物天然活性物质的筛选首先是海洋微生物的分离筛选。由于海洋微生物的来源分为海水、海泥和海砂中的微生物; 鲜活鱼虾的组织或消化道中共生的微生物; 鲨鱼、多毛类生物体表的微生物等。筛选时不仅要考虑到海洋微生物的多种来源, 而且还要考虑到微生物的种类, 如细菌、真菌或放线菌等, 以及微生物的特定生长环境, 如高盐、高压、低温、高温、低营养等。因此需要有一套有效的快速培养筛选方法, 福建海洋研究所的海洋微生物培养筛选方法和技术便很成功[10]。由于产生特定活性物质的微生物是从海洋的不同区域、环境中采集的大量微生物菌株样品中筛选出来, 这需要做大量工作才有可能得到有价值的菌株。筛选通常采用活性引导型方法来寻找天然活性物质, 即在研究之前先明确研究目标物质的活性是什么, 市场有多大, 竞争对手如何, 筛选成功可能性有多大等主要投入产出问题。研究常用快捷有效的自动化高通量药物筛选方法(HTS ) 或快速分子筛选方法(Rapid Molecular
3 海洋微生物天然活性物质的开发和
应用展望
随着人类社会的发展、环境的变迁和科学技术的进步, 人类疾病谱也在发生明显的变化, 各种新老疑难病症正严重威胁着人类的健康和生存。为寻求治疗或预防疾病的各类新型特效药物或天然活性物质, 人们不得不将研究开发重点转向海洋。在最近十几年虽已发现约5000种新的海洋天然活性物质, 但也只详细研究了1500多种海洋微生物的活性代谢物, 海洋中还存在上百万种海洋微生物等待进一步深入研究开发。
海洋中大量至今未被研究开发的新种属微生物
(下转52页)
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微 生 物 学 杂 志 22卷
表3 哈夫尼亚菌液体作添加剂投喂鳜鱼鱼苗试验
Table3 The life rate of fry of Sinipera chuatsi with Ameromonas used as additive to chum
试验组成活率/%
时间/d
[***********][***********][***********]473828对照组成活率/%
3 分 析
结果1说明哈夫尼亚菌在鳜鱼肠道中是一种优势菌, 而气单胞菌是劣势菌, 假单胞菌属与链球菌属
[1] 郑永标. 罗非鱼肠道有益菌的分离及其作饵料添加剂的效果观
察初报[J].福建农业科技,1999, (6) :6.[2] 俞大绂, 李季伦, 等. 微生物学[M ].北京:科学出版社,1985,91
～92.
在上述两种菌属之间。拮抗试验的结果2表明, 哈夫尼亚菌与气单胞菌之间存在拮抗作用, 哈夫尼亚菌能抑制气单胞菌的生长, 哈夫尼亚菌可能分泌一种抗生素, 该抗生素对气单胞菌的繁殖有一定的抑制作用。结果3说明哈夫尼亚菌是肠道有益菌, 能够使鱼苗微生态趋于平衡, 即鳜鱼鱼苗肠道微生态平衡时, 哈夫尼亚菌应占绝对优势, 微生态平衡的鱼苗存活率高; 气单胞菌占优势时, 肠道微生态平衡被破坏, 气单胞菌由微生态平衡时的正常菌变成了致病菌。本实验尚需在上述两种菌种的鉴定和两种菌的代谢物方面做进一步研究, 还需对鱼苗肠道中其它菌在肠道微生态中的地位作进一步分析。
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1997,64,72,83,93～96,132,142,149～150,184.
参 考 文 献
MICR OBIAL 2ECOSYSTEM REGU LATION IN FR Y INTESTINE OF Sinopera chuatsi Zhao Qingxin
(Dept. of Biol. Yancheng Teacher ’s Univ. Yancheng 224001)
Abstract Haf nia and Aeromonas were found in fry intestine of of aerobic and fac 2
ultative anaerobic microbes was done. The amount of Haf nia was 4. 8×g , for 2. 3×105cfu/g. Antagonistic experiments showed that Haf nia had a certain . Haf nia and Aeromonas were added into chum as additive and fed the fry. nia adding chum increased from 18%to 33%～40%, while the survival rate of fry 2from 18%to 2%～4%.
K eyw ords fry of , 2ecosystem regulation.
(上接43页)
, 由于存在产生大量新型天然活性物质的潜力及相应研究开发工作尚处于初级阶段, 因此近几年许多国家的实验室、研究所都加强了对此领域的深入研究开发工作。日本在海洋微生物药物开发方面处于领先地位, 现已取得一批很有药用前景的活性物质, 其中一些已进入临床试验和试用阶段。可喜的是在各国政府对海洋微生物天然活性物质的开发进行投资的同时, 许多医药保健企业(包括中国的企业) 也投入大量资金进行研究开发, 这更加快了多种新型特效海洋微生物活性物质
研究开发的步伐, 以期取得更多具药效的新型天然活性物质。海洋微生物天然活性物质具有结构上的多样性、含量的微量性、生产提取成本高等开发难点。导致现代生物技术、生化技术、临床医学等多学科的介入和联合重点攻关, 加速了在鉴定天然活性物质化学结构、提高活性成分含量、缩短培养周期、简化提高纯化工艺和降低生产成本等方面的协同发展。加之产学研一体化在我国的初步形成和发展, 促进了海洋微生物天然活性物质的开发、生产和应用崭新局面的形成。
参 考 文 献
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ADVANCE IN DEVE LOPMENT AN D APPL ICATION OF NATURAL ACTIVE
SUBSTANCES FR OM MARINE MICR OBES
Zhou Shishui et al.
(Coll. of Food Eng. &Biotech. South China Univ. of Technol. Guangzhou 510641)
Abstract Current development , application , studying methods , and perspective of natural active substances from marine mi 2crobes were summarized from current studies and references from both home and abroad.
K eyw ords marine microorganisms , natural active substances , screening methods.