藍(lán)色生物技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

辛 盛，趙 飛，盧向陽(yáng)，田 云

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙410128）

近年來(lái)，隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，生物技術(shù)已先后應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，并已向海洋領(lǐng)域進(jìn)軍。歐美國(guó)家稱這一趨勢(shì)為“第四次生物技術(shù)浪潮——藍(lán)色生物技術(shù)”（Blue biotechnology）［1］。藍(lán)色生物技術(shù)也稱海洋生物技術(shù)，它涉及到海洋生物的基因工程、細(xì)胞工程、生化工程等技術(shù)，又包括海水養(yǎng)殖生物的遺傳育種及健康養(yǎng)殖、海洋生物天然產(chǎn)物與活性物質(zhì)的開發(fā)、生物固氮、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等知識(shí)和內(nèi)容。隨著海洋在沿海國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中地位的日益突出，海洋生物技術(shù)已受到高度的重視，這不僅表現(xiàn)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家先后制定了國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，將海洋生物技術(shù)確定為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，而且發(fā)展中國(guó)家如印度、巴西、墨西哥及東南亞各國(guó)等，也不失時(shí)機(jī)地將海洋生物技術(shù)的研究提到國(guó)家發(fā)展的日程上來(lái)［2］。我國(guó)也非常重視海洋生物技術(shù)的發(fā)展，1996年就已將海洋生物技術(shù)研究正式納入“國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”（863計(jì)劃）［3］。

1 藍(lán)色生物技術(shù)的研究領(lǐng)域

藍(lán)色生物技術(shù)是繼紅色生物技術(shù)、綠色生物技術(shù)和白色生物技術(shù)后出現(xiàn)的又一生物技術(shù)［4］。其中紅色生物技術(shù)是指應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面的生物技術(shù)，綠色生物技術(shù)是指應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生物技術(shù)，白色生物技術(shù)是指在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程中使用或部分使用的生物技術(shù)。不同顏色所代表的生物技術(shù)研究范圍見(jiàn)表1。

表1 不同顏色所代表的生物技術(shù)研究范圍［4］Tab.1 Different colors represent biotechnology research scope［4］

目前，藍(lán)色生物技術(shù)的研究已涉及許多方面，包括探索、開發(fā)和利用有價(jià)值的海洋生物，優(yōu)良養(yǎng)殖品種的培育和病害防治，海洋生物天然產(chǎn)物的利用，海洋生物特殊功能的闡明和利用，海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究，海洋生物利用系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。其中，隨著分子生物技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋生物天然產(chǎn)物和活性物質(zhì)的開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生物固氮等技術(shù)成為了藍(lán)色生物技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2 藍(lán)色生物技術(shù)的應(yīng)用

2.1 海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖

海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖是我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)中的第一大產(chǎn)業(yè)，占總產(chǎn)值的58.9%［5］。我國(guó)在大力發(fā)展海洋水產(chǎn)農(nóng)牧化的同時(shí)，也通過(guò)生物技術(shù)手段提高海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖種類的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖和健康狀況，培育出性狀優(yōu)良、抗病抗逆能力強(qiáng)的高產(chǎn)品種，而良種的培育一直是海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖生物技術(shù)的主要課題。自朱作言1985年首次發(fā)表轉(zhuǎn)基因魚研究成果以來(lái)，已對(duì)30多種魚類進(jìn)行了轉(zhuǎn)基因研究，其中包括鮭魚、牙鲆等海洋魚類，有十幾種魚的生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)移到鯉科魚、羅非魚、鮭鱒等魚類中［6－8］。2010年，文獻(xiàn)［9］披露了美國(guó)食品與藥品管理局正在考慮批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因大洋鮭（Salmo salar）上市的消息。另外，觀賞魚類的轉(zhuǎn)基因研究也成績(jī)斐然，紅色或綠色轉(zhuǎn)熒光蛋白基因魚研制相繼成功，如斑馬魚、唐魚等［10－13］。近年來(lái)轉(zhuǎn)基因魚種類的研究見(jiàn)表2。

表2 近年來(lái)轉(zhuǎn)基因魚種類的研究Tab.2 The research of transgenic fish species in recent years

在海洋藻類基因工程方面，自Asato等于1973年發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻質(zhì)粒和進(jìn)行載體開發(fā)以來(lái)，研究主要著重于海藻基因的構(gòu)造及功能、基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的建立和基因表達(dá)調(diào)控等方面［14］。在海帶、紫菜、裙帶和麒麟菜中均觀察到GUS基因瞬時(shí)表達(dá)，與此同時(shí)，分子生物學(xué)技術(shù)還被用于海藻系統(tǒng)發(fā)生、親緣關(guān)系和地理分布的研究，其中分子標(biāo)記技術(shù)已成功試用于海藻品種鑒定和分子標(biāo)記輔助育種等方面［15］。

2.2 海洋生物天然產(chǎn)物和活性物質(zhì)的開發(fā)

海洋生物天然產(chǎn)物和活性物質(zhì)是指海洋生物體內(nèi)自然合成的有機(jī)化合物，它們對(duì)生物體內(nèi)的代謝過(guò)程和各種生化反應(yīng)有活性作用，包括海洋藥用物質(zhì)、生物信息物質(zhì)、海洋生物毒素和生物功能材料等，是藍(lán)色生物技術(shù)研究和應(yīng)用的重要方面。

大量研究表明海洋生物的很多次生代謝產(chǎn)物具有非常好的抗腫瘤活性，而抗腫瘤藥物的研究也是目前世界上藥物研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。從海洋生物中發(fā)現(xiàn)的幾種天然活性物質(zhì)見(jiàn)表3。

海洋大環(huán)內(nèi)酯類化合物大多具有一定的抗癌活性。Ecteinascidin 743（Et－743）是從海洋被囊動(dòng)物紅樹海鞘Ecteinascidia turbinata中發(fā)現(xiàn)的含有四氫異喹啉的大環(huán)內(nèi)酯類生物堿，對(duì)晚期軟組織癌癥如直腸癌、乳腺癌、肺癌、黑色素瘤等療效顯著［16］，在美國(guó)已進(jìn)入了Ⅲ期臨床而且用于乳腺癌的Ⅲ期臨床研究已取得了很好的效果。目前已從海洋代謝物中發(fā)現(xiàn)了26個(gè)Ecteinascidin 743的類似物。很多海洋聚醚類化合物也有很強(qiáng)的抗腫瘤細(xì)胞活性，如Tian等［17］從海洋藻類Karenia mikimotoi中分離出的聚醚Gymnocin B，其分子結(jié)構(gòu)中含有15個(gè)連續(xù)的飽和醚環(huán)，這是迄今已知含醚環(huán)數(shù)量最多的聚醚類化合物，Gymnocin B在1.7μg·mL－1即顯示了對(duì)小鼠白血病細(xì)胞P388的毒作用；Muroga等［18］從海洋微生物菌株Chaetomium globosum中分離到7個(gè)新的具有吡喃結(jié)構(gòu)的化合物Chaetomugilins I～O，生物活性實(shí)驗(yàn)表明這幾個(gè)化合物均有明顯抑制P388、HL－60和KB等腫瘤細(xì)胞增殖的作用。

除了抗腫瘤活性天然產(chǎn)物外，還有抗菌、抗炎、抗病毒活性的天然產(chǎn)物。Inuzuka等［19］從海洋甲藻Amphidiniumsp.中分離出來(lái)的具有抗真菌活性的多羥基化合物，其結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)69個(gè)碳原子的骨架，骨架上含有1個(gè)羰基、24或25個(gè)羥基和2個(gè)四氫吡喃環(huán)；Huang等［20］從海洋甲藻Amphidinium carterae菌株中分離出1個(gè)多羥基魚毒素化合物，在其69個(gè)碳原子組成的線性結(jié)構(gòu)中含有3個(gè)四氫吡喃環(huán)和19個(gè)羥基以及羰基，具有非常強(qiáng)的魚毒性和抗真菌活性。

表3 從海洋生物中發(fā)現(xiàn)的幾種天然活性物質(zhì)Tab.3 Several natural active substances from marine organisms

在心腦血管活性的海洋天然產(chǎn)物中，巖沙?？舅兀≒alytoxin，PTX）是目前已知的最強(qiáng)的冠脈收縮劑，作用強(qiáng)度比血管緊張素強(qiáng)100倍［21］，非常有希望開發(fā)成特效抗腫瘤和治療心腦血管疾病的新型藥物。

另外，其它生物活性的天然產(chǎn)物中，從生長(zhǎng)在澳大利亞的海綿Acanthella costata中得到一種新的Phakellins類生物堿，可作為腎上腺激動(dòng)劑［22］；從海洋鏈霉菌代謝物Streptomyces sp.strain H668中分離出一個(gè)新的聚醚類化合物，體外活性試驗(yàn)表明其具有非常明顯的抗惡性瘧原蟲活性，且對(duì)正常的細(xì)胞沒(méi)有毒性［23］；最近從海洋甲藻代謝物中也發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的Amphidinols類似物［24］，它的多羥基結(jié)構(gòu)可能在進(jìn)入細(xì)胞膜中起著關(guān)鍵作用，所以也可用于聚合羥基鏈與細(xì)胞膜通透性關(guān)系方面的研究。

總之，近30年來(lái)尤其是近5年各國(guó)科學(xué)家對(duì)海洋生物天然產(chǎn)物及活性物質(zhì)進(jìn)行了廣泛深入的研究，發(fā)現(xiàn)海洋天然產(chǎn)物與陸生天然產(chǎn)物相比更加復(fù)雜多樣、新穎奇特。目前已從海洋生物中分離鑒定出超過(guò)3萬(wàn)個(gè)海洋天然產(chǎn)物，這些豐富多彩的海洋次生代謝產(chǎn)物將成為研制開發(fā)新藥的基礎(chǔ)，其中50余種生物活性顯著的海洋天然產(chǎn)物進(jìn)入了Ⅰ期和Ⅱ期臨床或臨床前研究［25］，這預(yù)示著藍(lán)色生物技術(shù)必將為人類健康的發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。

2.3 海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)

目前，應(yīng)用生物技術(shù)手段進(jìn)行海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和修復(fù)已成為藍(lán)色生物技術(shù)研究和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。利用生物技術(shù)保護(hù)海洋環(huán)境、治理污染，使海洋生態(tài)系統(tǒng)更加和諧，是一個(gè)相對(duì)較新的應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域。

在海洋能源的勘探開發(fā)中，石油加工產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用及排放，海上溢油事故等，使石油成為海洋環(huán)境的主要污染物之一，而消除海洋石油污染的最有效方法就是通過(guò)生物催化降解環(huán)境污染物，減少或最終消除環(huán)境污染物。Quek等［26］利用聚氨酯泡沫塑料（PUF）吸附法固定Rhodococcus sp.F92制成微生物固定化菌劑，進(jìn)行原油和成品油的降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明固定化微生物對(duì)烷烴的降解率達(dá)90%，同時(shí)聚氨酯泡沫能吸附溢油、阻止浮油向海灘和海岸線遷移；王坤等［27］利用海藻酸鈉包埋法固定化酚類有機(jī)物降解優(yōu)勢(shì)菌處理焦化廢水，取得了很好的降解效果。

在海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中，特別是近海生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)中，生物傳感器技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。如Istamboulie等［28］等利用層層自組裝技術(shù)修飾的多壁碳納米管和乙酰膽堿脂酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)了海水中的蟲滿威（氨基甲酸酯的一種），有效監(jiān)測(cè)了海水中殺蟲劑的污染情況。但是某些耐污染物對(duì)于污染物有富集作用，往往不能直接“監(jiān)視”和評(píng)價(jià)水體對(duì)生物即時(shí)毒性大?。ㄈ缰亟饘佟⒂袡C(jī)氯等污染），而需利用生物標(biāo)志物進(jìn)行海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)［29］，作為環(huán)境污染物毒性效應(yīng)早期預(yù)警的工具。目前常見(jiàn)的生物標(biāo)志物包括一些酶類、蛋白質(zhì)以及核酸物質(zhì)等，如Zhang等［30］發(fā)現(xiàn)渤海的Pb含量（1.63μg·L－1）超過(guò)我國(guó)海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)1.63μg·L－1的Pb可強(qiáng)烈抑制櫛孔扇貝EROD活性，據(jù)此研究人員探索了利用魚類組織的EROD酶活性檢測(cè)海洋水環(huán)境污染的方法［31］。

2.4 生物固氮

氮素循環(huán)是生物圈內(nèi)基本的物質(zhì)循環(huán)之一，其中生物固氮在氮素的地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用。生物固氮中有40%是由海洋固氮微生物完成的。研究發(fā)現(xiàn)，生物固氮在海洋、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的氮、碳循環(huán)中有著重要的作用，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)、演替和生產(chǎn)力持續(xù)發(fā)展有重要影響［32］。海洋微生物固氮還在吸收大氣CO2、減輕溫室效應(yīng)方面發(fā)揮著不可替代的功能［33］，氣候的變化與全球海洋氮儲(chǔ)庫(kù)的變化緊密相關(guān)［34］。另外，海洋微生物的固氮作用分布廣泛，不僅存在于貧營(yíng)養(yǎng)海域，同時(shí)也存在于上升流等富營(yíng)養(yǎng)海域中［35］。因此，進(jìn)行海洋固氮微生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)和全球氣候環(huán)境的影響研究，成為了藍(lán)色生物技術(shù)的前沿領(lǐng)域。

3 展望

海洋作為地球上潛力最大的資源庫(kù)，不僅能提供人類需要的優(yōu)質(zhì)蛋白，還有豐富的生物活性物質(zhì)，是未來(lái)解決人類所面臨的食物、資源和環(huán)境三大危機(jī)的最佳出處，也是藍(lán)色生物技術(shù)興起的根本。未來(lái)的藍(lán)色生物技術(shù)的發(fā)展仍然依賴于基礎(chǔ)生命科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，特別是分子生物學(xué)的研究與累積以及先進(jìn)生物技術(shù)的應(yīng)用。

我國(guó)藍(lán)色生物技術(shù)研究雖然起步較晚，但在國(guó)家科技戰(zhàn)略發(fā)展的重視下，近10年來(lái)也取得了許多可喜的成績(jī)。其中最能反映海洋生物技術(shù)前沿領(lǐng)域動(dòng)態(tài)和研究進(jìn)展的國(guó)際海洋生物技術(shù)大會(huì)（International Marine Biotechnology Conference，簡(jiǎn)稱IMBC）和中國(guó)第二屆國(guó)際海洋生物技術(shù)大會(huì)相繼在青島（2010年）、大連（2012年）舉行。未來(lái)幾年藍(lán)色生物技術(shù)將在海洋微生物尤其是在極端環(huán)境微生物、海洋天然產(chǎn)物生物制品、海洋材料科學(xué)、海洋藥物和醫(yī)療診斷生物技術(shù)、海洋環(huán)境保護(hù)等多個(gè)方面迅猛發(fā)展。

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