海洋微生物来源的创新药物前沿研究
——香山科学会议第396次学术讨论会综述
2011年5月24日至25日，以“海洋微生物来源的创新药物前沿研究”为主题的香山科学会议第396次学术讨论会在北京召开。本次讨论会旨在促进国际间海洋微生物天然药物研究者的学术交流；回顾与总结全球海洋微生物药物研究的进展，提升国内海洋微生物创新药物的研究水平和国际竞争力，促进我国自主产权新药的开发；推动国内医药行业发展；探讨建立国际间合作机制。邓子新教授和张立新研究员担任会议执行主席，来自国内外的微生物学、化学和药学等学科领域的50余位专家学者应邀参加了会议。与会专家围绕三个中心议题：(1) 海洋来源微生物药物的国际研究进展；(2)（海洋来源）微生物药物及大规模筛选技术和(3)（海洋来源）微生物天然产物的生物合成及合成生物学研究前景进行了广泛的学术交流和深入的讨论。
2001年诺贝尔化学奖得主Barry Sharpless教授首先做了题为“Going Fishing for Better Medicines”的精彩报告，向与会专家介绍了原位点击化学（click chemistry in situ）进行新药研究的策略.“Click chemistry”的基本思想是利用碳-杂原子成键反应快速合成大量具有结构多样性的化合物，该技术所具有的高效和高控制性等优势，使其成为目前国际医药领域最吸引人的发展方向。为我们更好、更快捷地寻找药物提供了有力的方法和手段。
一、海洋来源微生物药物的国际研究进展
与会专家在中心议题评述报告中，概括介绍了目前国际上海洋来源微生物药物的最新进展，指出在未充分开发的环境中发现药物是目前的重要研究方向。日本2004年成立了海洋科技研究中心（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, JAMESTEC），英国也于2010年成立了国家海洋中心（National Oceanography Centre, NOC），重点进行深海资源的开发。Alan Bull教授还介绍了针对海洋来源微生物药物的常用筛选策略，包括宏基因组学、基于细胞的靶标研究、报告菌株、基因筛选和基因组挖掘（genome mining），并结合具体实例详细说明了这些方法的重要作用。目前天然产物研究领域存在一些错误观念，阻碍了这一领域的发展，比如：微生物系统学和天然产物筛选仅仅是简单的收集工作；绝大部分天然产物都已经被人类发现了；合成产物比天然产物更适合用作药物；天然产物的分离和鉴定费时费力等。只有改变了这些固有观念，海洋来源微生物药物的发现才能得到更快的发展。
英国阿伯丁大学教授介绍了海洋蓝细菌的相关研究，并对欧洲科学基金会海洋委员会（European Science Foundation, Marine Board）提出的海洋生物技术发展的下一个十年规划作了专门介绍。该计划的目的是为来自19个国家的30个成员组织建立全欧洲范围内的平台，促进海洋研究，并确立国际领先优势。计划中涉及的科学策略和政策方针包括：（1） 召开专门的研讨会或学术会议；(2)制定相应的政策，弥补科学发展和政府政策之间的缺口；(3)开展具有重要战略意义的合作项目和前期探索项目；(4)建立起专业的研究团队。同时专门成立了海洋生物技术工作小组，由来自各领域的11名专家组成，其目的是对当前海洋生物技术的科学发展提供战略评估，找到该领域需要进行深入研究的优先发展点，并对未来的科技政策提供建议。计划指出，到2020年，欧盟将在海洋生物技术中开发并应用先进的工具和平台，为解决食品和能源安全、新药开发和人类健康、海洋的可持续利用等领域中的关键问题作出重要贡献；并特别强调指出，如果没有政策支持和明确的执行计划，一切都只能是纸上谈兵。在充分利用海洋生物技术的潜能之前，必须解决很多问题，包括培养海洋微生物和制定新政策来保护海洋的基因资源。计划还提出了实现预定目标的实际策略，比如通过建立欧洲海洋生物研究中心和产业-研究合作研究计划，促进全欧洲范围内的研究计划顺利进行；建立全新的机制和政策来降低海洋来源重要新药的巨大投资风险；更重要的是，在所有生物科学专业的本科生教育计划中加入适当的生物技术内容，促进更多非海洋背景的研究人员参与海洋生物技术的研究，组织培训并建立欧洲海洋生物技术学校和博士培养计划，课程内容同时包括商业和企业经营等相关培训，由此为科研单位和工业提供技术人员储备。2012年，欧盟将分别提供2400万和900万欧元的研究经费，资助可用于工业产品生产的海洋生物发现研究和提高海洋微生物培养效率的研究。
讨论中，与会专家对海洋微生物来源药物的国际进展，特别是欧盟的十年计划展开了热烈的讨论，认为中国科学家在此领域已经处于旗鼓相当的地位，但是如果中国今后不重视海洋微生物来源药物的发展，不尽早建立系统化的研究平台和专业研究团队，很可能丧失目前在海洋来源天然产物数量上的微弱优势，错失发展良机。
二、海洋微生物药物及大规模筛选技术
美国Emory University教授作了题为“以高通量筛选技术探索化学空间”的中心议题报告。他从张立新研究员建立的海洋微生物天然产物库里分别以高通量筛选14-3-3蛋白抑制剂、高内涵筛选姜黄素类似物和血管形成抑制剂的例子介绍了大规模筛选在药物开发中的重要作用，说明高通量和高内涵筛选为小分子发现提供了有效的平台。他也指出，目前大规模筛选天然产物仍然存在很多挑战，比如如何筛选多靶点的药物，这些挑战也将成为未来学科发展的重要方向。
构建海洋微生物天然产物库用于高通量药物筛选，针对耐药性机制快速找到某些微生物的天然活性产物克服病原株甚至耐药株的致病性。提出系统学与药物发现相结合，将显著提高新活性天然产物的发现几率，并重点介绍了本实验室在利用互动筛选获得的小檗碱和白僵菌素的独特抗菌机制，这两种药物具有抗真菌效果显著、有效剂量低、作用机制新颖、抗耐药菌、毒副作用小等特点，有可能解决目前使用的抗真菌药物出现的上述问题，因此有望发展成为新型的抗真菌药物。张立新研究员还介绍了利用合成生物学技术提高阿维菌素产量的工作。
“发现和创造海洋微生物药物先导化合物的方法与策略”的专题报告，提出了下述建议：(1)重点探索海底热液和冷泉等特殊环境的海洋微生物新资源，这种环境中的微生物可能具有独特的代谢途径和遗传背景；(2)通过多种手段进行培养条件的优化和诱导新活性成分的产生；(3)可以尝试两（多）种微生物混合共培养，有可能产生新的代谢途径；(4)应用分子生物学技术获得突变型菌株，产生更多产物；(5)利用宏基因组技术、DNA改组技术、突变生物合成技术、组合生物合成技术和生物转化技术，提高产物的多样性。
讨论中，就如何利用斑马鱼筛选模型提出了问题，几位专家分别给出了详细的回答，指出这种筛选模型直接接种斑马鱼胚胎，需要的药物量也比较小，并且能够观察到发育过程中的血管、骨骼等变化，将在药物发现中起到重要的作用。
三、海洋微生物天然产物的生物合成及合成生物学研究前景
该中心议题报告以安莎类抗生素为例，介绍了从特异生境发掘相关抗生素及其产生菌的主要方法：(1)建立菌库，利用PCR筛选获得具有相关基因的阳性菌株；(2)利用PCR追踪，直接从环境样品获得阳性菌株；(3)从宏基因组文库筛选相关生物合成基因簇，异源表达后产生新的安莎霉素类抗生素。
题为“Biosynthesis and Combinatorial Biosynthesis of Natural Products of Marine Microorganisms”的专题报告介绍了海洋微生物来源天然产物的组合生物合成研究进展，通过首例海洋放线菌源天然产物生物合成途径的建立，以基因组挖掘为基础的生物合成机制解析和组合生物合成研究，并得出以下结论：(1)解析具有独特化学结构和良好生物活性的海洋微生物源天然产物的合成机制将丰富微生物药物生物合成机制，同时为组合生物合成技术的运用提供更为广泛的遗传基础；（2）基于生物合成的深入理解和包括基因组测序在内的生物技术的发展，将加速海洋微生物源天然产物的进一步发掘和利用。
与会专家指出，目前海洋微生物来源药物研究存在几个主要的瓶颈问题：（1） 由于海洋生态环境的特殊性，海洋特异的或海洋生物共附生的微生物药物产生菌难于培养或培养发酵条件苛刻；（2） 海洋微生物的遗传操作系统缺乏或效率低下；(3)由于海洋微生物药物的研发历史较短，微生物药物产生菌产业化相关的上中下游技术和工艺不够完善；(4)总体研究力量相对薄弱，相关学科发展不均衡。据此，提出以下几点建议：(1)利用海洋微生物药物生物合成基因资源，实现现有临床药物的结构衍生和定向改造；(2)以陆生微生物药物工业产生菌为出发，建立不同类型药物异源表达的底盘宿主，同时优化大片段高效转移系统，实现海洋微生物药物生物合成基因簇的异源表达和药物的高效合成；(3)开展海洋微生物药物产生菌的功能基因组学研究，寻找并突破其海洋特异性生长相关的决定基因及机制，将其“驯化”为易于遗传操作、发酵性能良好的微生物药物工业产生菌。
在经过广泛交流和深入讨论后，与会专家一致认为：
1. 随着社会的发展、人们生活习惯的变化、环境污染的加剧和人类寿命的延长，心血管疾病、恶性肿瘤、糖尿病、老年性痴呆症、帕金森氏综合征、乙型肝炎等疾病日益严重地威胁着人类健康；新的耐药菌株不断出现，同时，也出现了多种新的疾病，如艾滋病、玛尔堡病毒病、伊博位出血热、川崎病、克麦罗氏脑炎等等，所有这些疾病都迫切需要寻找新的、特效的药物来预防和治疗。陆生药源日渐减少，而海洋中生活着大量的种类繁多的生物，蕴藏着大量的生物活性物质，因此，向海洋要药应成为今后我国医药和生物领域研究的重要方向。
2. 地球上超过70%的面积为海洋所覆盖，其中大多数都属于深海区域，生长在海洋这一特殊环境（高盐、高压、缺氧、缺少阳光等）中的海洋生物，在其生长和代谢过程中，产生并积累了大量具有特殊化学结构并具有特殊生理活性和功能的物质，是开发新型海洋药物和功能食品的重要资源。海洋环境的多样性和特殊性共同造就了海洋生物种类的多样性和特殊性，海洋微生物种类多达100万种以上，而目前所研究和鉴定过的海洋微生物还占不到总量的5%，已发现的活性物质只占总数的1%。经过大量研究得出，从海洋微生物中发现的生物活性物质包括胺及酰胺类、吲哚生物碱类、乙酰配基类、环肽类及聚丙酸酯类，其生物活性包括抗菌、抗肿瘤、抗微生物、抗病毒、酶及酶的抑制活性等。因此，海洋微生物作为活性物质的新来源，具有重要的研究潜力。
3. 由于当代天然有机化学的迅猛发展，在分离技术和结构分析技术特别是光谱技术方面的长足进步，促进天然产物的研究取得了迅猛发展。例如，1945年从海洋污泥中分离到顶头孢霉菌，从中发现了头孢菌素，以后发展成系列的头孢类抗菌素，这一研究成果可认为是海洋药物开发最早的成功实例。上世纪60年代发现了河豚毒素并确定了其化学结构，相继完成了河豚毒素的人工合成。因此，从海洋微生物中获取含量很低、结构复杂的化合物具备了技术上的可行性。
4. 各国学者已相继开展海洋微生物抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、防治心脑血管病、抗艾滋病等活性成分的研究。在过去的几十年间，大量海洋来源天然产物被发现，其中不仅包括了陆生生物中已存在的各种化学结构类型，而且还存在很多特殊的新颖化学结构类型，进一步证明了从海洋获得新天然产物的可能性。
5. 由于海洋微生物大多具有生长周期短、代谢易于调控、菌种较易选育等特点，因此可通过大规模发酵方式实现活性物质的大量生产，从根本上解决药源问题。而且有证据表明曾被认为是海绵等海洋大生物产生的活性化合物(如海豚毒素、海葵毒素、麻壳鱼毒素及discodermide等) ，实际上是由这些大生物的某些(种)共生微生物产生的。因此，从理论上讲，借助共生菌的大规模发酵，可以实现其宿主活性物质工业化生产。
6. 国内目前资源研究的力量比较分散，需要在长期性项目框架内进行系统化整合，为下游奠定基础。目前对海洋微生物来源的药物研发已经成为国际必争之地，急需国家设立大项目指南，系统组织和凝练队伍。建立针对海洋微生物的突破性分离培养方法，深入挖掘基因组、利用合成生物学技术优化元件、底盘，创造新微生物及其代谢产物等是今后研究的重点；而且目前主要研究对象为海洋来源放线菌，还应加大海洋生物资源的研究力度，如古菌和真菌等。
7. 建议在国内建立海洋微生物及其天然产物的研究平台或联盟，引入“分享机制”，建立开放共享的化合物库，并建立平台或联盟的网页，随时更新成果，并签署知识产权共享协议，实现成果共享，促进领域共同进步；与企业建立良好的产学研合作关系，促进海洋微生物来源药物向产业化方向快速发展。
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