普通高温放线菌

放线菌能生产种类繁多的次级代谢产物，而微生物发酵是人们获取这些天然产物的重要手段。对于某一目标产品，野生菌株的产量一般难以满足工业生产的要求，需要经过长期的菌株驯化以提升产量。小分子生物传感器与液滴微流控的组合已被证明是放线菌菌株改造和高通量筛选的有效手段。然而，在菌株驯化过程中，目标产物的产量往往是阶段上升的，而多数生物传感器仅能在一定的操作范围内响应目标化合物，难以支持从野生菌株到工业菌株多阶段的长期驯化。因此，在不同的菌株改造阶段，需要不同性能参数的生物传感器相适配以实现高通量筛选。近日，中国科学院天津工业生物技术研究所高通量编辑与筛选平台实验室研究员王猛带领的科研团队，通过对红霉素生物传感器的多轮迭代诱导和筛选，获得了一系列不同灵敏度和操作范围的生物传感器。通过表征实验，该团队证明了转录调控因子（TF）的表达水平与生物传感器灵敏性之间的关联，展示了调控TF蛋白表达水平是改变TF生物传感器性能参数的一种快速而便捷的方法。为了模拟工业菌株驯化过程，该团队从两株产量不同的红霉素生产菌株出发进行液滴共培养实验，证明了生物传感器性能参数与生产菌株产量范围的适配性是成功筛选的前提条件，并从两个不同初始产量红霉素生产菌株文库中筛选到产量提升6.8倍的突变株。基于基因组学的生物信息学分析使该团队在高产突变株中挖掘到多个有益位点，以指导未来的理性代谢工程改造。相关研究成果发表在ACS Synthetic Biology上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、合成生物学海河实验室重大攻关类项目、中国科学院青年创新促进会及天津市合成生物技术创新能力提升行动的支持。小分子生物传感器的改造和高通量筛选过程

“最近，这种菌都脱销了，订单有两厘米厚。”中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)高级工程师辛玉华近日在接受《中国科学报》记者采访时说。她所说的菌叫作格氏嗜盐碱杆菌。自河北科技大学副教授韩春雨因利用该菌实现基因组编辑技术NgAgo-gDNA而出名之后，这种在保藏室里睡了20年“大觉”的古菌也跟着火了。　　据透露，该菌种是1996年由中科院微生物所老所长周培瑾从苏格兰交换到中国的，其最先分离自肯尼亚马加迪湖。这种菌只是CGMCC保藏的数千种微生物中的一员。通常，它们或是通过真空冷冻干燥法，或是通过-190℃左右的液氮超低温冻结法处于休眠状态，其中一些甚至已在冷藏室中睡了半个多世纪。然而，一旦有需求，它们就会被唤醒并投入工作。　　“CGMCC就像一个‘生物银行’，通过整合大家的力量，汇集研究中获得的各种微生物菌种，并将其功能转变为生物技术服务于社会。”微生物所副所长东秀珠对《中国科学报》记者说。　　生命的“银行”　　据悉，目前CGMCC保存的各类微生物资源超5700种，5万多株。它们按保藏形式可分为公开、非公开以及专利程序保藏等。“若从专利微生物保藏数量来看，我们的保藏量已超过1万株，在全球位居第2位。”辛玉华说。　　与其他知识产权专利不同，微生物是唯一一种可通过专利保护的生命形式。过去几年来，我国专利微生物年保藏量增长速度一直位居世界第一。若加上武汉大学典型培养物保藏中心(CCTCC)的相关数据，我国在78个《国际承认用于专利程序的微生物保存布达佩斯条约》签约国中，保藏量已仅次于美国。　　“CGMCC是公益性机构，一株菌只有500～1000元，不仅价格不贵，而且质量有保证。”东秀珠说。否则，如果科研人员自己分离菌种，在国际上得不到承认就会造成麻烦 同时，新微生物物种也需要经过权威鉴定、保藏才能在国际期刊生效发表，而CGMCC就具有这样的权威性。　　该中心可保证微生物不会死、不被污染、避免退化。以放线菌为例，东秀珠介绍说，临床所用抗生素药物的70%来自微生物中的放线菌，而这类细菌在生产中最怕传代，因为反复传代就会退化。而该中心已经保藏了7000余株状态良好的放线菌。　　战略性宝藏　　关于菌种保藏的意义，东秀珠给记者讲了一个故事。聚合酶链式反应(PCR)就像“DNA复印机”一样，能实现体外DNA扩增，对分子生物学具有划时代的意义，美国生化学家凯利?穆利斯也因发明该技术获得了诺奖。但穆利斯一开始使用的大肠杆菌DNA聚合酶不耐高温，每次循环都要重新加入，非常麻烦。后来，他从美国生物保藏中心找到产生耐高温Taq酶的嗜热微生物，才使PCR广泛应用。　　目前，CGMCC已经汇集了我国(除高致病菌外)80%的微生物物种。随着知识的积累，很多微生物正在被“唤醒”，并在各个领域一展身手。　　例如，抗癌药物紫杉醇来源于生长速度缓慢的红豆杉，但若将其基因放在微生物中生产该蛋白并合成药物，就能大批量快速生产 生产汽车轮胎需要大量橡胶树，微生物所研究人员已在CGMCC找到了相应的微生物前体 该所研究人员还筛选制备了可用于多种青草的青储饲料菌剂，促进了西部数省畜牧业的发展。　　此外，CGMCC还打造了一支以博士牵头的技术团队。“他们一半时间做管理，一半时间做科研，不断提高保藏技术并满足日益提升的科研需要。”东秀珠说。正因如此，很多国家级微生物项目直接落到了该中心的头上。比如，环保部指定CGMCC为进口环保菌剂的鉴定部门。国家质检总局、中国海关等也在技术层面与中心合作，建立检疫性真菌检测的国家标准。　　支撑未来发展　　今年5月，美国宣布启动“国家微生物组计划”，这是继2012～2014年美国在微生物学研究领域投资9.22亿美元之后的又一重大举措。目前，在微生物所科学家的倡导下，我国正在推进微生物组研究计划，竞争国际微生物领域战略高地。东秀珠认为，CGMCC必将发挥更大的支撑作用。“微生物资源是生物技术创新的重要源泉。未来，微生物资源保藏一定要保证，这个要是丢了，几代人都积攒不起来。”她严肃地说。　　“至今为止，地球上99%的微生物我们还不知道如何培养。”东秀珠说，“只有经过培养，才知道它们适宜什么样的环境，能够做什么，也才能实现利用，所以未来发展空间很大。”　　好消息是，当前我国专利微生物菌种年保藏量每年都达到4位数。不仅如此，2011年，世界微生物数据中心(WDCM)作为我国生命科学领域的第一个世界数据中心从日本落户中国，也体现了我国在微生物研究领域的竞争实力。　　然而，我国生物保藏仪器设备研发却依旧存在短板。作为全国最先进的微生物资源服务中心，CGMCC有着全世界一流的实验设备，然而记者在实验室里看到，诸如氨基酸分析仪、紫外可见分光光度计、变性高效液相色谱仪等必备高端设备均产自德国、美国、日本，而国产的仅有普通冰箱、电磁炉、色谱仪等低端设备。“我们的工业制造确实需要提升，否则怎么竞争?”辛玉华说，当前我国在科研设备方面尤其需要自主创新。

新疆农科院微生物研究所学者石玉瑚经过长达八年的不懈努力，终于从高放射性土壤中分离出一批耐高辐射真菌(含酵母菌)。目前，新发现耐辐射放线菌已在该领域权威刊物《国际微生物系统分类学》(IJSEM)上正式发表。 　　石玉瑚说：“分离出耐辐射真菌实现了耐辐射微生物从原核向真核的跨越，为探索耐辐射微生物的生命起源与进化提供了科学依据，也为气候变化对地球物种影响提供了新的解释。” 　　在一般情况下，人在5戈瑞(辐射强度的计量单位)的辐射下只能存活1个小时，10戈瑞相当于广岛和长崎原子弹爆炸的辐射剂量，普通细菌在2000戈瑞-5000戈瑞辐射下全部死亡，而石玉瑚此次分离的耐辐射真菌能在10000戈瑞-30000戈瑞的高强度辐射下存活。 　　石玉瑚说，经过初步试验，他们所发现的耐辐射微生物特别是耐辐射真菌还有很强的耐重金属(如铅、铬、钴、镍、铜)、耐紫外、耐有毒有机物、耐旱和耐盐等特性，对重金属具有富采、转化、释放等功能。这意味着为航天航空应用、农业及医疗新产品研发等提供了可行途径。 　　微生物作为生态系统的积极参与者，对于环境修复和维持生态系统平衡起着不可替代的重要作用。随着科技不断发展进步，包括耐辐射微生物在内的极端微生物，由于其特殊生命现象、生理特征、代谢机制和潜在的巨大开发价值等备受世界各国科技界的重视。 　　1956年，美国科学家在经辐照灭菌腐败的肉制罐头中发现了能在5000戈瑞-25000戈瑞辐射下存活的细菌，并将其命名为“耐辐射奇异球菌”，包括中国在内的世界诸多国家相继引进“耐辐射奇异球菌”进行相关研究，并取得重大进展。 　　2003年起至今，石玉瑚开始对我国高辐射污染区土壤进行耐高辐射生物资源研究，目前已经获得耐10000戈瑞-30000戈瑞辐射，包括“耐辐射奇异球菌”在内的各类耐辐射细菌、放线菌、真菌共1000余株。 　　石玉瑚认为，耐辐射微生物在放射性污染生物修复、防止核电站放射性核素渗漏方面展现可喜前景。 　　从1945年7月美国第一次核试验至1998年5月的巴基斯坦核试验，全世界有8个国家在30多个核试验场进行了2083次核试验，这对周边环境造成了不同程度、不同性质的污染，对人类生存环境造成了很大影响。 　　石玉瑚表示，耐辐射真菌的发现可揭示原核生物与真核生物在同一辐射下基因修复遗传的差异性，进一步阐明微生物耐辐射机理，为放射性污染生物修复和核废料安全处理提供理论依据和技术支持。 　　石玉瑚此前还分离出耐10000戈瑞-30000戈瑞辐射的各类细菌、放线菌，并初步确定耐辐射微生物新科1个，新属10个，新种20多个。其中1个以石玉瑚名字命名的耐辐射放线菌新属得到了国际认可，并将于近期刊出。 　　73岁高龄的石玉瑚，目前就职于新疆农科院微生物研究所。他先后完成过国家和省部级科研项目20项，科研成果曾获得联合国科技发明创新之星奖，被授予国家级有突出贡献专家称号。