极端微生物是战略资源 


极端微生物是战略资源
    日期: 2008年07月22日
探索生命起源

中国科学院院士、中科院上海生命科学研究院赵国屏对记者说:“对极端微生物的研究,既应着眼于应用和开发,也要强调揭示生命起源和基本生命特征。对极端微生物的基础研究,本质上与对生命早期起源的认识是分不开的。”

专家介绍说,微生物的极端生命形式,尤其是许多超极端的古菌,多以无机自养方式生活,出现在有机异养之前;它们均属于生命树根部的进化分支,而且生理特征和生活环境与地球开始出现生命时的地质化学和环境状况可能相似。因此这些极端微生物可能代表了最古老的生命类群,是寻找最早生命形式和探索生命起源的最重要的研究对象。

近年来,生命的“热起源”假说形成了关于生命起源的主流;但对此假说也有质疑,即嗜热物种究竟是祖先,还是在极端环境的压力下选择进化的结果。另外,耐辐射细菌所耐受的高辐射剂量,在地球上从未出现过,甚至催生了地球生命的外星球起源的假说。更有意义的发现是,古菌遗传信息传递与真核生物的极其相似,因而古菌很可能成为了解真核生物,甚至我们人类的遗传信息传递系统的有效模型。

生物多样性最为丰富

微生物因为其微小的体积,所以,是生物圈循环中最容易被忽略的一环,然而微生物因为其最大的面积体积比,在生物圈的循环中又发挥着最活跃的转化作用。微生物的转化作用推动着地球生物化学循环,影响着土壤生产力、水质和全球气候;微生物的生物量占据了地球上总生物量的一半,它们的生物多样性也最为丰富。

在其他生物无法生存的极端环境中,如温度高于100℃的海底热溢口、盐浓度达饱和的盐湖、pH值低于2的酸性地域都生活着形形色色的微生物,人们称之为极端微生物。先前已发现的支持极端微生物生长的最高温度极限为113℃,最低的pH值达到0.8,最高的盐浓度达到饱和的5.2摩尔。随着研究的深入和新研究方法的采用,微生物生存的环境条件极限也不断地被改写着。2003年,美国马萨诸塞州大学的科学家报道了一种极端嗜热古菌——菌株121,将生长温度刷新为121℃。

从分类角度看,目前地球的生物圈可以分为三大领域:细菌、古菌和包括人类的真核生物(动物和植物)。其中细菌和古菌均属于原核微生物;绝大多数古菌和少部分细菌都是极端微生物。这些极端微生物为地球的生物圈界定了环境极限的边界条件,也提供了探索生命极限的线索。

不可估量的资源财富

极端微生物丰富的代谢类型和生活环境的多样性,引发了科学界和企业界的极大兴趣。短短40年的时间,对极端微生物多样性的研究取得了很大进展。仅超嗜热菌就从1972年的2个种增加到目前的80多个种,其他各类极端微生物的种也有200多个。

1977年,Woese采用核糖体RNA作为分子钟对生物间的相互关系进行了研究,提出了生命的三域学说,即地球上所有的细胞生物由细菌、古菌和真核生物三域组成。其中目前可培养的古菌都是极端微生物。Woese的这一具有里程碑意义的工作提供了研究生物多样性的新思路和新方法。Pace等采用基于分子生物学技术的非培养方法对热泉、土壤的微生物学调查表明,自然界中占总数99%的微生物目前还无法在实验室中培养,由于培养困难,极端微生物中的可培养成员所占的比例就更低。因此,它们丰富的生物多样性的发掘将为人类提供不可估量的资源财富。

对极端微生物生命机制的理解将为人类提供利用的基础,如它们生物大分子的热稳定性结构,为工业用酶的结构改造和耐高温生物物质的生产提供了思路;又如嗜盐古菌的细胞表面蛋白的氨基酸组成及糖基化水平,为人工设计适应极端条件的人工膜结构提供了良好的借鉴。

中科院微生物所研究员、基金委创新群体项目负责人黄力说:“极端微生物是一种宝贵的战略资源。”但在谈到对我国拥有的这种丰富的资源进行保护应该遵循什么原则时,他却无奈地说:“我们翻遍了相关政策,特别是有关知识产权的法律,没有找到可以使用的条文。”专家表示,这不仅会使我国的珍贵资源流入他人之手,在科研上进行国际合作与交流时,也会因“无所遵从”而产生顾虑。

研究优势尚未形成生产力

我国的极端微生物研究起步较早。上世纪60年代,从苏联留学回国的科学前辈就开始带队进行盐湖极端微生物的考察和研究。1998年,中国科学院人类基因组计划选择对嗜热的云南腾冲嗜热厌氧杆菌进行全基因组测序。赵国屏说,全基因组测序开创了我国的微生物基因组时代,我国对极端微生物的研究也随之进一步走向成熟。

目前我国最大的极端微生物研究项目是2004年启动的“973”项目——“极端微生物及其功能利用的基础研究”,以嗜热、嗜碱、嗜酸和绝对厌氧的极端微生物为主要研究对象。2006年基金委启动了我国微生物领域第一个、也是目前唯一的创新群体项目“极端环境微生物生命特征及环境适应机理”,对极端环境微生物的生理和遗传机理进行深入的研究。此外,更多的极端微生物研究工作分布于“863”、“973”项目等子课题中。

目前在国际上,极端微生物的研究因地域差异,优势也各有不同,相比之下欧盟在对极端微生物进行收集、鉴定、分离上,在利用极端微生物开发各种酶方面表现出色,而日本的优势则突出表现在深海领域。

随着技术的进步、投入的加强,我国极端微生物的研究正不断向新的地域和领域扩展。以大洋一号为依托,国家海洋局海洋三所开始了深海极端微生物的研究;他们利用极地考察队从北极带回的样本,进行着北极极端嗜冷微生物的研究;浙江大学则在研究比原子弹辐射强度更大的环境中生存的耐辐射极端微生物方面,较有代表性。

黄力评价说:“总体看来,基础研究是我国极端微生物研究的一个优势领域。”用“973”首席科学家东秀珠的话说:“在这方面,我们具有和国际先进水平进行平等对话的能力。”但是由于极端微生物研究对设备条件有较高的需求,因此“长期、稳定的支持”,是推进该领域研究的一个重要条件。东秀珠领衔的“973”项目是目前我国最大的极端微生物项目,涉及20多个子课题,而专职研究人员不过50人左右,专家强调,培养、稳定一支高水平的科研队伍对极端微生物研究的长足发展有着重要的意义。

但我国在基础研究上表现出优势的同时,也存在着产业化发展的严重不足。企业对该领域几乎没有涉足,产学研结合的路径尚未打通,导致这个有着极大应用潜力的领域,没有能够充分发挥其产业优势。“这也是我国整个生物产业所面临的共同问题。”东秀珠说。

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