極端微生物

科學家們相信，極端微生物是這個星球留給人類獨特的生物資源和極其珍貴的科研素材。開展極端微生物的研究，對於揭示生物圈起源的奧秘，闡明生物多樣性形成的機制，認識生命的極限及其與環境的相互作用的規律等，都具有極為重要的科學意義。極端微生物中發現的適應機制，還將成為人類在太空中尋找地外生命的理論依據。極端微生物研究的成果，將大大促進微生物在環境保護、人類健康和生物技術等領域的利用。

我國對微生物的研究已有20多年的歷史，研究內容涉及極端微生物的資源調查、物種分析以及生理生態研究等。近年來，又在極端微生物分子生物學、基因組學和蛋白質組學等方面取得了重要進展。

紫膜，就是紫色的膜，是生長在極端嗜鹽菌原生質膜上的一種物質，含有與視覺中的視紫紅質相類似的蛋白質，在國際市場上的價格相當於黃金的1萬倍。

紫膜在嗜鹽菌原生質膜上以碎片形式存在，直徑大約為0.5微米，厚度5納米(相當於10-9米)，它與原生質膜上其餘部分紅膜共面。碎片中的唯一蛋白質細菌視紫紅質以三體形式二維六角形晶格排列在天然紫膜中，蛋白占紫膜乾重的75%，其餘25%為類脂。晶格尺寸為14納米，兩個蛋白質中心距離約1.5納米，每個碎片有10萬個細菌視紫紅質分子。每個細菌視紫紅質分子由248個氨基酸殘基的肽鏈組成，其分子量為26000。該肽鏈在空間捲曲摺疊形成7條跨膜螺旋柱，N端在細胞膜外側，C端在細胞膜內側，螺旋柱基本垂直於細胞膜。每個細菌視紫紅質結合一個生色團視黃醛，位於216位的賴氨酸上，處於靠近肽鏈C端細胞膜內側。

目前，世界上有大批研究人員從事於紫膜的研究工作，一旦有所突破，將會帶來革命性的變化。

2000米深處的生物

今年6月，中國大陸科學鑽探工程首席科學家許志琴院士向媒體透露，中國大陸科學鑽探工程已鑽入地下3787米，並在地下2000米深處的極端條件下仍發現大量的極端微生物。這一消息再次引起了人們對極端生命現象的關注。

我國對極端環境微生物的研究已有二十餘年的歷史，中科院微生物研究所青年科學家向華研究員主持的國家863項目“海洋極端嗜鹽古菌遺傳操作系統的構建”，就是目前我國極端微生物研究的重要課題之一。該項目的主要內容是分離克隆海洋極端嗜鹽古菌等的內源性質粒、基因及表達調控元件，研究嗜鹽古菌染色體外因子的複製機制及古菌基因的表達調控規律，構建極端嗜鹽古菌特有的基因克隆表達體系，為極端微生物的遺傳分析及其重要功能物質的開發利用提供有自主知識產權的工具平台。

這項工作，被該項目的主持人向華博士稱為———建造極端微生物“細胞工廠”。

極端嗜鹽古菌蘊藏著豐富的極端嗜鹽酶類、生物表面活性物質、重要的生物納米材料“紫膜”和生物可降解塑料前體物PHA

“生活在極端自然環境中的微生物是生命的奇迹。它們蘊涵著生命進化歷程的豐富信息，代表著生命對於環境的極限適應能力，是生物遺傳和功能多樣性的寶庫，也是人類認識生命本質的重要途徑。”向華告訴記者。

向華與海洋極端嗜鹽古菌

正是基於這樣的認識，2001年回國后，向華接過了極端微生物遺傳操作系統構建這面大旗，並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於海水曬鹽場、鹽湖甚至古海洋沉積物等高濃度鹽環境的一大類極端微生物，包括約18個屬。”向華介紹說，“極端嗜鹽古菌中蘊藏著豐富的極端嗜鹽酶類、特殊脂類、生物表面活性物質、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。我們現在工作的目的是在極端嗜鹽古菌中構建用途廣泛的遺傳操作平台，並對極端古菌重要功能物質進行開發、改造和利用。”

完成了國際上第一個極端嗜鹽嗜鹼古菌質粒的全序列測定及遺傳學分析，成功構建了多個具有自主知識產權的克隆表達載體

“我們已在極端嗜鹽古菌分子生物學，尤其是遺傳操作平台領域取得重要進展。”向華透露，研究人員現已從不同類群的極端嗜鹽古菌中分離了多個質粒，進行了詳細的分子機制分析，並成功構建了多個具有自主知識產權的克隆表達載體，已申請國家發明專利多項。

對於其研究經過，向華說，“我們對約30株不同種類的極端嗜鹽鹼古菌進行質粒普查，從其中一株中分離到一個新的質粒。經過全序列測定表明，這個質粒大小約為2.5kb，含有三個開放閱讀框，它們位於質粒的同一條鏈上。”據介紹，這項研究完成了國際上第一個極端嗜鹽嗜鹼古菌質粒的全序列測定及遺傳學分析，論文已在極端微生物國際專業雜誌Extremophiles上發表；以該質粒為基礎構建的新的載體系統，已成功轉化多種極端嗜鹽古菌，完成了多個受體菌的限制修飾系統的分析，論文也已在國際雜誌發表，並申請了國家發明專利。

在國際上首次發現了嗜鹽菌素可能的抗性基因；克隆了嗜鹽菌素可能的調控基因和轉運加工基因，並完成了一個目前極端嗜鹽古菌中最小的質粒的克隆及全序列的測定

在另一項研究中，工作人員對60餘株中性極端嗜鹽古菌進行了質粒普查，發現了一個新質粒，完成了分離克隆、全序列測定和GenBank註冊。研究表明，該類質粒可能代表了極端嗜鹽古菌一個新的質粒類型，具有較高的理論價值。由於這項工作的原創性及明確的應用前景，其構建的載體受體系統也已申請國家發明專利保護。

此外，向華課題組的研究人員還在極端嗜鹽古菌中發現並分離純化了一種抑菌譜廣性質穩定的新的蛋白類抗生素，並完成了其理化性質、氨基酸序列及抑菌譜分析，進而完成了其基因克隆和序列測定；新近又在國際上首次發現了嗜鹽菌素可能的抗性基因；克隆了極端嗜鹽古菌熱誘導啟動子，首次進行了其轉錄起始位點的確定並對其可能的調控機制進行了分析；研究組還克隆了嗜鹽菌素可能的調控基因和轉運加工基因，並完成了一個目前極端嗜鹽古菌中最小的質粒的克隆及全序列的測定。

向華介紹說，該項目自2002年10月啟動以來，研究組已建成兩個不同的載體受體系統系列，申請國家發明專利2項；在國際專業的SCI雜誌發表論文3篇；在GenBank註冊新基因序列7組（含新基因約12個，調控元件6個以上）。論文發表后，已引起本領域國際學術界的關注併產生了積極影響，美國佛羅里達大學及俄羅斯科學院2個實驗室還表達了合作意向。

“紫膜”特定突變體的市場價格目前是黃金的一萬倍，只能通過極端嗜鹽古菌遺傳操作系統進行改良和生產

“課題成果是提供有自主知識產權的極端嗜鹽古菌遺傳操作系統，這是一個高技術的研究和應用平台。”向華說，“但由於本課題成果的利用同樣屬於高新技術，目前國內企業難以開發利用，因此目前尚未進行應用和轉化工作。”他表示課題將進一步結合目標產品開展應用基礎研究，發揮技術平台及極端嗜鹽古菌細胞工廠的作用，如用於生物納米材料“紫膜”及生物可降解塑料前體物PHA等的生產和改良，形成產品，將更利於產品轉化，創造經濟效益。

他舉了個例子：該操作平台可用於生物納米材料“紫膜”的遺傳工程改良。遺傳工程優化的“紫膜”突變體，是用於研製生物計算機，進行海量信息處理，全息圖像貯存，以及人工視網膜、光電響應元件等領域的，最具開發潛力的生物納米材料。“紫膜”特定突變體的市場價格目前是黃金的一萬倍，只能通過極端嗜鹽古菌遺傳操作系統進行改良和生產。本課題成果為類似高新技術的國產化提供了可能。另外，古菌的PHA性質優良，其遺傳工程的進步也將促進該類產業的重大進步。

他最後欣慰地告訴記者，目前國家“863”計劃已準備對本項目進行滾動支持，在進一步完善該“細胞工廠”的同時，開展應用基礎的研究。“我們目前正利用這些具有自主知識產權的遺傳操作平台，開展包括紫膜和嗜鹽菌素等在內的多種特殊功能物質的研究和生物工程優化。”向華介紹，研究組的長遠目標是在理論方面揭示嗜鹽古菌的生命本質及其極端適應機制，在應用方面將致力於研製高性能的生物納米材料“紫膜”突變體，開發和定向改造可在有機高鹽環境中發揮活性的極端嗜鹽酶類，以及提高生物活性物質和生物材料如嗜鹽菌素及PHA等的產量和性能等，最終以極端微生物“細胞工廠”為基礎，實現認識、改造和生產極端微生物特殊功能物質的目標。