zz 不可掩埋的“微”能量

抗生素

　　人类正在寻找各种途径解决所面临的三大危机——资源、能源、环境，这实际上也是微生物应用的前沿领域。也许某一天，这些在显微镜下才能得见真容的小生物，将成为改变世界的强大力量。

　　也许那些生活在地球深处、默默地参与着地球碳氮循环的微小生物从来没有想过，比自己强大并拥有智慧的人类有一天会不辞辛苦利用最先进的科技到地球的各个角落去寻找它们，向它们寻求帮助。

　　目前为人们所认识的微生物种类仅占自然界中微生物总数的1%左右，但现有的微生物学研究成果还是被广泛地应用到了人们的日常生活中，如医药、食品、农林业和环境保护等领域。从资源利用角度而言，绝大部分微生物还没有被人类所了解和利用，微生物资源的发展潜力巨大。

　　微生物改变人类生命进程

　　早在公元前两千多年的夏禹时代，就有酿酒的记载。这恐怕是人类最早利用微生物发酵的历史。而我国最先创造了预防天花的人痘接种法，这也可以说是微生物免疫学的开端。

　　但要说到微生物利用对人类影响最为深远的，应该是弗莱明从青霉菌抑制其他细菌的生长中发现了青霉素。正是由于青霉素的发现，鼓舞了微生物学家们寻找抗生素的热潮，因而链霉素、氯霉素、金霉素，土霉素、四环素、红霉素、卡那霉素等新抗生素不断出现。从一定程度上来说，它影响了人类生命的进程。至今，医药微生物学仍是微生物应用研究的重要方向。

　　“大约在上个世纪70年代，科学家发现，聚合酶链式反应（PCR）需要一种在高温下可以稳定的酶，而这种酶就来自于美国黄石公园热泉中的一种耐高温菌。”同济大学海洋与地球科学学院教授张传伦告诉《中国科学报》记者，“正是由于从微生物中提取的这种酶，人们开始意识到微生物的一些特殊成分可以带来工业上的价值。”

　　而随着现代微生物学和工程技术的不断发展，人类能模仿利用微生物所具有的高超的生存能力、生物转化能力以及微生物与其他生物之间的相互作用关系来为人类的生产、生活以及净化环境服务。南京师范大学生命科学学院教授连宾表示，这具体涉及多个不同领域的应用，如农业微生物、医学微生物、工业发酵微生物、制药发酵微生物、食品加工微生物和环境微生物等等。

　　极端环境微生物开发潜力大

　　在众多微生物种类中，有的微生物有着非常特殊的本领，它们能在特殊的环境中生存，例如高温、低温、高盐、高碱、高酸、高压、高辐射等环境。这类微生物被称为极端微生物，因为具有特殊的基因类型、生理机制及代谢产物，是一群新型且具有很大开发潜力的生物资源。

　　但是，也正是由于它们生存环境的特殊性，一旦让它们离开自身的环境就难以正常生长甚至失去活性。“分离极端微生物的难度很大，要求条件较高，而且往往无法得到纯培养。”连宾在接受《中国科学报》记者采访时指出。

　　张传伦也表示，在实验中模拟复杂的极端环境十分困难。他告诉《中国科学报》记者：“在实验室中，必须要模拟极端环境才能让不同环境中的微生物存活，比如嗜热或嗜压菌，必须要建立相应的高温或高压的环境。但是复杂的极端环境的模拟对于科学家来说还是一种挑战。”

　　据张传伦介绍，他在美国佐治亚大学的同事曾尝试过同时模拟三个极端环境的指标来分离并富集极端微生物，包括温度、盐度、碱度。最终成功富集到了一种耐高温、高碱及高盐微生物。

　　连宾强调，极端环境微生物是一大类超越人们想象的丰富的未开发资源，为更好地认识生命现象，发展生物技术提供了新的机会。实现对极端微生物的纯培养、共培养或共代谢，将为人类开发这类微生物资源提供更广阔的空间。此外进一步深入研究不同环境下极端微生物的适应机制及遗传基础，对于充分利用自然资源造福人类社会也具有重要意义。

　　元基因组学技术规避传统缺陷

　　对于一种微生物的利用，事实上仅仅需要其中的某一种特性，而打它的特性反而会成为干扰。在基因研究越来越广泛的今天，很多研究人员也在尝试直接将微生物的某些功能对应的基因序列复制到我们容易控制和利用的菌种当中，让这个过程更加便利。

　　的确，人类对微生物认识的加深是伴随着基因技术的发展的，通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品。

　　连宾告诉《中国科学报》记者，在极端嗜酸性浸矿细菌抗砷工程菌的应用研究中，研究人员就通过接合途径，首次将外源抗砷基因导入了氧化亚铁硫杆菌中，并获得了表达；所构建成的抗砷菌株可用于含砷难选冶金精矿的脱砷，提高黄金提取率。

　　此外，现在已经清楚，多种污染的有机化合物能否被微生物降解，决定于微生物能否产生相应的酶系，而酶的合成直接受基因的控制。近年来的许多试验证明，合成这些降解酶系的编码大多在质粒上。通过基因工程手段构建新的能控制多种污染物降解的杂种质粒（能够控制某些污染物的微生物降解质粒），导入另一具有某种优良特性的受体菌中，以提高降解效率。

　　看上去，我们已经发现越来越多的微生物可为人类所用，但是，90%以上的微生物无法在实验室进行培养，这意味着，我们得不到它们完整的遗传信息，微生物的多样性资源也很难得到全面的开发和利用。

　　1998年，科学家在微生物基因组的基础上，提出了元基因组（Metagenome，国内多被翻译为宏基因组，并不准确）概念。它不再对单一种微生物进行遗传分析，而是针对环境样品中所有微生物的基因组总和进行研究，通过测序分析找到微生物与微生物之间，或者微生物与环境之间的相互作用关系，同时通过功能基因筛选，对优势基因加以开发和利用。

　　基因改造遇瓶颈

　　中科院微生物所研究员朱宝利告诉《中国科学报》记者，早期元基因组学（Metagenomics）研究的最终目标是要通过提取特定环境中的基因组DNA，进行大规模克隆，并筛选出目标基因克隆，找到新的生物代谢相关基因，从而开发出相关产品。但事实上，它的难度超出了当时科学家们的预想。

　　首先是克隆载体的选择，早期元基因组学主要选择以质粒或者大肠杆菌宿主细胞构建而成的载体，但它们克隆的DNA片段多为单一基因。朱宝利表示，许多科学家希望通过元基因组学技术找到更多全新的能够产生抗生素的基因，而能够产生抗生素的微生物活性物质是次生代谢产物, 由多基因也叫基因簇控制，基因簇片断巨大。“要找到大容量的，且稳定性好、筛选效率高、克隆表达能力强的载体就是第一道难关。”

　　此外，不同的微生物种类所产生的活性物质类型有明显的差异，而宿主细胞的选择却很有限，大量基因在这些有限的宿主细胞中无法表达它们的活性，这将大大限制这些基因的筛选。

　　朱宝利告诉《中国科学报》记者，研究团队曾提取了海底3000米海底沉积物元基因组的DNA，试图筛选出控制低温酯酶的基因。酯酶可以降解脂肪，可用于垃圾中脂肪类物质的分解。他们用功能筛选法，对克隆子产生的活性物质进行筛选。也就是将一些脂类铺在克隆子培养皿上，一旦脂肪被发现代谢成透明的圆圈，对应的目标克隆就可以被捕获。

　　遗憾的是，这种方法效率非常低下, 生物转化的产物仅在极少数情况下具有可见性状，尤其是大多数酶并不能通过这种基于活性的方法发掘出来。朱宝利透露，在他们所做的几千万个克隆子中，99.9%的活性产物都没有得到表达。尽管，科学家对于筛选方法也不断提出新的思路，但在朱宝利看来，这依然是元基因组研究遇到的最大瓶颈。

　　了解是激发能量的关键

　　“得到功能基因，并对微生物加以改造、利用，在目前看来依然处于研究阶段。”朱宝利坦言，“事实上，这些被大自然创造的生命，在人为干预下存活的概率和发挥的价值很可能会大打折扣。”

　　如今元基因组学研究可以发挥作用的，主要还是通过测序分析微生物的多样性、种群结构和功能活性，找到与环境之间的关系。

　　朱宝利举例道，人类的肠道菌群与健康密切相关，以人类肠道为环境对象的元基因组学研究，通过对所有肠道微生物的基因测序，可以找到哪些代谢通道可能与疾病相关。比如，结直肠癌患者肠道内产丁酸的代谢信号非常弱，医学界公认的丁酸可以防癌症，尤其是结直肠癌。这样的关联可以帮助人类有针对性地研发新的药物或者治疗手段。

　　对于日益严峻的环境污染问题，微生物参与治理的潜力十分巨大。例如，对水处理系统尤其是对活性污泥中微生物群落组成和功能的研究, 不仅有助于深入了解反应器处理污染物的作用机理, 更可以指示反应器的性能, 为系统运行提供预警, 完善管理措施。

　　再如，原油或其他石油制品在开采、炼制、贮运和使用过程中进入环境, 容易造成环境污染, 严重影响土壤和水的生态环境和质量, 危害人类健康。目前, 利用微生物降解对石油污染进行生物修复越来越受到关注, 其主要思路是通过调控土壤或水体的微生物生态环境, 改变微生物群落结构, 以提高微生物降解石油的活性和能力。