海洋微生物天然产物筛选技术

近一个世纪以来，随着各种色谱技术特别是高效液相色谱技术、结构鉴定技术如各种二维核磁共振技术和各种串联质谱技术的发展，天然产物化学研究取得了长足的进步，天然产物因其新颖的结构和特殊的生物活性有的直接成为临床应用药物，有的为合成药物提供了设计模版。1981到2002年全球范围公布的877个新药物实体中，有61%的药物是直接来源于天然产物或受天然产物的启发而设计合成的。在过去的100年间，天然产物化学研究的对象主要是陆生植物资源，近20年来随着陆地资源的减少、人口的增加和科技水平的迅猛发展，人类面临的可持续发展与资源匮乏以及环境恶化的矛盾日益突出，以开发海洋资源为标志的“蓝色革命”（blue revolution）正在形成前所未有的浪潮，发达国家对海洋资源的争夺也日益白热化。生命起源于海洋，海洋生物种类繁多，与对陆生生物的研究相比，人们对海洋生物的认识还相当有限，可能有相当数量的海洋生物如海洋微生物和无脊椎动物等目前并未被发现，估计海洋生物总种类要比现在已知的还要多数倍，海洋生物的利用率更是不足1%。海洋特殊生态环境中的生物资源已成为拓展天然药用资源的新空间，也是目前资源最丰富、保存最完整、最具有新药开发潜力的新领域，占地球表面积71.8%的浩瀚海洋将成为21世纪的大药库。

一直以来，微生物来源的天然产物在人类疾病的治疗过程中发挥着重要作用。近20年来，随着传统抗生素的广泛使用，细菌的耐药性迅速增加，而从传统的土壤微生物中发现结构新颖的活性化合物的速度却出现了明显的下降趋势。在探索具有生物活性天然产物新来源的过程中，海洋微生物引起了广泛的关注。海洋微生物主要包括生活在海水、海洋沉积物（海泥）及与海洋动植物共附生的微生物。由于其所处的高压、低温、缺氧等独特的生理环境，海洋微生物能够产生大量结构新颖并具良好活性的天然产物。Jensen等早在1994年就从生态学的角度分析了从海洋微生物中发现次级代谢产物的策略，系统地阐述了海洋微生物次级代谢及次级代谢产物的生态学意义。在过去10年中，越来越多的海洋天然产物被发现和报道。仅2006年新发现的海洋天然产物就超过了2001到2005年的总和，2007年较2006年又增加了24%，2008年则较2007年增加了11%。海洋微生物天然产物的研究已经积累了丰富的研究材料，总结了许多宝贵的经验，特别是近年来分子生物学技术的高速发展，为海洋药物开发提供了新的研究方法、思路和发展方向。尽管如此，在研究海洋微生物的过程中，人们依然面临着许多挑战，如：对海洋微生物仍缺乏一个准确的定义；海洋微生物的分布及多样性需要更深入的研究；可培养的海洋微生物仍集中在少数类群中，对于那些不可培养的微生物个体，很难直接从中获得相应的次级代谢产物等等。

在获得可培养的海洋微生物后，如何从中筛选到有活性的海洋微生物天然产物，才是研究工作的目标。传统的天然产物筛选方法，同样适用于海洋微生物来源的活性天然产物的筛选，并已有诸多的成功报道。常用的筛选方法主要包括三类：一是传统的活性筛选，此方法以活性为基础，根据活性追踪发酵液中的相应组分；二是模型筛选，这类筛选一般需建立针对特定靶标的筛选模型，并对模型进行多种参数的评估后再进行筛选；三是基因筛选，基因筛选是根据微生物天然产物生物合成基因簇中一些酶的保守区域设计引物，从微生物中特异性地筛选具有某类核心结构或后修饰基团的天然产物。需要说明的是这三类筛选方法并不是孤立的：通过分析海洋微生物次级代谢产物中相关酶编码基因的同源性，可预测经活性筛选或模型筛选得到的化合物的结构，如以该酶的基因作为出发点，最终还能挖掘到负责该化合物生物合成的基因簇；而通过基因筛选得到的某类化合物，最终也需要通过传统的活性检验或特定的模型评价这些天然产物作为先导化合物的潜力。无论以哪种筛选方法为主导，在确定活性组分后，经分离纯化、图谱解析，最终可确定化合物的结构。