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极端微生物

极端微生物是最适合生活在极端环境中的微生物的总称。科学家们相信,极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源和极其珍贵的科研素材。

我国对极端环境微生物的研究已有二十余年的历史,中科院微生物研究所青年科学家向华研究员主持的国家863项目“海洋极端嗜盐古菌遗传操作系统的构建”,就是目前我国极端微生物研究的重要课题之一。

极端微生物是最适合生活在极端环境中的微生物的总称,包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型。

科学家们相信,极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源和极其珍贵的科研素材。开展极端微生物的研究,对于揭示生物圈起源的奥秘,阐明生物多样性形成的机制,认识生命的极限及其与环境的相互作用的规律等,都具有极为重要的科学意义。极端微生物中发现的适应机制,还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。极端微生物研究的成果,将大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的利用。

我国对微生物的研究已有20多年的历史,研究内容涉及极端微生物的资源调查、物种分析以及生理生态研究等。近年来,又在极端微生物分子生物学、基因组学和蛋白质组学等方面取得了重要进展。

紫膜,就是紫色的膜,是生长在极端嗜盐菌原生质膜上的一种物质,含有与视觉中的视紫红质相类似的蛋白质,在国际市场上的价格相当于黄金的1万倍。

紫膜在嗜盐菌原生质膜上以碎片形式存在,直径大约为0.5微米,厚度5纳米(相当于10-9米),它与原生质膜上其余部分红膜共面。碎片中的唯一蛋白质细菌视紫红质以三体形式二维六角形晶格排列在天然紫膜中,蛋白占紫膜干重的75-,其余25-为类脂。晶格尺寸为14纳米,两个蛋白质中心距离约1.5纳米,每个碎片有10万个细菌视紫红质分子。每个细菌视紫红质分子由248个氨基酸残基的肽链组成,其分子量为26000。该肽链在空间卷曲折叠形成7条跨膜螺旋柱,N端在细胞膜外侧,C端在细胞膜内侧,螺旋柱基本垂直于细胞膜。每个细菌视紫红质结合一个生色团视黄醛,位于216位的赖氨酸上,处于靠近肽链C端细胞膜内侧。

目前,世界上有大批研究人员从事于紫膜的研究工作,一旦有所突破,将会带来革命性的变化。

2000米深处的生物

今年6月,中国大陆科学钻探工程首席科学家许志琴院士向媒体透露,中国大陆科学钻探工程已钻入地下3787米,并在地下2000米深处的极端条件下仍发现大量的极端微生物。这一消息再次引起了人们对极端生命现象的关注。

我国对极端环境微生物的研究已有二十余年的历史,中科院微生物研究所青年科学家向华研究员主持的国家863项目“海洋极端嗜盐古菌遗传操作系统的构建”,就是目前我国极端微生物研究的重要课题之一。该项目的主要内容是分离克隆海洋极端嗜盐古菌等的内源性质粒、基因及表达调控元件,研究嗜盐古菌染色体外因子的复制机制及古菌基因的表达调控规律,构建极端嗜盐古菌特有的基因克隆表达体系,为极端微生物的遗传分析及其重要功能物质的开发利用提供有自主知识产权的工具平台。

这项工作,被该项目的主持人向华博士称为建造极端微生物“细胞工厂”。

极端嗜盐古菌蕴藏着丰富的极端嗜盐酶类、生物表面活性物质、重要的生物纳米材料“紫膜”和生物可降解塑料前体物PHA

“生活在极端自然环境中的微生物是生命的奇迹。它们蕴涵着生命进化历程的丰富信息,代表着生命对于环境的极限适应能力,是生物遗传和功能多样性的宝库,也是人类认识生命本质的重要途径。”向华告诉记者。

向华与海洋极端嗜盐古菌

正是基于这样的认识,2001年回国后,向华接过了极端微生物遗传操作系统构建这面大旗,并把目光投放在海洋极端嗜盐古菌上。

“极端嗜盐古菌是广泛存在于海水晒盐场、盐湖甚至古海洋沉积物等高浓度盐环境的一大类极端微生物,包括约18个属。”向华介绍说,“极端嗜盐古菌中蕴藏着丰富的极端嗜盐酶类、特殊脂类、生物表面活性物质、蛋白类抗生素(嗜盐菌素),以及重要的生物纳米材料‘紫膜’和生物可降解塑料前体物PHA等。我们现在工作的目的是在极端嗜盐古菌中构建用途广泛的遗传操作平台,并对极端古菌重要功能物质进行开发、改造和利用。”

完成了国际上第一个极端嗜盐嗜碱古菌质粒的全序列测定及遗传学分析,成功构建了多个具有自主知识产权的克隆表达载体

“我们已在极端嗜盐古菌分子生物学,尤其是遗传操作平台领域取得重要进展。”向华透露,研究人员现已从不同类群的极端嗜盐古菌中分离了多个质粒,进行了详细的分子机制分析,并成功构建了多个具有自主知识产权的克隆表达载体,已申请国家发明专利多项。

对于其研究经过,向华说,“我们对约30株不同种类的极端嗜盐碱古菌进行质粒普查,从其中一株中分离到一个新的质粒。经过全序列测定表明,这个质粒大小约为2.5kb,含有三个开放阅读框,它们位于质粒的同一条链上。”据介绍,这项研究完成了国际上第一个极端嗜盐嗜碱古菌质粒的全序列测定及遗传学分析,论文已在极端微生物国际专业杂志Extremophiles上发表;以该质粒为基础构建的新的载体系统,已成功转化多种极端嗜盐古菌,完成了多个受体菌的限制修饰系统的分析,论文也已在国际杂志发表,并申请了国家发明专利。

在国际上首次发现了嗜盐菌素可能的抗性基因;克隆了嗜盐菌素可能的调控基因和转运加工基因,并完成了一个目前极端嗜盐古菌中最小的质粒的克隆及全序列的测定

在另一项研究中,工作人员对60余株中性极端嗜盐古菌进行了质粒普查,发现了一个新质粒,完成了分离克隆、全序列测定和GenBank注册。研究表明,该类质粒可能代表了极端嗜盐古菌一个新的质粒类型,具有较高的理论价值。由于这项工作的原创性及明确的应用前景,其构建的载体受体系统也已申请国家发明专利保护。

此外,向华课题组的研究人员还在极端嗜盐古菌中发现并分离纯化了一种抑菌谱广性质稳定的新的蛋白类抗生素,并完成了其理化性质、氨基酸序列及抑菌谱分析,进而完成了其基因克隆和序列测定;新近又在国际上首次发现了嗜盐菌素可能的抗性基因;克隆了极端嗜盐古菌热诱导启动子,首次进行了其转录起始位点的确定并对其可能的调控机制进行了分析;研究组还克隆了嗜盐菌素可能的调控基因和转运加工基因,并完成了一个目前极端嗜盐古菌中最小的质粒的克隆及全序列的测定。

向华介绍说,该项目自2002年10月启动以来,研究组已建成两个不同的载体受体系统系列,申请国家发明专利2项;在国际专业的SCI杂志发表论文3篇;在GenBank注册新基因序列7组(含新基因约12个,调控元件6个以上)。论文发表后,已引起本领域国际学术界的关注并产生了积极影响,美国佛罗里达大学及俄罗斯科学院2个实验室还表达了合作意向。

“紫膜”特定突变体的市场价格目前是黄金的一万倍,只能通过极端嗜盐古菌遗传操作系统进行改良和生产

“课题成果是提供有自主知识产权的极端嗜盐古菌遗传操作系统,这是一个高技术的研究和应用平台。”向华说,“但由于本课题成果的利用同样属于高新技术,目前国内企业难以开发利用,因此目前尚未进行应用和转化工作。”他表示课题将进一步结合目标产品开展应用基础研究,发挥技术平台及极端嗜盐古菌细胞工厂的作用,如用于生物纳米材料“紫膜”及生物可降解塑料前体物PHA等的生产和改良,形成产品,将更利于产品转化,创造经济效益。

他举了个例子:该操作平台可用于生物纳米材料“紫膜”的遗传工程改良。遗传工程优化的“紫膜”突变体,是用于研制生物计算机,进行海量信息处理,全息图像贮存,以及人工视网膜、光电响应元件等领域的,最具开发潜力的生物纳米材料。“紫膜”特定突变体的市场价格目前是黄金的一万倍,只能通过极端嗜盐古菌遗传操作系统进行改良和生产。本课题成果为类似高新技术的国产化提供了可能。另外,古菌的PHA性质优良,其遗传工程的进步也将促进该类产业的重大进步。

他最后欣慰地告诉记者,目前国家“863”计划已准备对本项目进行滚动支持,在进一步完善该“细胞工厂”的同时,开展应用基础的研究。“我们目前正利用这些具有自主知识产权的遗传操作平台,开展包括紫膜和嗜盐菌素等在内的多种特殊功能物质的研究和生物工程优化。”向华介绍,研究组的长远目标是在理论方面揭示嗜盐古菌的生命本质及其极端适应机制,在应用方面将致力于研制高性能的生物纳米材料“紫膜”突变体,开发和定向改造可在有机高盐环境中发挥活性的极端嗜盐酶类,以及提高生物活性物质和生物材料如嗜盐菌素及PHA等的产量和性能等,最终以极端微生物“细胞工厂”为基础,实现认识、改造和生产极端微生物特殊功能物质的目标。

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