1、第二章、微生物資源及其開發(fā)利用,應(yīng)用微生物學(xué)-2,本章內(nèi)容,微生物資源的定義及其特點(diǎn) 微生物資源開發(fā)的基本程序 微生物資源開發(fā)的專利申請(qǐng) 資源微生物的特殊要求 資源微生物的研究方向,2.1 微生物資源的定義及其特點(diǎn),生物資源的權(quán)威定義（生物多樣性公約）：對(duì)人類具有實(shí)際或潛在用途、價(jià)值的遺傳資源、生物體或其部分、生物群體或生態(tài)系統(tǒng)中任何其他生物組成部分。 生物資源三大支柱：動(dòng)物、植物、微生物，而微生物資源是一類與動(dòng)植物資源不同、生產(chǎn)特性優(yōu)越、開發(fā)前景廣闊的生物資源。,微生物資源的特點(diǎn)：,（1）對(duì)其發(fā)現(xiàn)較晚，僅300年而已； （2）形體較小，代謝類型多樣化，生長(zhǎng)繁殖速度驚人； （3）變異性大； （

2、4）種源豐富，未知者眾； （5）對(duì)其開發(fā)研究比動(dòng)植物晚很多，但取得了極其輝煌的成就。,2.2 微生物資源開發(fā)的基本程序,總體設(shè)計(jì)： 找出目的菌：核心問題。 效果試驗(yàn) 申請(qǐng)專利 菌種改良及發(fā)酵工藝研究產(chǎn)品報(bào)批 產(chǎn)品生產(chǎn) 市場(chǎng)開發(fā),總體設(shè)計(jì)：,總體設(shè)計(jì)是微生物資源開發(fā)利用的首要任務(wù)，核心是市場(chǎng)。 市場(chǎng)又是活的，既要考慮現(xiàn)有市場(chǎng)，也要分析潛在市場(chǎng)，更要分析競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和自己的市場(chǎng)開拓能力。,總體設(shè)計(jì)還包括開發(fā)的策略，自己的工作基礎(chǔ)，已具備的條件，自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，合作伙伴的力量及誠(chéng)信度，投資大小、投資周期及風(fēng)險(xiǎn)等。 微生物資源開發(fā)往往需要合作伙伴，如果有力量互補(bǔ)、誠(chéng)信度高的國(guó)內(nèi)外合作伙伴參與，必然對(duì)開發(fā)

3、大有益處。為了使合作更富成效，訂立一項(xiàng)分工明確、成果分享公道的協(xié)議是完全必要的。,總體設(shè)計(jì)一旦確定，明確開發(fā)意圖并貫徹始終，是微生物資源開發(fā)最基本、時(shí)刻不離的原則，核心問題就是千方百計(jì)盡早找到所需的目的菌。這是開發(fā)成敗的關(guān)鍵，所有的策略、路線、方法都要為這個(gè)中心服務(wù)，而不要有所偏離。,20世紀(jì)50年代從1000株菌就可能找到一種新抗生素，現(xiàn)在卻要從10000個(gè)新化合物中才有可能開發(fā)成功一個(gè)有臨床價(jià)值的藥物，可見難度和風(fēng)險(xiǎn)之大。 如果你的開發(fā)目標(biāo)跟別人相重，而且別人占了上風(fēng) (如在你之先申請(qǐng)了專利)，你就不得不及時(shí)改變戰(zhàn)略，力爭(zhēng)別處領(lǐng)先。 一套好的總體設(shè)計(jì)往往有幾套方案，根據(jù)情況變化而隨機(jī)應(yīng)變。

4、,創(chuàng)新是微生物資源開發(fā)的靈魂,尋找目的菌:,菌種的來源與分離： （1）目前至少有58個(gè)國(guó)家建有484個(gè)菌種保藏中心，菌種80多萬株，可作為菌種的重要來源； （2）如自己分離菌種，要根據(jù)開發(fā)目標(biāo)，選擇取樣地域、環(huán)境。土壤是微生物種類最豐富的場(chǎng)所；海洋微生物是特別值得開發(fā)的資源；極端環(huán)境微生物（高溫溫泉、鹽湖、雪山、冰川、放射性地區(qū)等）也是重要的微生物資源； （3）采用混合菌分離方法分離有用菌。,微生物開發(fā)最活躍的領(lǐng)域，可根據(jù)作用機(jī)制、代謝途徑的靶位、酶反應(yīng)機(jī)制、基因操作中調(diào)控因子、目的化合物的類型等設(shè)計(jì)初選模型。,模型設(shè)計(jì)：,多篩選模型，可意外找到用途更大的非目的菌。,一菌多篩：,高通量篩選與組

5、合生化相結(jié)合：,前者是采用相關(guān)設(shè)備，將許多模型固定在各自不同的載體上，用機(jī)器人加樣、培養(yǎng)后，用計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果、分析，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、微量； 后者是用已知有用化合物或已知骨架的化合物分別與不同的微生物共培養(yǎng)，分析不同培養(yǎng)時(shí)間化合物的結(jié)構(gòu)及其活性的變化（發(fā)生修飾或轉(zhuǎn)化），增加化合物的多樣性，相應(yīng)增加獲得理想化合物的可能性。 如兩者組合會(huì)使篩選效率大大提高。,采樣地點(diǎn):,土壤是微生物種類最豐富的場(chǎng)所，是取之不盡的微生物產(chǎn)地。 海洋微生物是特別值得開發(fā)的資源。在某種意義上講，海洋微生物還可以算是處女地，是大有開發(fā)潛力的微生物資源。 極端環(huán)境微生物也是重要的微生物資源 。,關(guān)于混合菌：,在微生物學(xué)發(fā)展的

6、歷程中，分離純培養(yǎng)曾經(jīng)是一個(gè)巨大的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)微生物發(fā)酵幾乎都是用純種。 在一些情況下，分離資源微生物不一定需要純培養(yǎng)。,2.3 微生物資源開發(fā)的專利申請(qǐng),注意事項(xiàng),（1）申請(qǐng)時(shí)機(jī)應(yīng)在確定某種新活性、新用途或新化合物時(shí)立即申請(qǐng)； （2）在可能別人仿制你的技術(shù)，而你又無法找到明確證據(jù)的條件下最好采取保密手段（在專利中實(shí)施技術(shù)保密）；,（3）研究人員往往對(duì)法律程序不熟悉，最好的申請(qǐng)專利的途徑是聘請(qǐng)法律顧問或?qū)＠暾?qǐng)代理人； （4）新菌種也可以申請(qǐng)專利，但不同的國(guó)家有不同的規(guī)定。美國(guó)：新菌種發(fā)表后就不能申請(qǐng)；西歐國(guó)家規(guī)定發(fā)表一年內(nèi)可以申請(qǐng)。因此在新菌種被接受發(fā)表時(shí)（到發(fā)表還有約3個(gè)月到半年時(shí)間）立

7、即申請(qǐng)專利最為合適。,生產(chǎn)菌種和專利菌種的保護(hù),專利菌種和生產(chǎn)菌種都是有價(jià)值的資源。 專利菌種不一定有生產(chǎn)價(jià)值。生產(chǎn)菌種不一定可以申請(qǐng)專利。 專利菌種及其產(chǎn)物一定得新，有可能開發(fā)成生產(chǎn)菌種，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但不一定在申請(qǐng)專利時(shí)就有現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。 生產(chǎn)菌種必須有現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。 在某些情況下專利菌種就是生產(chǎn)菌。這兩者的保護(hù)均與當(dāng)事人的經(jīng)濟(jì)利益有關(guān)，都是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。,專利申請(qǐng)的必要性,要全程開發(fā)一種新的抗生素，大約需要兩億多美元的投資、10年左右時(shí)間、大量的人力物力，還有極大的風(fēng)險(xiǎn)。 各國(guó)通常的做法是一旦證明某種新菌種產(chǎn)生某種新物質(zhì)并具有某種活性(不一定就有臨床價(jià)值)，馬上要做的第一件事就是申請(qǐng)專利。

8、然后再繼續(xù)研究開發(fā)。這說明專利對(duì)于促進(jìn)微生物資源開發(fā)的極端重要性。 沒有專利保護(hù)，簡(jiǎn)直就不會(huì)有人敢搞抗生素及其他微生物制品的開發(fā)。,能夠利用廉價(jià)的原料，簡(jiǎn)單的培養(yǎng)基，大量高效地合成 產(chǎn)物,有關(guān)合成產(chǎn)物的途徑盡可能地簡(jiǎn)單，或者說菌種改造的 可操作性要強(qiáng),遺傳性能要相對(duì)穩(wěn)定,不易感染它種微生物或噬菌體,產(chǎn)生菌及其產(chǎn)物的毒性必須考慮（在分類學(xué)上最好與致病 菌無關(guān)）,生產(chǎn)特性要符合工藝要求,1.工業(yè)微生物應(yīng)用的要求,2.4 資源微生物的特殊要求,2.5 資源微生物的研究方向,分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)手段，在微生物鑒別及特定目標(biāo)產(chǎn)物 的篩選方面發(fā)揮了著越來越重要的作用。如:16SRNA同 源性分析，基因序列分析

9、及DNA/DNA雜交技術(shù)等,目前土壤中能夠培養(yǎng)的微生物不到總數(shù)的1%。微生物的 多樣性及資源的開發(fā)仍然是今后若干年的研究重點(diǎn)。,極端環(huán)境微生物開發(fā)應(yīng)用前景廣闊。,海洋微生物資源,浩瀚的海洋是地球上生命的搖籃，它覆蓋著地球表面積71 % ，海水總體積占地球總水量97 %。 海洋中生物資源極為豐富，生物活性物質(zhì)種類繁多，僅在過去10 年中，有近5 ,000 種新的海洋天然產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)都分離自海洋微生物，且許多是陸地生物所沒有的，顯示出巨大開發(fā)潛力。海洋微生物資源研究已成為海洋資源研究的重要內(nèi)容之一。,海洋微生物的生物多樣性,海洋是一個(gè)十分獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境，包羅了高鹽、高壓、低溫(尤其是深海)

10、、低光照、寡營(yíng)養(yǎng)等特點(diǎn), 還有無光照以及局部高溫的極端環(huán)境。 來自海洋的微生物大部分都是適應(yīng)了極端環(huán)境的極端微生物。據(jù)估計(jì)海洋微生物可達(dá)0.12 億種。已發(fā)現(xiàn)的類群主要包括: 病毒、古菌、細(xì)菌、粘細(xì)菌、微藻、真菌。 海洋微生物的物種多樣性決定了其代謝產(chǎn)物多樣性，海洋環(huán)境是新型生物活性物質(zhì)的源泉。,海洋微生物藥物資源,現(xiàn)已從海水、海底泥、海魚胃內(nèi)容物、珊瑚表面、叉珊藻、毒蟹、河豚、毛顎動(dòng)物等的體內(nèi)或體表等各種采自海洋的樣品中分離到的細(xì)菌、放線菌可產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)。 海洋真菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物70 %80 %具有生物活性。,已經(jīng)分離到的新成分,抗氨基糖苷類耐藥菌株的新氨基糖苷類抗生素。 對(duì)綠膿桿菌

11、和一些耐藥性革蘭氏陰性菌具有較強(qiáng)的活性、抗菌譜廣、毒性低的抗菌物質(zhì)和肌醇胺霉素。 寡霉素2A 的20-羥衍生物、腸菌素的5-脫氧衍生物以及兩種全新的細(xì)菌化合物辛內(nèi)酰亞胺(Octalactins) A 和B 八氫內(nèi)酰亞胺、亞酮乳酰胺、大環(huán)內(nèi)酰亞胺、喹唑啉哈利凱( halichomycin) 等具有抗病毒或抗腫瘤活性的物質(zhì)。 一種具有增強(qiáng)免疫活性、促進(jìn)體液免疫和細(xì)胞免疫, 能抑制多種動(dòng)物移植腫瘤的雜多糖, 與化療藥物在抗腫瘤方面有協(xié)同作用, 已用于臨床。,海洋微生物極端酶資源,嗜冷菌能產(chǎn)生很多種在低溫下才顯示高效的酶，已被提取出來的嗜冷酶有-淀粉酶，磷酸丙糖異構(gòu)酶、蛋白酶、脂肪酶、膠原酶，嗜冷堿性

12、蛋白酶在工業(yè)洗滌劑、保持食品營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味起著重要作用。,嗜熱微生物,從嗜熱微生物中已篩選到多種熱穩(wěn)定性的酶, 如淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖苷酶、木聚糖酶、磷酸烯醇丙酮酸激酶及DNA 聚合酶, 這些酶在75 100 之間具有良好熱穩(wěn)定性。 新發(fā)現(xiàn)一種耐高溫菌如烈火球菌( Pyrococcus furiosus) 中獲得一種聚合酶, 稱之為pf r 聚合酶, 在100 下能有效發(fā)揮酶功能反應(yīng), 此酶有可能取代第一個(gè)進(jìn)入商業(yè)化的taq 聚合酶, 在聚合酶鏈反應(yīng)( PCR) 技術(shù)方面發(fā)揮重要作用。,嗜壓微生物,深海嗜壓微生物是嗜壓酶重要來源, 高壓增加了酶活性和熱穩(wěn)定性，且使酶具有良好的立體專一性，在高溫和高壓下，底物溶解度增加，溶劑黏度減少，提