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海洋微生物來源的創新藥物前沿研究
——香山科學會議第396次學術討論會綜述
2011年5月24日至25日，以“海洋微生物來源的創新藥物前沿研究”為主題的香山科學會議第396次學術討論會在北京召開。本次討論會旨在促進國際間海洋微生物天然藥物研究者的學術交流；回顧與總結全球海洋微生物藥物研究的進展，提升國內海洋微生物創新藥物的研究水準和國際競爭力，促進我國自主產權新藥的開發；推動國內醫藥行業發展；探討建立國際間合作機制。鄧子新教授和張立新研究員擔任會議執行主席，來自國內外的微生物學、化學和藥學等學科領域的50余位專家學者應邀參加了會議。與會專家圍繞三個中心議題：(1) 海洋來源微生物藥物的國際研究進展；(2)（海洋來源）微生物藥物及大規模篩選技術和(3)（海洋來源）微生物天然產物的生物合成及合成生物學研究前景進行了廣泛的學術交流和深入的討論。
2001年諾貝爾化學獎得主Barry Sharpless教授首先做了題為“Going Fishing for Better Medicines”的精彩報告，向與會專家介紹了原位點擊化學（click chemistry in situ）進行新藥研究的策略.“Click chemistry”的基本思想是利用碳-雜原子成鍵反應快速合成大量具有結構多樣性的化合物，該技術所具有的高效和高控制性等優勢，使其成為目前國際醫藥領域最吸引人的發展方向。為我們更好、更快捷地尋找藥物提供了有力的方法和手段。
一、海洋來源微生物藥物的國際研究進展
與會專家在中心議題評述報告中，概括介紹了目前國際上海洋來源微生物藥物的最新進展，指出在未充分開發的環境中發現藥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），英國也于2010年成立了國家海洋中心（National Oceanography Centre, NOC），重點進行深海資源的開發。Alan Bull教授還介紹了針對海洋來源微生物藥物的常用篩選策略，包括宏基因組學、基於細胞的靶標研究、報告菌株、基因篩選和基因組挖掘（genome mining），並結合具體實例詳細說明了這些方法的重要作用。目前天然產物研究領域存在一些錯誤觀念，阻礙了這一領域的發展，比如：微生物系統學和天然產物篩選僅僅是簡單的收集工作；絕大部分天然產物都已經被人類發現了；合成產物比天然產物更適合用作藥物；天然產物的分離和鑒定費時費力等。只有改變了這些固有觀念，海洋來源微生物藥物的發現才能得到更快的發展。
英國亞伯丁大學教授介紹了海洋藍細菌的相關研究，並對歐洲科學基金會海洋委員會（European Science Foundation, Marine Board）提出的海洋生物技術發展的下一個十年規劃作了專門介紹。該計畫的目的是為來自19個國家的30個成員組織建立全歐洲範圍內的平臺，促進海洋研究，並確立國際領先優勢。計畫中涉及的科學策略和政策方針包括：（1） 召開專門的研討會或學術會議；(2)制定相應的政策，彌補科學發展和政府政策之間的缺口；(3)開展具有重要戰略意義的合作專案和前期探索專案；(4)建立起專業的研究團隊。同時專門成立了海洋生物技術工作小組，由來自各領域的11名專家組成，其目的是對當前海洋生物技術的科學發展提供戰略評估，找到該領域需要進行深入研究的優先發展點，並對未來的科技政策提供建議。計畫指出，到2020年，歐盟將在海洋生物技術中開發並應用先進的工具和平臺，為解決食品和能源安全、新藥開發和人類健康、海洋的可持續利用等領域中的關鍵問題作出重要貢獻；並特別強調指出，如果沒有政策支持和明確的執行計畫，一切都只能是紙上談兵。在充分利用海洋生物技術的潛能之前，必須解決很多問題，包括培養海洋微生物和制定新政策來保護海洋的基因資源。計畫還提出了實現預定目標的實際策略，比如通過建立歐洲海洋生物研究中心和產業-研究合作研究計畫，促進全歐洲範圍內的研究計畫順利進行；建立全新的機制和政策來降低海洋來源重要新藥的巨大投資風險；更重要的是，在所有生物科學專業的本科生教育計畫中加入適當的生物技術內容，促進更多非海洋背景的研究人員參與海洋生物技術的研究，組織培訓並建立歐洲海洋生物技術學校和博士培養計畫，課程內容同時包括商業和企業經營等相關培訓，由此為科研單位和工業提供技術人員儲備。2012年，歐盟將分別提供2400萬和900萬歐元的研究經費，資助可用於工業產品生產的海洋生物發現研究和提高海洋微生物培養效率的研究。
討論中，與會專家對海洋微生物來源藥物的國際進展，特別是歐盟的十年計畫展開了熱烈的討論，認為中國科學家在此領域已經處於旗鼓相當的地位，但是如果中國今後不重視海洋微生物來源藥物的發展，不儘早建立系統化的研究平臺和專業研究團隊，很可能喪失目前在海洋來源天然產物數量上的微弱優勢，錯失發展良機。
二、海洋微生物藥物及大規模篩選技術
美國Emory University教授作了題為“以高通量篩選技術探索化學空間”的中心議題報告。他從張立新研究員建立的海洋微生物天然產物庫裡分別以高通量篩選14-3-3蛋白抑制劑、高內涵篩選薑黃素類似物和血管形成抑制劑的例子介紹了大規模篩選在藥物開發中的重要作用，說明高通量和高內涵篩選為小分子發現提供了有效的平臺。他也指出，目前大規模篩選天然產物仍然存在很多挑戰，比如如何篩選多靶點的藥物，這些挑戰也將成為未來學科發展的重要方向。
構建海洋微生物天然產物庫用於高通量藥物篩選，針對耐藥性機制快速找到某些微生物的天然活性產物克服病原株甚至耐藥株的致病性。提出系統學與藥物發現相結合，將顯著提高新活性天然產物的發現幾率，並重點介紹了本實驗室在利用互動篩選獲得的小檗堿和白僵菌素的獨特抗菌機制，這兩種藥物具有抗真菌效果顯著、有效劑量低、作用機制新穎、抗耐藥菌、毒副作用小等特點，有可能解決目前使用的抗真菌藥物出現的上述問題，因此有望發展成為新型的抗真菌藥物。張立新研究員還介紹了利用合成生物學技術提高阿維菌素產量的工作。
“發現和創造海洋微生物藥物先導化合物的方法與策略”的專題報告，提出了下述建議：(1)重點探索海底熱液和冷泉等特殊環境的海洋微生物新資源，這種環境中的微生物可能具有獨特的代謝途徑和遺傳背景；(2)通過多種手段進行培養條件的優化和誘導新活性成分的產生；(3)可以嘗試兩（多）種微生物混合共培養，有可能產生新的代謝途徑；(4)應用分子生物學技術獲得突變型菌株，產生更多產物；(5)利用宏基因組技術、DNA改組技術、突變生物合成技術、組合生物合成技術和生物轉化技術，提高產物的多樣性。
討論中，就如何利用斑馬魚篩選模型提出了問題，幾位專家分別給出了詳細的回答，指出這種篩選模型直接接種斑馬魚胚胎，需要的藥物量也比較小，並且能夠觀察到發育過程中的血管、骨骼等變化，將在藥物發現中起到重要的作用。
三、海洋微生物天然產物的生物合成及合成生物學研究前景
該中心議題報告以安莎類抗生素為例，介紹了從特異生境發掘相關抗生素及其產生菌的主要方法：(1)建立菌庫，利用PCR篩選獲得具有相關基因的陽性菌株；(2)利用PCR追蹤，直接從環境樣品獲得陽性菌株；(3)從宏基因組文庫篩選相關生物合成基因簇，異源表達後產生新的安莎黴素類抗生素。
題為“Biosynthesis and Combinatorial Biosynthesis of Natural Products of Marine Microorganisms”的專題報告介紹了海洋微生物來源天然產物的組合生物合成研究進展，通過首例海洋放線菌源天然產物生物合成途徑的建立，以基因組挖掘為基礎的生物合成機制解析和組合生物合成研究，並得出以下結論：(1)解析具有獨特化學結構和良好生物活性的海洋微生物源天然產物的合成機制將豐富微生物藥物生物合成機制，同時為組合生物合成技術的運用提供更為廣泛的遺傳基礎；（2）基於生物合成的深入理解和包括基因組測序在內的生物技術的發展，將加速海洋微生物源天然產物的進一步發掘和利用。
與會專家指出，目前海洋微生物來源藥物研究存在幾個主要的瓶頸問題：（1） 由於海洋生態環境的特殊性，海洋特異的或海洋生物共附生的微生物藥物產生菌難於培養或培養發酵條件苛刻；（2） 海洋微生物的遺傳作業系統缺乏或效率低下；(3)由於海洋微生物藥物的研發歷史較短，微生物藥物產生菌產業化相關的上中下游技術和工藝不夠完善；(4)總體研究力量相對薄弱，相關學科發展不均衡。據此，提出以下幾點建議：(1)利用海洋微生物藥物生物合成基因資源，實現現有臨床藥物的結構衍生和定向改造；(2)以陸生微生物藥物工業產生菌為出發，建立不同類型藥物異源表達的底盤宿主，同時優化大片段高效轉移系統，實現海洋微生物藥物生物合成基因簇的異源表達和藥物的高效合成；(3)開展海洋微生物藥物產生菌的功能基因組學研究，尋找並突破其海洋特異性生長相關的決定基因及機制，將其“馴化”為易於遺傳操作、發酵性能良好的微生物藥物工業產生菌。
在經過廣泛交流和深入討論後，與會專家一致認為：
1. 隨著社會的發展、人們生活習慣的變化、環境污染的加劇和人類壽命的延長，心血管疾病、惡性腫瘤、糖尿病、老年性癡呆症、帕金森氏綜合征、乙型肝炎等疾病日益嚴重地威脅著人類健康；新的耐藥菌株不斷出現，同時，也出現了多種新的疾病，如愛滋病、瑪爾堡病毒病、伊博位元出血熱、川崎病、克麥羅氏腦炎等等，所有這些疾病都迫切需要尋找新的、特效的藥物來預防和治療。陸生藥源日漸減少，而海洋中生活著大量的種類繁多的生物，蘊藏著大量的生物活性物質，因此，向海洋要藥應成為今後我國醫藥和生物領域研究的重要方向。
2. 地球上超過70%的面積為海洋所覆蓋，其中大多數都屬於深海區域，生長在海洋這一特殊環境（高鹽、高壓、缺氧、缺少陽光等）中的海洋生物，在其生長和代謝過程中，產生並積累了大量具有特殊化學結構並具有特殊生理活性和功能的物質，是開發新型海洋藥物和功能食品的重要資源。海洋環境的多樣性和特殊性共同造就了海洋生物種類的多樣性和特殊性，海洋微生物種類多達100萬種以上，而目前所研究和鑒定過的海洋微生物還占不到總量的5%，已發現的活性物質只占總數的1%。經過大量研究得出，從海洋微生物中發現的生物活性物質包括胺及醯胺類、吲哚生物鹼類、乙醯配基類、環肽類及聚丙酸酯類，其生物活性包括抗菌、抗腫瘤、抗微生物、抗病毒、酶及酶的抑制活性等。因此，海洋微生物作為活性物質的新來源，具有重要的研究潛力。
3. 由於當代天然有機化學的迅猛發展，在分離技術和結構分析技術特別是光譜技術方面的長足進步，促進天然產物的研究取得了迅猛發展。例如，1945年從海洋污泥中分離到頂頭孢黴菌，從中發現了頭孢菌素，以後發展成系列的頭孢類抗菌素，這一研究成果可認為是海洋藥物開發最早的成功實例。上世紀60年代發現了河豚毒素並確定了其化學結構，相繼完成了河豚毒素的人工合成。因此，從海洋微生物中獲取含量很低、結構複雜的化合物具備了技術上的可行性。
4. 各國學者已相繼開展海洋微生物抗腫瘤、抗病毒、抗真菌、防治心腦血管病、抗愛滋病等活性成分的研究。在過去的幾十年間，大量海洋來源天然產物被發現，其中不僅包括了陸生生物中已存在的各種化學結構類型，而且還存在很多特殊的新穎化學結構類型，進一步證明了從海洋獲得新天然產物的可能性。
5. 由於海洋微生物大多具有生長週期短、代謝易於調控、菌種較易選育等特點，因此可通過大規模發酵方式實現活性物質的大量生產，從根本上解決藥源問題。而且有證據表明曾被認為是海綿等海洋大生物產生的活性化合物(如海豚毒素、海葵毒素、麻殼魚毒素及discodermide等) ，實際上是由這些大生物的某些(種)共生微生物產生的。因此，從理論上講，借助共生菌的大規模發酵，可以實現其宿主活性物質工業化生產。
6. 國內目前資源研究的力量比較分散，需要在長期性專案框架內進行系統化整合，為下游奠定基礎。目前對海洋微生物來源的藥物研發已經成為國際必爭之地，急需國家設立大專案指南，系統組織和凝練隊伍。建立針對海洋微生物的突破性分離培養方法，深入挖掘基因組、利用合成生物學技術優化元件、底盤，創造新微生物及其代謝產物等是今後研究的重點；而且目前主要研究物件為海洋來源放線菌，還應加大海洋生物資源的研究力度，如古菌和真菌等。
7. 建議在國內建立海洋微生物及其天然產物的研究平臺或聯盟，引入“分享機制”，建立開放共用的化合物庫，並建立平臺或聯盟的網頁，隨時更新成果，並簽署智慧財產權共用協議，實現成果共用，促進領域共同進步；與企業建立良好的產學研合作關係，促進海洋微生物來源藥物向產業化方向快速發展。
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