今年6月，中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程首席科學(xué)家許志琴院士向媒體透露,，中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程已鉆入地下3787米,，并在地下2000米深處的極端條件下仍發(fā)現(xiàn)大量的極端微生物,。這一消息再次引起了人們對(duì)極端生命現(xiàn)象的關(guān)注。
我國(guó)對(duì)極端環(huán)境微生物的研究已有二十余年的歷史,，中科院微生物研究所青年科學(xué)家向華研究員主持的國(guó)家863項(xiàng)目“海洋極端嗜鹽古菌遺傳操作系統(tǒng)的構(gòu)建”,，就是目前我國(guó)極端微生物研究的重要課題之一。該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是分離克隆海洋極端嗜鹽古菌等的內(nèi)源性質(zhì)粒,、基因及表達(dá)調(diào)控元件,，研究嗜鹽古菌染色體外因子的復(fù)制機(jī)制及古菌基因的表達(dá)調(diào)控規(guī)律，構(gòu)建極端嗜鹽古菌特有的基因克隆表達(dá)體系,，為極端微生物的遺傳分析及其重要功能物質(zhì)的開(kāi)發(fā)利用提供有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工具平臺(tái),。
這項(xiàng)工作，被該項(xiàng)目的主持人向華博士稱為———建造極端微生物“細(xì)胞工廠”,。
極端嗜鹽古菌蘊(yùn)藏著豐富的極端嗜鹽酶類,、生物表面活性物質(zhì)、重要的生物納米材料“紫膜”和生物可降解塑料前體物PHA
“生活在極端自然環(huán)境中的微生物是生命的奇跡,。它們蘊(yùn)涵著生命進(jìn)化歷程的豐富信息,，代表著生命對(duì)于環(huán)境的極限適應(yīng)能力，是生物遺傳和功能多樣性的寶庫(kù),，也是人類認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)的重要途徑。”向華告訴記者,。
正是基于這樣的認(rèn)識(shí),，2001年回國(guó)后，向華接過(guò)了極端微生物遺傳操作系統(tǒng)構(gòu)建這面大旗,，并把目光投放在海洋極端嗜鹽古菌上,。
“極端嗜鹽古菌是廣泛存在于海水曬鹽場(chǎng)、鹽湖甚至古海洋沉積物等高濃度鹽環(huán)境的一大類極端微生物,，包括約18個(gè)屬,。”向華介紹說(shuō)，“極端嗜鹽古菌中蘊(yùn)藏著豐富的極端嗜鹽酶類,、特殊脂類,、生物表面活性物質(zhì)、蛋白類抗生素（嗜鹽菌素）,，以及重要的生物納米材料‘紫膜’和生物可降解塑料前體物PHA等,。我們現(xiàn)在工作的目的是在極端嗜鹽古菌中構(gòu)建用途廣泛的遺傳操作平臺(tái)，并對(duì)極端古菌重要功能物質(zhì)進(jìn)行開(kāi)發(fā),、改造和利用,。”
完成了國(guó)際上第一個(gè)極端嗜鹽嗜堿古菌質(zhì)粒的全序列測(cè)定及遺傳學(xué)分析，成功構(gòu)建了多個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的克隆表達(dá)載體
“我們已在極端嗜鹽古菌分子生物學(xué),，尤其是遺傳操作平臺(tái)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,。”向華透露,，研究人員現(xiàn)已從不同類群的極端嗜鹽古菌中分離了多個(gè)質(zhì)粒，進(jìn)行了詳細(xì)的分子機(jī)制分析,，并成功構(gòu)建了多個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的克隆表達(dá)載體,，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利多項(xiàng)。
對(duì)于其研究經(jīng)過(guò),，向華說(shuō),，“我們對(duì)約30株不同種類的極端嗜鹽堿古菌進(jìn)行質(zhì)粒普查，從其中一株中分離到一個(gè)新的質(zhì)粒,。經(jīng)過(guò)全序列測(cè)定表明,，這個(gè)質(zhì)粒大小約為2.5kb，含有三個(gè)開(kāi)放閱讀框,，它們位于質(zhì)粒的同一條鏈上,。”據(jù)介紹，這項(xiàng)研究完成了國(guó)際上第一個(gè)極端嗜鹽嗜堿古菌質(zhì)粒的全序列測(cè)定及遺傳學(xué)分析,，論文已在極端微生物國(guó)際專業(yè)雜志Extremophiles上發(fā)表,；以該質(zhì)粒為基礎(chǔ)構(gòu)建的新的載體系統(tǒng)，已成功轉(zhuǎn)化多種極端嗜鹽古菌,，完成了多個(gè)受體菌的限制修飾系統(tǒng)的分析,，論文也已在國(guó)際雜志發(fā)表，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利,。
在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了嗜鹽菌素可能的抗性基因,；克隆了嗜鹽菌素可能的調(diào)控基因和轉(zhuǎn)運(yùn)加工基因，并完成了一個(gè)目前極端嗜鹽古菌中最小的質(zhì)粒的克隆及全序列的測(cè)定
在另一項(xiàng)研究中,，工作人員對(duì)60余株中性極端嗜鹽古菌進(jìn)行了質(zhì)粒普查,，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新質(zhì)粒，完成了分離克隆,、全序列測(cè)定和GenBank注冊(cè),。研究表明，該類質(zhì)?？赡艽砹藰O端嗜鹽古菌一個(gè)新的質(zhì)粒類型,，具有較高的理論價(jià)值。由于這項(xiàng)工作的原創(chuàng)性及明確的應(yīng)用前景,，其構(gòu)建的載體受體系統(tǒng)也已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利保護(hù),。
此外，向華課題組的研究人員還在極端嗜鹽古菌中發(fā)現(xiàn)并分離純化了一種抑菌譜廣性質(zhì)穩(wěn)定的新的蛋白類抗生素,，并完成了其理化性質(zhì),、氨基酸序列及抑菌譜分析，進(jìn)而完成了其基因克隆和序列測(cè)定,；新近又在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了嗜鹽菌素可能的抗性基因,；克隆了極端嗜鹽古菌熱誘導(dǎo)啟動(dòng)子,，首次進(jìn)行了其轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的確定并對(duì)其可能的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了分析；研究組還克隆了嗜鹽菌素可能的調(diào)控基因和轉(zhuǎn)運(yùn)加工基因,，并完成了一個(gè)目前極端嗜鹽古菌中最小的質(zhì)粒的克隆及全序列的測(cè)定,。
向華介紹說(shuō)，該項(xiàng)目自2002年10月啟動(dòng)以來(lái),，研究組已建成兩個(gè)不同的載體受體系統(tǒng)系列,，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)；在國(guó)際專業(yè)的SCI雜志發(fā)表論文3篇,；在GenBank注冊(cè)新基因序列7組（含新基因約12個(gè),，調(diào)控元件6個(gè)以上）。論文發(fā)表后,，已引起本領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)界的關(guān)注并產(chǎn)生了積極影響,，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)及俄羅斯科學(xué)院2個(gè)實(shí)驗(yàn)室還表達(dá)了合作意向。
“紫膜”特定突變體的市場(chǎng)價(jià)格目前是黃金的一萬(wàn)倍,，只能通過(guò)極端嗜鹽古菌遺傳操作系統(tǒng)進(jìn)行改良和生產(chǎn)
“課題成果是提供有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的極端嗜鹽古菌遺傳操作系統(tǒng),，這是一個(gè)高技術(shù)的研究和應(yīng)用平臺(tái)。”向華說(shuō),，“但由于本課題成果的利用同樣屬于高新技術(shù),，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)難以開(kāi)發(fā)利用，因此目前尚未進(jìn)行應(yīng)用和轉(zhuǎn)化工作,。”他表示課題將進(jìn)一步結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)品開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究,，發(fā)揮技術(shù)平臺(tái)及極端嗜鹽古菌細(xì)胞工廠的作用，如用于生物納米材料“紫膜”及生物可降解塑料前體物PHA等的生產(chǎn)和改良,，形成產(chǎn)品，將更利于產(chǎn)品轉(zhuǎn)化,，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益,。
他舉了個(gè)例子：該操作平臺(tái)可用于生物納米材料“紫膜”的遺傳工程改良。遺傳工程優(yōu)化的“紫膜”突變體,，是用于研制生物計(jì)算機(jī),，進(jìn)行海量信息處理，全息圖像貯存,，以及人工視網(wǎng)膜,、光電響應(yīng)元件等領(lǐng)域的，最具開(kāi)發(fā)潛力的生物納米材料,。“紫膜”特定突變體的市場(chǎng)價(jià)格目前是黃金的一萬(wàn)倍,，只能通過(guò)極端嗜鹽古菌遺傳操作系統(tǒng)進(jìn)行改良和生產(chǎn)。本課題成果為類似高新技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化提供了可能,。另外,，古菌的PHA性質(zhì)優(yōu)良,，其遺傳工程的進(jìn)步也將促進(jìn)該類產(chǎn)業(yè)的重大進(jìn)步。
他最后欣慰地告訴記者,，目前國(guó)家“863”計(jì)劃已準(zhǔn)備對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行滾動(dòng)支持,，在進(jìn)一步完善該“細(xì)胞工廠”的同時(shí)，開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)的研究,。“我們目前正利用這些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的遺傳操作平臺(tái),，開(kāi)展包括紫膜和嗜鹽菌素等在內(nèi)的多種特殊功能物質(zhì)的研究和生物工程優(yōu)化。”向華介紹,，研究組的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是在理論方面揭示嗜鹽古菌的生命本質(zhì)及其極端適應(yīng)機(jī)制,，在應(yīng)用方面將致力于研制高性能的生物納米材料“紫膜”突變體，開(kāi)發(fā)和定向改造可在有機(jī)高鹽環(huán)境中發(fā)揮活性的極端嗜鹽酶類,，以及提高生物活性物質(zhì)和生物材料如嗜鹽菌素及PHA等的產(chǎn)量和性能等,，最終以極端微生物“細(xì)胞工廠”為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí),、改造和生產(chǎn)極端微生物特殊功能物質(zhì)的目標(biāo),。
■鏈接
什么是極端微生物
極端微生物是最適合生活在極端環(huán)境中的微生物的總稱，包括嗜熱,、嗜冷,、嗜酸、嗜堿,、嗜壓,、嗜金、抗輻射,、耐干燥和極端厭氧等多種類型,。
科學(xué)家們相信，極端微生物是這個(gè)星球留給人類獨(dú)特的生物資源和極其珍貴的科研素材,。開(kāi)展極端微生物的研究,，對(duì)于揭示生物圈起源的奧秘，闡明生物多樣性形成的機(jī)制,，認(rèn)識(shí)生命的極限及其與環(huán)境的相互作用的規(guī)律等,，都具有極為重要的科學(xué)意義。極端微生物中發(fā)現(xiàn)的適應(yīng)機(jī)制,，還將成為人類在太空中尋找地外生命的理論依據(jù),。極端微生物研究的成果，將大大促進(jìn)微生物在環(huán)境保護(hù),、人類健康和生物技術(shù)等領(lǐng)域的利用,。
我國(guó)對(duì)微生物的研究已有20多年的歷史，研究?jī)?nèi)容涉及極端微生物的資源調(diào)查,、物種分析以及生理生態(tài)研究等,。近年來(lái),，又在極端微生物分子生物學(xué)、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等方面取得了重要進(jìn)展,。
比黃金貴萬(wàn)倍的紫膜
紫膜,，就是紫色的膜，是生長(zhǎng)在極端嗜鹽菌原生質(zhì)膜上的一種物質(zhì),，含有與視覺(jué)中的視紫紅質(zhì)相類似的蛋白質(zhì),，在國(guó)際市場(chǎng)上的價(jià)格相當(dāng)于黃金的1萬(wàn)倍。
紫膜在嗜鹽菌原生質(zhì)膜上以碎片形式存在,，直徑大約為0.5微米,，厚度5納米(相當(dāng)于10-9米)，它與原生質(zhì)膜上其余部分紅膜共面,。碎片中的唯一蛋白質(zhì)細(xì)菌視紫紅質(zhì)以三體形式二維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%%為類脂,。晶格尺寸為14納米,，兩個(gè)蛋白質(zhì)中心距離約1.5納米，每個(gè)碎片有10萬(wàn)個(gè)細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子,。每個(gè)細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子由248個(gè)氨基酸殘基的肽鏈組成,，其分子量為26000。該肽鏈在空間卷曲折疊形成7條跨膜螺旋柱,，N端在細(xì)胞膜外側(cè),，C端在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，螺旋柱基本垂直于細(xì)胞膜,。每個(gè)細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)合一個(gè)生色團(tuán)視黃醛,，位于216位的賴氨酸上，處于靠近肽鏈C端細(xì)胞膜內(nèi)側(cè),。
目前,，世界上有大批研究人員從事于紫膜的研究工作，一旦有所突破,，將會(huì)帶來(lái)革命性的變化。
