藍色珍寶：海洋微生物天然物
101/11/12
瀏覽次數
25252
郭傑民｜
國立海洋生物博物館／東華大學海洋生物科技研究所
劉仲康｜
中山大學生物科學系
陳毓昕｜
東華大學生命科學研究所
自古以來人類就從植物、動物與礦物尋找藥物，期望裡面所含的成分能夠治療或減緩疾病的痛苦。自從1928年英國醫師弗來明（Alexander Fleming, 1881-1955）由青黴菌發現抗生素以來，使用微生物所生產的天然物做為藥物的來源，特別是抗生素，就日益受到重視。這裡所謂的「天然物」，是指由生物產生的天然化學成分，這些化學成分常常具有生物活性，可以做為藥物或應用在生物技術上。
隨著陸地微生物資源被充分開發，產出的活性天然物也逐漸減少，海洋微生物資源便受到重視。海洋微生物因需適應和陸地不同的物理與化學環境，選擇與陸源微生物不同的生化代謝途徑，可產生新結構的化合物，而有潛力做為藥物使用。
抗生素不斷的濫用，導致許多對人類有害的微生物產生了抗藥性，要使用其他較強效或新穎的抗生素，才能對抗已有抗藥性的致病微生物。再加上由於文明日漸進步，人類壽命逐漸延長，各式的文明病（如癌症、心臟病、高血壓等）對健康的威脅日益嚴重，使得新藥開發日趨迫切，海洋微生物活性天然物的篩選與開發就成為藥物研究的重點。
海洋微生物的多樣性
所謂「微生物」，是指體型很小無法以肉眼看到，而需借助顯微鏡才能看到的微小生物，通常長度小於0.01公分。常見的微生物種類有：古菌、細菌、真菌（如黴菌、酵母菌）、原生動物（如草履蟲與變形蟲）、單細胞藻類、病毒，其中以細菌與真菌較為人所知。
地球的表面有70％被海洋所覆蓋，海洋隨著地理位置、洋流與深度有著各種不同的環境。海洋微生物經由長久以來的演化，有些已適應高壓（最大可達1,100大氣壓）、低溫（低於攝氏0度）與厭氧的深海海底或低pH值（強酸）環境（最低可達pH值2.8）。另外，在大洋中溫度超過攝氏135度的海底火山口，也發現了許多海洋細菌的蹤跡。
一般來說，在不同海洋環境下微生物種類與族群數也不相同。外海微生物族群數以海面最高，平均約107個／毫升，隨著深度的增加，微生物的數量逐漸減少。而海底因為有由海面或陸地沉降的有機與無機沉澱物，微生物的數量與海底沉積物的性質有關，其中所含的微生物約105～1012個／毫升。科學家估計，海洋中所含的微生物總數約3.67×1030個，種類則約100萬種，因此海洋可說是一個幾乎尚未開發的新型微生物和其活性代謝物的來源。
既然存在於海洋中的微生物種類是如此的複雜，許多菌種之間可能有著難解的相互營養需求與生存條件的共生及競爭關係。文獻指出，以目前傳統的純菌分離培養技術，有高達95～99％環境中的海洋微生物無法在實驗室中培養，增加了對海洋微生物研究的困難。
海洋微生物天然物
佐貝爾（Zobell）與羅森斐（Rosenfeld）是研究海洋細菌的先驅，於1947年首度從海洋分離出可抑制陸源細菌生長的海洋細菌，顯示海洋微生物可做為新的活性天然物的來源。從1997年開始，科學家才大量地從海洋微生物篩選新天然物，且進展相當快速，到2009年為止，已發現了三千多種新海洋微生物天然物。
以2009年為例，從海洋微生物發現的新化合物就有273種之多。這些新發現的化合物不乏具有抗生素潛力的藥物，例如從海洋放線菌Marinispora sp.分離的天然物marinisporolide A1，可以抑制白色念珠菌的生長。此外，也發現許多可以抑制抗藥性菌株的化合物，例如篩選自海洋的短小芽孢桿菌可以產生化合物amicoumacin A，可抑制具有甲氧西林（一種抗生素）抗藥性的金黃色葡萄球菌。這樣的結果顯示，海洋細菌可能以不同機制或化學結構來抑制陸地細菌的活性，與陸地產生的抗生素有相當程度的差異。
微生物學家拉薩瑞尼（Lazzarini）等人歸納目前已知具有活性的微生物天然物，發現其中有42％來自放線菌，42％來自真菌，剩下的16％才由其他細菌產生。因此，放線菌與真菌是最重要的活性天然物生產者，而放線菌中的鏈黴菌屬，生產45～55％目前已知的抗生素（約10,000種），是最重要的活性天然物生產菌。放線菌所產生的二次代謝產物含有廣泛的生物活性，如抗真菌、抗細菌、抗病毒、抗腫瘤、細胞毒殺、增強免疫抑制能力、殺蟲、抗發炎、抗氧化、酵素活性抑制等。
近年來對於海洋天然物的研究發現，從海洋無脊椎動物（如海綿、苔蘚蟲類、被囊動物與海鞘）所分離的天然物，有相當高的比率具有顯著的藥物活性。例如2004年從芋螺所得到的芋螺毒素，成為第一個被美國食品藥物管理局核准的海洋天然藥物ziconotide（商品名是Prialt），可做為強力止痛劑用。
一些研究也顯示，許多存在於海洋無脊椎動物中的活性物質，事實上是共生微生物（包括細菌、真菌、藻類等）所生產的。例如由草苔蟲（一種苔蘚蟲）所分離出來的抗腫瘤天然物bryostatin，可能源自於其共生細菌Candidatus Endobugula sertula。另外，皮耶（Piel）等人研究由斯文豪蒂殼海綿所分離出來可合成抗腫瘤天然物onnamide的基因，是源自於原核生物，推測這抗腫瘤天然物可能產自一株無法培養的海綿共生細菌。
由於人工培養海洋動物往往相當困難，當需要這些海洋動物所產生的天然物時，可以先借助海洋微生物的幫忙來生產化學結構相近的化合物，再利用化學合成的方法修飾成所需要的天然物。例如從紅樹海鞘可分離出抗癌藥物Ecteinascidin 743（ET-743），1公克ET-743要從1公噸的紅樹海鞘萃取才能得到，目前ET-743的生產則是由來自海洋的螢光假單胞桿菌先生產前驅天然物safracin B，再以化學修飾的方式合成具有活性的ET-743。
海洋微生物天然物的開發
開發新的海洋微生物天然物的3個主要步驟：
培養 海洋微生物由於肉眼看不到，須先在培養皿上培養至菌落能被肉眼看到後才方便操作。培養皿裡的培養基一般除了會加入一些營養物質外，還會加入洋菜使培養基呈固體狀態。此外，還可視培養的微生物種類加入適當的抑制劑，以抑制其他非目標微生物的生長。例如培養海洋真菌時，加入可以抑制細菌生長的抗生素，以抑制細菌生長。
天然物活性分析 雖然活性分析的方法很多，從簡單到複雜的都有，但由於篩選時需要進行大量的活性分析，因此常利用較簡單且可以大量進行的方法先做初步的活性篩選。抑菌活性測試是目前較常做為初步活性分析的方法，這個方法的原理與當初弗來明由青黴菌發現抗生素的方法類似，在培養基上觀察抑菌圈的大小而決定抗菌活性的強弱。初步篩選活性較好的菌株，可視需要進行進一步較複雜的人類疾病或癌細胞毒性測試等，以找出最有潛力的菌株。
活性菌株大量培養 針對活性最好的菌株的大量培養，以得到所生產的活性天然物。通常使用發酵槽進行大量培養，發酵槽可以控制培養液的溫度、pH、溶氧等參數，使微生物得到較好的生長環境。目前發酵槽培養的技術已經相當成熟。
分子生物技術的應用
隨著生物科技的發展，新的分子生物學技術也應用於海洋微生物天然物的開發上。
在微生物的物種鑑定上，除了傳統的形態及生理上的觀察外，目前常運用的核醣體RNA基因具有高度保守性的特點，利用核醣體RNA基因序列鑑定菌種，是分子生物技術的一大應用。
此外，利用基因體學技術分析單一微生物的全部基因序列，可以知道微生物體內所有的基因，再分析已知與生成代謝產物相關的基因，甚至不用培養就可推測微生物產生天然物的能力與化學結構。例如藉由分析天藍色鏈黴菌的基因體，發現這株菌有超過20個基因群與天然物生產相關，實際上在實驗室培養所產生的天然物數目遠小於此，如果能改變這株菌的培養條件，或許就會產生新的天然物。
新的多源基因體學技術可直接由環境（如海水或底泥）直接把所有微生物的基因體萃取後隨機定序，來分析環境中微生物群落的基因。這種方法可以不經過培養，直接分析較完整的環境中微生物群落的生成代謝產物相關的基因，可估計出微生物群落產生的天然物。例如泰塔等人分析海綿共生微生物群落的多源基因體，推測出海綿所產生的天然物是源自於海綿共生微生物。
臺灣是一個四面環海的海島國家，地處熱帶與亞熱帶交界處，不但擁有約1,100公里的海岸線，更有被喻為海洋生態系統中富生產力的各類海洋生態與環境系統，如珊瑚礁、紅樹林、海濱沼澤溼地等，使得面積占不到全世界面積的0.3％，海域中的海洋生物種類竟占全球的十分之一。如此得天獨厚的環境，讓臺灣在尋找新穎海洋微生物天然物方面有無窮的潛力。
