海洋微生物宏基因组工程进展与展望
宏基因组技术研究进展
DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.03.011 ·综述· 宏基因组技术研究进展印蕾，高向东，顾觉奋微生物支撑着地球上的物质循环和生命延续，除了自身可作为新基因资源的重要来源外，还可产生对人类有价值的活性物质。
然而，传统纯培养方法严重限制了人们对微生物资源的认识和开发。
一方面，随着对微生物活性产物研究的深入，微生物往往被重复培养和筛选，从传统方法来筛选新活性物质的几率不断下降。
另一方面，多达 99% 的微生物在现有实验条件和技术下尚未得到纯培养，其中蕴含着大量潜能微生物和基因资源[1]。
近年来，随着基因组学在各个领域的渗入和现代分子技术的逐渐成熟，宏基因组学（Metagenomics）应运而生，开启了环境微生物研究的新方向。
1986年，Olsen 等[2]提出直接从环境中克隆核糖体小亚基 DNA（16SrDNA），首次运用非纯培养的分子生物学方法研究展开微生物多样性研究。
随着环境基因组学（Environmental genomics）概念的出现[3]以及第一个海洋微生物宏基因组文库的建立[4]，宏基因组学研究开始受到广泛关注。
1998 年，Handelsman 等[5]在前人研究的基础上正式提出了宏基因组（Metagenone）的概念，即“特定生态环境中所有生物遗传物质的总和”。
宏基因组学则以环境样品中微生物群体基因组为研究对象，采用功能基因筛选和测序分析等研究工具，从不可培养微生物中来寻找新基因或开发新生物活性物质[6]。
宏基因组学的产生使人们摆脱了物种界限，克服了传统微生物培养方式的缺陷，扩大了微生物资源的利用，掀开了环境微生物研究的新篇章。
1 宏基因组学研究策略区别于传统培养途径（图1）[7]，宏基因组学的研究过程包括从环境样品中提取基因组 DNA；载体连接；转化宿主细胞，形成一个重组的 DNA 文库；筛选目的克隆 4 个步骤。
宏基因组技术及其在海洋微生物研究中的应用
宏基因组技术及其在海洋微生物研究中的应用宏基因组技术是一项重要的研究工具，在近年来的研究中得到了广泛的应用，尤其是在海洋微生物研究中。
本文就宏基因组技术的基本原理、研究方法以及其在海洋微生物研究中的应用展开介绍，以期为海洋微生物研究的发展进步提供重要助力。
宏基因组技术可简述为以基因组为基础，以全基因组测序（shotgun sequencing）、全基因组定位测序（whole genome mapping）和芯片技术等为方法，通过对一个特定细胞中的所有DNA片段（包括基因、基因家族、基因复制和调节等）进行测序分析，从而研究特定细胞的结构和功能的技术。
宏基因组技术的优点是较好地解决了全基因组测序中测序片段配对问题，使最终拼接的结果更加准确，进而达到整个基因组的分析，因而在现代生物学研究中，宏基因组技术受到了极大的关注。
宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用主要体现在以下几个方面：首先，宏基因组技术可以有效地揭示海洋微生物的分子遗传机制。
它可以帮助我们了解海洋微生物的某些重要特性的分子机制，例如它们的适应性、发育能力以及进化等。
其次，宏基因组技术还可以帮助我们发现并鉴定海洋微生物种类及其分布，进而了解海洋微生物种类资源的多样性和分布规律，为海洋生态环境保护提供依据。
此外，宏基因组技术还可以揭示海洋微生物在环境变化过程中的多样性变化规律，这对于研究微生物在气候变化过程中的响应具有重要意义。
宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用，有助于深入理解海洋微生物的结构与功能关系，全面掌握海洋微生物的形态特征及分布规律，进而指导海洋微生物的利用和保护。
在当前的研究中，宏基因组技术得到了广泛的应用，基本上我们已经可以从基因水平上深入了解海洋微生物的一些重要特性，并且以更高的效率挖掘海洋微生物种类资源，为海洋生物多样性研究和保护提供有力支撑。
因此，宏基因组技术对海洋微生物研究具有极其重要的意义。
未来应当继续加强宏基因组技术在海洋微生物研究中的应用，更加全面地深入研究。
海洋中的微生物资源发掘及其应用前景
海洋中的微生物资源发掘及其应用前景随着生态环境的不断恶化和人口的不断增加，传统的资源已经难以满足人类的需求。
在这种背景下，人类开始寻找新的资源来源，其中海洋中的微生物资源逐渐受到了广泛的关注。
海洋中的微生物资源具有丰富的物种多样性和广泛的生物学活性，具有巨大的开发和利用潜力。
一、海洋中的微生物资源的发掘1. 海洋中的微生物资源的种类和分布海洋中的微生物资源主要包括细菌、真菌、藻类、原生动物等。
这些微生物广泛分布于海洋中的各种生境中，如海洋底层沉积物、海水、海洋生物体内等。
由于其数量巨大且广泛分布，海洋中的微生物在全球的生态系统中具有重要的地位。
2. 海洋中的微生物资源的发掘方法目前，发掘海洋中的微生物资源主要采用三种方法：传统筛选法、分子生物学筛选法和基因组学筛选法。
传统筛选法基于物种特征和生物学活性筛选菌落。
分子生物学筛选法是根据微生物的功能基因构建PCR反应引物，对海洋样品进行筛选。
基因组学筛选法则是对微生物进行基因组测序，确定其生物学活性。
二、海洋中微生物资源的应用前景海洋中的微生物资源具有众多的生物学活性和生物技术潜力，其开发和利用前景广阔。
1. 食品工业的应用海洋中的微生物资源提供了一系列的生物活性成分，能够作为食品添加剂。
例如，海洋微生物生产的多糖、蛋白质、酶等成分，可以用于改善食品口感和营养成分。
2. 医药工业的应用海洋中的微生物资源可以作为药物的原材料，具有广泛的开发潜力。
例如，之前发现的多美滋素D和万古霉素，都是由海洋中的微生物发酵提取的。
此外，来自海洋中微生物的抗肿瘤、抗病毒、抗菌等有生物学活性成分的发掘，也是当前医学研究中的热点。
3. 环境保护领域的应用海洋中的微生物资源不仅为人们带来了经济财富，也为环境保护带来了一些创新。
近年来，基于海洋中的微生物，开发出一些新颖的生物技术，例如利用微生物清理海洋环境中的有害物质等，保护海洋的生态环境。
总结：海洋中的微生物因种类多样，分布广泛，具有丰富的生物学活性和开发利用潜力，被广泛关注。
生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景
生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景随着海洋资源的逐渐枯竭和对可持续发展的追求，生物工程技术在海洋生物资源开发中的应用前景正日益受到关注。
生物工程技术作为一种综合应用技术，可以利用现代生物学、工程学和化学等学科知识，对海洋生物资源进行开发、利用和保护。
本文将探讨生物工程技术在海洋生物资源开发中的重要应用领域，并讨论其发展前景。
一、基因工程在海洋生物资源开发中的应用基因工程技术在海洋生物资源开发中扮演着重要的角色。
通过利用基因工程技术，可以实现对海洋生物遗传信息的研究和改良。
例如，利用基因工程技术可以改良某些海洋动植物的生长速度、免疫能力和品质等性状，以提高其经济价值。
此外，基因工程技术还能够通过转基因技术实现对海洋生物的遗传改造，使其具备新的物质生产能力，如产生特定的药物、饲料和生物材料等。
基因工程技术的应用预计将进一步促进海洋生物资源的高效利用和可持续开发。
二、微生物技术在海洋生物资源开发中的应用微生物技术是另一个在海洋生物资源开发中具有潜力的领域。
海洋中富含各种微生物，它们具有抗逆能力和适应性强的特点，可以在特殊环境中生存和繁殖。
通过利用微生物技术，可以有针对性地寻找和筛选出具有特殊功能的海洋微生物，如产酶、产抗生素和产酶等。
这些具有特殊功能的微生物可以应用于海洋生物资源的开发和利用中，提高资源的综合利用率和降低生产成本。
因此，微生物技术在海洋生物资源的开发中具有广阔的应用前景。
三、生物多样性保护与可持续发展对于海洋生物资源开发来说，生物多样性保护与可持续发展是至关重要的。
海洋生物资源是地球上生物多样性最为丰富的地区之一，因此，保护和维护海洋生物多样性对于可持续开发至关重要。
生物工程技术可以为生物多样性保护和可持续发展提供有力支持。
通过遗传标记技术和生物信息学等手段，可以准确评估和监测海洋生物多样性，为资源开发与保护提供科学依据。
此外，生物工程技术还可以发展生态友好型的海洋生物资源利用技术，如生物修复技术和循环经济技术，以实现对生态环境的保护和恢复。
海洋生物学研究中的技术进展
海洋生物学研究中的技术进展海洋生物与生命本质一样，是无穷无尽的，仍有很多未被揭示出来的奥秘在等待着人们去慢慢探索。
而在海洋科学研究中，技术是推动研究逐步发展的重要力量之一。
本文将会介绍和探讨在海洋生物学研究中的技术进展，探索着科技以及科学的发展所带来的奇妙变革。
一、船只探测技术进展在传统的海洋生物学研究中，人们通常使用渔船或者单体潜水器来搜寻和观察海洋生物。
而这样做存在着诸多的限制，例如数据采集和传输的效率低下、船只的安全性等。
为了克服这些限制，现代船只和海洋科技得到了跨越式的发展。
公海号（RV Atlantis）是美国海洋与大气管理局下属的一艘海洋科学考察船，它探测的深度可以达到4570米。
其搭载的阿尔文潜水器可以在深达4500米的海底进行探险。
这些高规格的技术设备能够帮助科学家深入海底，观察未知的生物群落和海洋生态环境，为海洋研究提供了丰厚的数据。
二、物种分类技术进展物种分类是海洋生物学的必要基础, 能够为我们理解物种之间的关系提供重要线索。
然而，人类对海洋之浩瀚宏大，想要发现并分类每一种海洋生物是非常困难的。
在过去，分类通常是依靠观察形态特征和基因组分析，但这种方法准确性不高并且费时费力。
而现在出现了一些更加高效和智能的技术。
基于基因分子生物学的技术，比如 DNA 条码和第二代高通量测序技术，可以更加精确地解析和识别物种。
人们可以通过基于DNA 条码的测序技术知道一个个体所属的物种。
这种技术的优点在于高精度和速度。
在研究物种多样性和对某个群落的行为动态的探讨中，这种技术有着非常广泛的应用。
这些工具提供了更加准确、实惠和智能化的菌种分类。
三、图像处理技术进展海洋生物学是一门需要观察和记录自然环境的学科。
为了深入了解水下生物群落的情况，科学家们需要对海底环境进行实时观测和记录。
而现代的图像处理和机器学习技术帮助科学家更加直观而详细地观测海底物体，把海底的数字和图像数据转化为科研数据。
现在，国际上已经有许多研究人员正在开展海底图像处理和数据挖掘的技术。
宏基因组学研究进展
宏基因组学研究进展在生物学领域，宏基因组学作为一门新兴的前沿学科，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
本文将通过介绍宏基因组学的基本概念、研究现状、研究方法、研究成果及其局限性，带领大家全面了解宏基因组学的研究进展。
宏基因组学是一门研究存在于生物群落中的基因及其多样性的学科。
它通过运用高通量测序、生物信息学和系统生物学等技术手段，对整个生态系统中的微生物基因组进行深入研究，旨在揭示微生物群落中隐藏的生物多样性和生态功能。
随着16S rRNA基因测序技术的发展，宏基因组学研究取得了突破性进展。
尤其是近几年，宏基因组学研究在环境微生物多样性、病原菌感染机制以及生物医药等领域表现出巨大的应用前景。
发展趋势表明，宏基因组学将进一步推动生命科学领域的发展，为人类解决一系列生态和健康问题提供有力支持。
在宏基因组学研究中，实验设计、数据分析和模型构建等方面都至关重要。
实验设计需要考虑样品的采集、处理和文库构建等环节；数据分析则需借助一系列生物信息学技术和算法，对海量数据进行有效挖掘和精准解析；模型构建则需要以数据为基础，构建能准确描述微生物群落结构和功能的数学模型。
宏基因组学研究已经取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，通过研究海洋微生物群落，科学家发现了许多新的微生物种类和基因，揭示了海洋生态系统的运行机制；同时，宏基因组学研究还在病原菌感染、生物医药等领域表现出极大的应用潜力，为解决一些重大疾病提供了新的思路和方法。
这些成果不仅丰富了我们对生物世界多样性的认识，也为我们提供了大量宝贵的生物资源。
然而，尽管宏基因组学研究已经取得了显著的成果，但仍存在一定的局限性。
例如，采样过程中可能会受到污染，导致结果出现偏差；另外，数据分析过程中可能存在技术难点，如噪声数据的处理、稀有物种的检测等。
此外，宏基因组学研究还面临着理论和方法上的挑战，例如如何构建更为精准的微生物群落模型，如何将宏基因组学研究成果应用于实践等等。
总之，宏基因组学作为一门新兴的生物学分支，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
宏基因组学
,已发现的新基因主要有生物催化 剂基因、 抗生素抗性基因以及编码转运蛋白基因
• 土壤宏基因组学技术最引人注目的贡献是新生物 催化剂的发现 , 包括腈水解酶和淀粉酶( Rondon et al . , 2000 )、 蛋白酶、 氧化还原酶(Knietsch et al . , 2003)、 脂肪酶、 酯酶 ( Ki m et a l . ,2004; 2006)等 ,并且在此基础上获得新酶的许 多特征信息.
• 海表层水样 为研究海洋生命的代谢潜力和海洋生态学提供
了前所未有的原始素材；海洋蕴藏着巨大的生物 多样性和复杂性 ,宏基因组学研究将大大促进人 们对它的认识。 • 极端环境水体 (如酸性矿水、 深海 )
由于其苛刻的物理化学条件,使得其中的微生 物群落也较为独特 ；利用环境基因组学对其开展 微生物生物群落结构及生理代谢对环境变化响应 的研究 ,将促进我们更好地理解这些极端环境生 态系统并对其加以调控和利用。
序列分析法
• 微序列技术 (Micr oarray)采用集约化和平面处 理原理 ,在微小片基上高密度而有序地排列大量 基因片段、 EST或寡核苷酸片段 ,从而形成 DNA 微矩阵 ,又称基因芯片。
• 焦磷酸测序技术( Pyrosequencing) 是在焦磷酸 盐测序法的基础上结合一种乳胶材料和皮升级反 应孔 ,将基因组 DNA进行随机切割 ,批量地进行 整个测序反应，能够在相同的时间内破译 6 × 106组以上的基因组序列 ,比 Sanger法要快100 倍 ,提高了测序的效率。
将一条完整的目标序列随机打断成小的片段 , 分别测序 ,然后利用计算机根据序列间的重叠关 系进行排序和重新组装, 并确定它们在基因组中 的正确位置 。
• 优点：为筛选新的天然产物提供了 一种可选择的途径, 从中挖掘上百 万个新基因,揭示不可培养微生物 的代谢途径.
宏基因组学和元基因组学的研究进展
宏基因组学和元基因组学的研究进展宏基因组学和元基因组学是生物学研究中的两个新领域。
前者是指研究微生物群体组成和功能的广泛基因组学，后者是指研究基因组序列数据的分析和解释。
这两个领域在近年来得到了快速发展，为微生物学的研究提供了更全面的视野。
在本文中，我们将讨论宏基因组学和元基因组学的研究进展，以及这些新方法如何改变微生物学的研究方法。
宏基因组学宏基因组学是一种广泛的微生物群落分析方法，用于刻画合成群落系统的多样性、种类以及功能。
它涉及从环境样品中提取和分离DNA 并通过高通量测序来分析和比较各种基因组，例如芽孢杆菌、屈曲菌和厌氧菌等微生物的发掘从而进行系统深入的基因组学研究。
以前，研究者通常只特异研究一个菌株，因此不可避免地忽略其生活环境中其他菌株对这个菌株维持生存所起的作用。
宏基因组学是一种针对这个研究上的瓶颈的全面性方法。
它可以将整个微生物社区视为一个整体去探究和发掘，而不仅仅是单独针对菌株的研究。
宏基因组学的发展极大地促进了微生物学的研究。
借助这种新方法，研究者现在可以研究广泛的微生物群体，比如土库曼池盐湖这样的一种强胁迫环境的微生物群体，曾经这样的微生物群体难以研究。
利用此方法，研究者们能够找到一些在生存环境具有重要功能或者新颖特性的微生物，并对它们的性质进行详细的探究。
因此，宏基因组学为微生物群落的发现和鉴定提供了一种快捷有效的途径。
元基因组学元基因组学是一种研究微生物和其他生物系统在基因组水平上的样品和群体多样性的方法。
与基因组学研究仅仅关注单个物种不同，元基因组学依然适用于研究微观生物群落以及混合分析的方法。
元基因组学研究则首先根据群落中存在的基因逐一进行筛选，进而研究群落中深层隐含的多样性信息和它们之间的关系。
通过分析每个样品内的基因的剖面，元基因组学能够揭示生态和环境对微生物群落结构和功能的影响。
大大地能够促进微生物全球生态对环境的种类、多样性、遗传偏移、阶层、以及生物地理学模式等方面的了解。
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基因组工程与海洋生物学进行有机的结合， 促使人类了解许
［&］ 多未培养海洋微生物的基因组序列及其功能产物 ， 这方面
的飞速发展揭开了海洋天然药物研究的新篇章， 同时， 在海 洋极端环境微生物研究、 海洋微生物多样性探索中具有十分 重要的应用前景。该领域近几年发展非常迅速， 大规模的海
［&］ 洋宏基因组测序工作提供了大量 JE/ 序列方面的数据 。
中绝大多数微生物或者从来没有经过实验室培养， 或者至今无法培养， 因而其分类地位及其生态学功能尚未为人 类所认识。随着 0&B CDE/ 序列分析与系统分类学的广泛应用， 海洋微生物多样性研究领域已经发生了很可观的改 变， 这些变化极大的丰富了人们对的微生物多样性及其生态功能的认识和理解。这里结合笔者近十年来的工作实 践， 讨论近年来在海洋微生物资源开发利用方面的研究进展， 提出一个带有自动化特征的宏基因组功能表达平台， 探讨海洋微生物资源利用的新途径。可以预见在不久的将来， 海洋环境宏基因组工程研究将在一定程度上使得传 统未培养海洋微生物基因资源及其功能产物能够为人类所开发和利用。 关键词：宏基因组学； 微生物多样性； 海洋药物发现； 细菌人工染色体 中图分类号： F"(； F1## 文献标识码： / 文章编号： %%%05&$%1（$%%"）%#5%’!(5%& 基因库 （G-,.7,H） 中不断增加的 0&B CDE/ 及基因组序列数据 库， 为微生物系统分类提供了相当丰富的种源信息。目前微 生物学界所公认的原核生物分类系统中， 原来 00 个单列的
［$%， $3］ 的克隆载体如粘粒和 H+).(’ 等 ， 从 : $3"GE <67 片段）
环境样品如土壤和海洋底泥中未知生物群体中分离 <67， 建 进而一方面通过 $34 -<67 研
海洋微生物宏基因组工程进展与展望
李 翔0 ， 秦 岭0 ， 戴世鲲0 ， 姜淑梅0 ， 刘志恒$
（0 中国科学院南海海洋研究所 海洋药物重点实验室 （ 中国科学院微生物研究所
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广州
’0%#%0）
北京
0%%%(%）Biblioteka 摘要： 据初步统计， 生活于海洋环境包括大洋深处的微生物有 0%% 万种以上， 构成了一个动态的遗传基因库， 其
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翔等：海洋微生物宏基因组工程进展与展望 N O 微生物学报 （!""#） （1） ;#
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及其所具有的难以预测的潜力和应用价值。
通过对海洋微生物多样性和生物活性物质多样化的研 究表明， 探索和开发新的方法和途径分离培养海洋环境中的 新型微生物种群， 辅之以世界一流的生物活性筛选和化学结 构与功能分析方法， 必将开辟全新的次生代谢产物资源用于 天然药物的研究开发。对于至今难于培养的海洋微生物来 说， 我们认为其基因资源表达产生的功能多样性研究可以提 供线索， 这一点正如过去 $" 年来对土壤生态系统中不同代 谢产物研究取得的成功一样。海洋环境与土壤环境的未培 养微生物具有相似的特点， 例如， 绝大多数海洋环境微生物 难于培养， 高度的营养竞争， 以及方法学上的研究滞后等。 经过近 $" 年的研究发现， 未培养微生物的代谢产物能够借 助以细菌人工染色体 （ 879） 作为克隆和表达载体的宏基因 组克隆技术， 在异源寄主中成功表达， 从而使人们初步了解 这些难于正 常 培 养 的 微 生 物 的 次 生 代 谢 产 物 与 生 物 学 功
究主要由美国、 加拿大的工业生物技术研究公司 <(>,-)= I@*、 并取得了 J,--=K,@ <()*+>,-L I@* 和 9C-+.+M+., 尝试性开展， 一些 技 术 突 破 和 关 键 成 果。 与 此 同 时，发 现 了 包 括
［#］ ， 其中， 三类源自于海洋微生物 性和生物活性的天然产物
的药物已经投放到国际药品市场。与此同时， 研究人员正对 十多种源自 海 洋 的 药 物 进 行 临 床 试 验 和 临 床 前 期 实 验 观 察
［&］
， 其中包括来自于海绵共生微生物和海洋底泥微生物的 长期以来， 人们怀疑早先从海洋无脊椎动物中分离的很
［$"］
概念， 泛指某一自然环境中全部微生物的基因组群 （ AC, 。其研究策略克 B,@+.,) +D AC, A+A=/ .(*-+E(+A= D+F@’ (@ @=AF-,） 服了绝大多数环境微生物难于通过一般实验室分离培养的 现实。目前， 相关研究主要集中在探索微生物的基因序列， 着重通过 $34 -567 基因序列的系统进化研究， 使环境微生 物的多样性分析趋于完整客观。而我们这里所提出的宏基 因组海洋药物开发平台 （图 $） ， 通过结合宏基因组工程与海 洋生物学， 形成一项旨在揭示海洋环境中微生物宏基因组特 点并用于发现新药物的研究计划。 细菌人工染色体 （ 879能 克隆高达 3%"GE 的大片段 <67 并稳定保持包括真核生物和 原核生物等不同来源的 <67 不发生遗传变异。基于 879 载 体的宏基因组克隆表达是一种具有相当优势的研究方法。 这对天 879 克隆株可以在同源和异源寄主中进行功能表达， 然产物药物开发尤其重要， 因为在生态系统包括海洋环境中 难于培养 的 微 生 物 占 优 势 地 位， 借 助 这 一 技 术， 可以绕过 “实验室培养” 这一长久面临的挑战。 宏基因组克隆表达技术利用 879 或其它大片段 <67 （1%
基金项目： 中国科学院 “引 进 国 外 杰 出 人 才” （百 人 计 划） 项 目； 国家科技支撑计划项目 （ $%%&./.01.%$ ） ； 广东省科技计划项目 （$%%&.#&’%0%%!） 作者简介： 李 ， 男， 湖北人， 研究员， 研究方向为海洋微生物学、 组合生物学、 系统分类与进化。 3-4： 翔 （01&$ 2 ） (&5$%5(1%$#%0#； 678： (&5$%5 (!!’0&"$； 95:7;4： 4;8;7,<= >?>;@A 7?A ?, 其他作者： 欧阳永长0 收稿日期： 接受日期： 修回日期： $%%&50050"； $%%"5%05#%； $%%"5%050(
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宏基因组克隆表达技术与海洋药物开发平台
［$;］ 由 <=>(,) 等 所 创 导 的 宏 基 因 组 工 程 技 术 ，为
［ ］ 提出了宏基因组 （.,A=B,@+.,） 的 ?=@’,/).=@ 等 ! 系统归纳后，
产物药物开发的一个重要目标。目前， 很多资源已投入这个 领域的研究前沿， 期望解决对新颖抗生素类药物和其它高效 天然药物越来越迫切的需求， 用于治疗如心血管疾病、 癌症 和其它新的突发性的疾病， 如 !""1 年大规模爆发的非典型 肺炎和现今常见诸于东南亚报端的禽流感等等。此外， 病原 菌对现有药物抗药性和耐药性的不断增强， 尤其是具有多重 抗药性病原菌的频繁出现， 使得目前抗生素类药物在新颖性 和多样性上的储备显得越来越不足， 人类在治疗感染性疾病 方面近 %" 年来的优势正在丧失。这一切都更加彰显了海洋 天然药物研究开发的重要性。 然而， 和国际药品市场上众多的土壤来源的天然药物相 比较， 海洋天然药物无论是在数量上还是在应用范围上都有 很大的差距， 其根本原因在于下述 1 个方面。 !"! 海洋生物活性产物的痕量存在 由海洋生物 （包括微生物） 产生的生物活性物质在海洋 小生态系统中存量极微， 比如在海绵中， 生物活性物质通常 仅痕量存在。大规模的样品采集和化合物分离提纯难度很 大， 难以满足临床前期和临床实验的最低需求。 !"# 海洋生物活性物质难于化学合成 很多海洋化学物质具有独特的结构特点， 目前尚缺乏经 济有效的化学合成途径， 不能进行有效的人工生产。 !"$ 产生活性物质的海洋微生物难于人工培养 大多数产生活性产物的海洋微生物在现有实验室条件 下尚不能培养， 少数能培养的海洋微生物培养周期超长， 这 些问题已经困扰科学家很多年。根据早期的研究结果推断， 超过 002 的海洋微生物在目前可提供的培养条件下不能人 工培养， 从海洋底泥和海洋生物海绵中随机克隆的 $34 -567 基因序列分析所得到的系统发育数据也支持这个推断
宏基因组 （:-I7<-,@:;?>） 工程， 直接将特定环境中的总体 遗传物质， 相关基因 （簇） ， 避 开了环境微生物分离培养的难题， 在挖掘和利用未培养微生
［’］ 物资源， 筛选新颖生物活性物质方面具有极大的潜力 。宏
替斯利得 （ ’()*+’,-.+/(’,） ， 临床试验结果非常令人鼓舞。 多生物活性物质是由与其共生的微生物产生的。比如我们 熟知的无脊椎动物海绵和海鞘就与多种多样的细菌群形成 共生体， 它们产生的天然产物与一些相关陆生微生物产生的 天然产物具有高度的结构相似性， 最近的研究成果也充分证
［0， $"］ 明了这个推论 。因此， 海洋环境中的化学多样性是天然
［0， $］ “门” 的设定 已经为 ’# 个分类学意义上 “门” 的系统分类 ［#， !］ 所取代， 形成了现代微生物学的分类学基础 。
从 01$1 年发现青霉素以来， 人们已经从微生物中开发 了一百多种临床使用的抗生素， 抗癌和抗病毒药物。然而， 近几年来人类病原菌抗 （耐） 药性迅速发展， 新的传染病隐患 日益加深， 但是从可培养微生物中发现新型生物活性物质的 研究却趋于停滞， 为此科学家们将研究的重点从陆地微生物 转移到海洋微生物， 希望在海洋药物开发方面突破药物来源 方面的瓶颈， 从而高效而可持续开发利用浩瀚海洋中丰富的 微生物资源。 复杂多变的海洋环境赋予了海洋微生物在物种资源、 基 因功能和生态功能上无与伦比的生物多样性， 可持续开发和 利用这些特殊环境下的微生物资源是工业生物技术开发的 一个全新领域， 也是人类寻找新型功能活性物质和天然药物 的天然宝库， 具有广阔的开发应用前景。由于在海洋微生物 群体中大量难培养的微生物占优势地位， 并且对于它们的新 陈代谢相关知识缺乏了解， 要完全理解这种相互作用还需要 时间。 过去十多年在海洋微生物培养和高新生物技术上的发 展， 特别是在基因组相关技术上的飞速发展， 为我们从分子 水平上了解海洋微生物及其生态功能多样性提供了诸多的 便利。随着 0&B CDE/ 序列分析与系统分类学的广泛应用， 以及不依赖于标准微生物培养技术的基因克隆等相关技术 的快速发展， 海洋微生物多样性研究领域发生了根本性改 变， 这些变化极大地丰富了我们对微生物多样性的认识。在