微生物资源的开发与利用.ppt

第二章、微生物资源及其开发利用,应用微生物学-2,本章内容,微生物资源的定义及其特点微生物资源开发的基本程序微生物资源开发的专利申请资源微生物的特殊要求资源微生物的研究方向,2.1 微生物资源的定义及其特点,生物资源的权威定义（生物多样性公约）：对人类具有实际或潜在用途、价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其他生物组成部分。生物资源三大支柱：动物、植物、微生物，而微生物资源是一类与动植物资源不同、生产特性优越、开发前景广阔的生物资源。,微生物资源的特点：,（1）对其发现较晚，仅300年而已；（2）形体较小，代谢类型多样化，生长繁殖速度惊人；（3）变异性大；（4）种源丰富，未知者众；（5）对其开发研究比动植物晚很多，但取得了极其辉煌的成就。,2.2 微生物资源开发的基本程序,总体设计：找出目的菌：核心问题。效果试验申请专利菌种改良及发酵工艺研究产品报批产品生产市场开发,总体设计：,总体设计是微生物资源开发利用的首要任务，核心是市场。市场又是活的，既要考虑现有市场，也要分析潜在市场，更要分析竞争对手和自己的市场开拓能力。,总体设计还包括开发的策略，自己的工作基础，已具备的条件，自己的优势和劣势，合作伙伴的力量及诚信度，投资大小、投资周期及风险等。微生物资源开发往往需要合作伙伴，如果有力量互补、诚信度高的国内外合作伙伴参与，必然对开发大有益处。为了使合作更富成效，订立一项分工明确、成果分享公道的协议是完全必要的。,总体设计一旦确定，明确开发意图并贯彻始终，是微生物资源开发最基本、时刻不离的原则，核心问题就是千方百计尽早找到所需的目的菌。这是开发成败的关键，所有的策略、路线、方法都要为这个中心服务，而不要有所偏离。,20世纪50年代从1000株菌就可能找到一种新抗生素，现在却要从10000个新化合物中才有可能开发成功一个有临床价值的药物，可见难度和风险之大。如果你的开发目标跟别人相重，而且别人占了上风(如在你之先申请了专利)，你就不得不及时改变战略，力争别处领先。一套好的总体设计往往有几套方案，根据情况变化而随机应变。,创新是微生物资源开发的灵魂,寻找目的菌:,菌种的来源与分离：（1）目前至少有58个国家建有484个菌种保藏中心，菌种80多万株，可作为菌种的重要来源；（2）如自己分离菌种，要根据开发目标，选择取样地域、环境。土壤是微生物种类最丰富的场所；海洋微生物是特别值得开发的资源；极端环境微生物（高温温泉、盐湖、雪山、冰川、放射性地区等）也是重要的微生物资源；（3）采用混合菌分离方法分离有用菌。,微生物开发最活跃的领域，可根据作用机制、代谢途径的靶位、酶反应机制、基因操作中调控因子、目的化合物的类型等设计初选模型。,模型设计：,多筛选模型，可意外找到用途更大的非目的菌。,一菌多筛：,高通量筛选与组合生化相结合：,前者是采用相关设备，将许多模型固定在各自不同的载体上，用机器人加样、培养后，用计算机记录结果、分析，实现快速、准确、微量；后者是用已知有用化合物或已知骨架的化合物分别与不同的微生物共培养，分析不同培养时间化合物的结构及其活性的变化（发生修饰或转化），增加化合物的多样性，相应增加获得理想化合物的可能性。如两者组合会使筛选效率大大提高。,采样地点:,土壤是微生物种类最丰富的场所，是取之不尽的微生物产地。海洋微生物是特别值得开发的资源。在某种意义上讲，海洋微生物还可以算是处女地，是大有开发潜力的微生物资源。极端环境微生物也是重要的微生物资源。,关于混合菌：,在微生物学发展的历程中，分离纯培养曾经是一个巨大的进步，现代工业微生物发酵几乎都是用纯种。在一些情况下，分离资源微生物不一定需要纯培养。,2.3 微生物资源开发的专利申请,注意事项,（1）申请时机应在确定某种新活性、新用途或新化合物时立即申请；（2）在可能别人仿制你的技术，而你又无法找到明确证据的条件下最好采取保密手段（在专利中实施技术保密）；,（3）研究人员往往对法律程序不熟悉，最好的申请专利的途径是聘请法律顾问或专利申请代理人；（4）新菌种也可以申请专利，但不同的国家有不同的规定。美国：新菌种发表后就不能申请；西欧国家规定发表一年内可以申请。因此在新菌种被接受发表时（到发表还有约3个月到半年时间）立即申请专利最为合适。,生产菌种和专利菌种的保护,专利菌种和生产菌种都是有价值的资源。专利菌种不一定有生产价值。生产菌种不一定可以申请专利。专利菌种及其产物一定得新，有可能开发成生产菌种，实现产业化，但不一定在申请专利时就有现实生产力。生产菌种必须有现实生产力。在某些情况下专利菌种就是生产菌。这两者的保护均与当事人的经济利益有关，都是对知识产权的保护。,专利申请的必要性,要全程开发一种新的抗生素，大约需要两亿多美元的投资、10年左右时间、大量的人力物力，还有极大的风险。各国通常的做法是一旦证明某种新菌种产生某种新物质并具有某种活性(不一定就有临床价值)，马上要做的第一件事就是申请专利。然后再继续研究开发。这说明专利对于促进微生物资源开发的极端重要性。没有专利保护，简直就不会有人敢搞抗生素及其他微生物制品的开发。,能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效地合成 产物,有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的 可操作性要强,遗传性能要相对稳定,不易感染它种微生物或噬菌体,产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病 菌无关）,生产特性要符合工艺要求,1.工业微生物应用的要求,2.4 资源微生物的特殊要求,2.5 资源微生物的研究方向,分子生物学的实验手段，在微生物鉴别及特定目标产物 的筛选方面发挥了着越来越重要的作用。如:16SRNA同 源性分析，基因序列分析及DNA/DNA杂交技术等,目前土壤中能够培养的微生物不到总数的1%。微生物的 多样性及资源的开发仍然是今后若干年的研究重点。,极端环境微生物开发应用前景广阔。,海洋微生物资源,浩瀚的海洋是地球上生命的摇篮，它覆盖着地球表面积71%，海水总体积占地球总水量97%。海洋中生物资源极为丰富，生物活性物质种类繁多，仅在过去10 年中，有近5,000 种新的海洋天然产物被发现，大多数都分离自海洋微生物，且许多是陆地生物所没有的，显示出巨大开发潜力。海洋微生物资源研究已成为海洋资源研究的重要内容之一。,海洋微生物的生物多样性,海洋是一个十分独特的生态环境，包罗了高盐、高压、低温(尤其是深海)、低光照、寡营养等特点,还有无光照以及局部高温的极端环境。来自海洋的微生物大部分都是适应了极端环境的极端微生物。据估计海洋微生物可达0.12 亿种。已发现的类群主要包括:病毒、古菌、细菌、粘细菌、微藻、真菌。海洋微生物的物种多样性决定了其代谢产物多样性，海洋环境是新型生物活性物质的源泉。,海洋微生物药物资源,现已从海水、海底泥、海鱼胃内容物、珊瑚表面、叉珊藻、毒蟹、河豚、毛颚动物等的体内或体表等各种采自海洋的样品中分离到的细菌、放线菌可产生多种生物活性物质。海洋真菌的次级代谢产物70%80%具有生物活性。,已经分离到的新成分,抗氨基糖苷类耐药菌株的新氨基糖苷类抗生素。对绿脓杆菌和一些耐药性革兰氏阴性菌具有较强的活性、抗菌谱广、毒性低的抗菌物质和肌醇胺霉素。寡霉素2A 的20-羟衍生物、肠菌素的5-脱氧衍生物以及两种全新的细菌化合物辛内酰亚胺(Octalactins)A 和B八氢内酰亚胺、亚酮乳酰胺、大环内酰亚胺、喹唑啉哈利凯(halichomycin)等具有抗病毒或抗肿瘤活性的物质。一种具有增强免疫活性、促进体液免疫和细胞免疫,能抑制多种动物移植肿瘤的杂多糖,与化疗药物在抗肿瘤方面有协同作用,已用于临床。,海洋微生物极端酶资源,嗜冷菌能产生很多种在低温下才显示高效的酶，已被提取出来的嗜冷酶有-淀粉酶，磷酸丙糖异构酶、蛋白酶、脂肪酶、胶原酶，嗜冷碱性蛋白酶在工业洗涤剂、保持食品营养和风味起着重要作用。,嗜热微生物,从嗜热微生物中已筛选到多种热稳定性的酶,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,这些酶在75 100 之间具有良好热稳定性。新发现一种耐高温菌如烈火球菌(Pyrococcus furiosus)中获得一种聚合酶,称之为pf r 聚合酶,在100 下能有效发挥酶功能反应,此酶有可能取代第一个进入商业化的taq 聚合酶,在聚合酶链反应(PCR)技术方面发挥重要作用。,嗜压微生物,深海嗜压微生物是嗜压酶重要来源,高压增加了酶活性和热稳定性，且使酶具有良好的立体专一性，在高温和高压下，底物溶解度增加，溶剂黏度减少，提高了物质的传输速率和反应速率，决定了嗜热嗜压酶在化学工业上有着良好应用前景。,嗜碱酶,如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶,许多碱性酶已应用于医药等方面,碱性蛋白酶也已应用于洗涤剂工业。嗜酸微生物产生的酶,作为食品添加剂可帮助食物在胃内高酸性环境中进行消化。具有耐有机溶媒的嗜盐酶在化学工业的化合物合成、石油工业的原油精炼及污水处理等方面的应用翻开了新的一页。,实例1,本章结束!,