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生命科学深挖“蓝”色宝藏 |
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——海洋生物活性物质产业化现状与挑战 |
图片来源：昵图网
海洋里的生物宝藏远不止鱼虾蟹藻这些常规海产品，生命科学正在帮助人类深度挖掘海洋的更大潜力——海洋生物活性物质。此类物质可应用于生产酶制剂、农用生物制剂、药物、功能性食品和保健品，甚至能源……
■本报记者 王庆
一提到人类能从海洋生物中获得什么好东西，你首先想到的可能只是龙虾、海参、鱿鱼等，但这些产品都可以通过捕捞或养殖获得。
而海洋的生物宝藏却远不止这些。
生命科学领域的科研人员正在深度挖掘海洋生物开发的可能性——海洋生物活性物质。它们可被用于生产酶制剂、农用生物制剂、药物、功能性食品和保健品，甚至能源……
海洋生物活性物质的利用比常规海产品要复杂得多，比如海洋药物从发现到产业化可达10年以上。生命科学要做的，就是让心急的人们早日“吃上”海洋生物活性物质这块“热豆腐”。
“用活”海洋生物
所谓海洋生物活性物质，是指海洋生物体内所含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质，主要包括海洋药用物质、生物信息物质、海洋生物毒素产生物和功能材料等海洋生物体内的天然产物，以萜类、皂苷、甾类、多肽、多糖、蛋白质等结构类型存在。
科学技术需要“活学活用”的理念在海洋生物活性物质研发中可谓得到了充分体现——这些物质能够应用于生物酶、药物、农用生物制剂、食品等领域。
中科院南海海洋研究所研究员孙恢礼告诉《中国科学报》记者，海洋是工业生物酶资源的重要宝库。由于海洋环境的特殊性，从海洋微生物中往往能够找到拥有优良特性的新颖生物酶。海洋微生物的特色酶类主要包括嗜热酶、嗜冷酶、嗜压酶以及其他极端酶类。
美国国家癌症研究所科学家戴维·纽曼认为，海洋中的生物物种丰富多样，无论形体大小、质地软硬抑或速度快慢，都能生存下来，这说明它们具有自我保护和抵御疾病的能力。特别是那些体内含有生物活性分子、能够通过化学方式来保护自己的海洋物种，很可能蕴涵丰富的药物资源，极具开发价值。
近些年的进展也确实验证了纽曼的判断。中科院《2013高技术发展报告》显示，从2008年开始，全球每年从海洋生物中分离出的活性化合物有1000多个。目前，已有7种药物来源于海洋生物，包括4种抗癌药物，1种抗病毒药物、1种止痛药物和1种针对混合型高脂血症药物。
海洋生物活性物质中提取的药物不仅可以治疗人类疾病，而且还可以用于农业和畜牧业中。国家生化工程技术研究中心（北京）研究员杜昱光对《中国科学报》记者表示，例如几丁质、壳聚糖等具有多种功能活性的多糖均在海洋中大量存在，由此制成的生物活性物质产品可减少农作物化学农药和化肥的使用，有助于解决养殖业中抗生素滥用的问题。
此外，成分丰富的海洋生物活性物质还被应用于食品工业等领域。科学家甚至正在尝试从其中提取生物质能源。
生命科学带来的改变
海洋生物活性物质能被“用活”，离不开生命科学的巨大推力。
上述报告显示，分子技术革命从根本上改变了海洋生物活性物质分离提取策略。随着基因组学、蛋白质组学等组学的不断涌现，研究人员不仅可以对海洋天然产物长期存在的疑问进行解答，阐述海洋天然产物多样性的产生机制，进行基于生物合成机制的工程改造，从而产生新的天然产物，还可以利用基因组学进行目标导向的天然产物挖掘。
传统的生物活性物质研究方法可以概括为“活性筛选——提取分离——结构鉴定”，中科院南海海洋所研究员张长生对《中国科学报》记者表示，基于基因组学技术的生物活性物质的发现，是利用生物信息学先预测出生物活性物质的生物合成基因簇，随后预测出具体的理化性质，再进一步通过生物学和化学的手段鉴定出目标产物。这种方法目的性强，所获取的化合物大多数为新化合物。
自2000年开始，美国穆尔课题组报道第1例海洋放线菌生物活性物质肠球菌素的生物合成以来，海洋微生物活性物质合成机理的研究逐步发展成新的热点。迄今已有30多种海洋微生物活性物质的合成基因簇得到了克隆和鉴定，科学家从中发现了众多具有新颖催化机理的工具酶。
研究人员通过基因阻断、回补、异源表达等分子生物学手段，获取了众多的中间产物和衍生产物，其中部分产物表现出更好的抗菌、抗病毒和抗肿瘤等生物活性。
“这些生物合成基因簇和新颖工具酶，为利用组合生物合成技术生产更多的生物活性物质奠定了基础。”张长生说。
停留在发现阶段的尴尬
相对国外而言，我国开展海洋生物活性物质合成机理的研究起步较晚，但进步较快。仅在2011年~2012年，以中科院南海海洋研究所为主导的科研人员已经公布了5种海洋生物活性物质的生物合成途径。
今年初国务院出台《生物产业发展规划》强调，加快海洋生物活性物质的开发应用，发展工业用酶、医用功能材料、生物分离材料、绿色农用生物制剂、创新药物等海洋新产品。
然而，在现实层面，各种新技术不断涌现，但海洋生物活性物质产业化道路并不平坦。
“目前发现的很多具有新结构、新活性的化合物都停留在发现阶段。”张长生说，“部分活性好的海洋天然产物含量低、稳定性差，难以进行结构鉴定和高通量活性筛选，人们将此形象地描述为‘在死亡之谷里穿行’。”
而要将海洋生物活性物质开发成新药，道路则更加漫长艰难。即使部分品种进入到临床评价阶段，还需要确定化合物的活性机制和作物位点，进行体内毒性和活性评价、药物性能鉴定等。这些需要天然产物研究、有机合成研究、分子生物学等方面研究人员密切合作。
“如果光靠个别研究机构单打独斗的话，产业化是很难的。”张长生认为，“需要将各方面力量有机地联合起来，形成合作机制。一旦合作机制建立起来，研发和产业化就会容易得多。”
他还指出，与发达国家生物技术企业热衷研发不同的是，我国海洋生物活性物质研发目前尚缺乏企业的参与。
为此，他建议国家通过建立相关科研机构，将各方面的研究人员集中在一起，达到资源整合和优势互补，并加强学术研究机构与企业之间的合作。
《中国科学报》 (2013-06-12 第5版 生物周刊)
