蓝色生物技术及其应用研究进展

辛 盛，赵 飞，卢向阳，田 云

（1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙410128；2.湖南省农业生物工程研究所，湖南 长沙410128）

近年来，随着基因组学、蛋白质组学等技术的发展，生物技术已先后应用于医药、农业和工业领域，并已向海洋领域进军。欧美国家称这一趋势为“第四次生物技术浪潮——蓝色生物技术”（Blue biotechnology）［1］。蓝色生物技术也称海洋生物技术，它涉及到海洋生物的基因工程、细胞工程、生化工程等技术，又包括海水养殖生物的遗传育种及健康养殖、海洋生物天然产物与活性物质的开发、生物固氮、海洋生态环境保护等知识和内容。随着海洋在沿海国家可持续发展战略中地位的日益突出，海洋生物技术已受到高度的重视，这不仅表现在欧美发达国家先后制定了国家发展计划，将海洋生物技术确定为21世纪优先发展领域，而且发展中国家如印度、巴西、墨西哥及东南亚各国等，也不失时机地将海洋生物技术的研究提到国家发展的日程上来［2］。我国也非常重视海洋生物技术的发展，1996年就已将海洋生物技术研究正式纳入“国家高新技术研究发展计划”（863计划）［3］。

1 蓝色生物技术的研究领域

蓝色生物技术是继红色生物技术、绿色生物技术和白色生物技术后出现的又一生物技术［4］。其中红色生物技术是指应用于医学方面的生物技术，绿色生物技术是指应用于农业领域的生物技术，白色生物技术是指在工业规模的生产过程中使用或部分使用的生物技术。不同颜色所代表的生物技术研究范围见表1。

表1 不同颜色所代表的生物技术研究范围［4］Tab.1 Different colors represent biotechnology research scope［4］

目前，蓝色生物技术的研究已涉及许多方面，包括探索、开发和利用有价值的海洋生物，优良养殖品种的培育和病害防治，海洋生物天然产物的利用，海洋生物特殊功能的阐明和利用，海洋生态系统的研究，海洋生物利用系统和辅助系统等。其中，随着分子生物技术进一步的发展，海洋水产养殖、海洋生物天然产物和活性物质的开发、海洋生态环境保护和生物固氮等技术成为了蓝色生物技术的研究热点。

2 蓝色生物技术的应用

2.1 海洋水产养殖

海洋水产养殖是我国海洋产业中的第一大产业，占总产值的58.9%［5］。我国在大力发展海洋水产农牧化的同时，也通过生物技术手段提高海洋水产养殖种类的生长、发育、繁殖和健康状况，培育出性状优良、抗病抗逆能力强的高产品种，而良种的培育一直是海洋水产养殖生物技术的主要课题。自朱作言1985年首次发表转基因鱼研究成果以来，已对30多种鱼类进行了转基因研究，其中包括鲑鱼、牙鲆等海洋鱼类，有十几种鱼的生长激素基因转移到鲤科鱼、罗非鱼、鲑鳟等鱼类中［6－8］。2010年，文献［9］披露了美国食品与药品管理局正在考虑批准转基因大洋鲑（Salmo salar）上市的消息。另外，观赏鱼类的转基因研究也成绩斐然，红色或绿色转荧光蛋白基因鱼研制相继成功，如斑马鱼、唐鱼等［10－13］。近年来转基因鱼种类的研究见表2。

表2 近年来转基因鱼种类的研究Tab.2 The research of transgenic fish species in recent years

在海洋藻类基因工程方面，自Asato等于1973年发现蓝藻质粒和进行载体开发以来，研究主要着重于海藻基因的构造及功能、基因转移系统的建立和基因表达调控等方面［14］。在海带、紫菜、裙带和麒麟菜中均观察到GUS基因瞬时表达，与此同时，分子生物学技术还被用于海藻系统发生、亲缘关系和地理分布的研究，其中分子标记技术已成功试用于海藻品种鉴定和分子标记辅助育种等方面［15］。

2.2 海洋生物天然产物和活性物质的开发

海洋生物天然产物和活性物质是指海洋生物体内自然合成的有机化合物，它们对生物体内的代谢过程和各种生化反应有活性作用，包括海洋药用物质、生物信息物质、海洋生物毒素和生物功能材料等，是蓝色生物技术研究和应用的重要方面。

大量研究表明海洋生物的很多次生代谢产物具有非常好的抗肿瘤活性，而抗肿瘤药物的研究也是目前世界上药物研究与开发的热点。从海洋生物中发现的几种天然活性物质见表3。

海洋大环内酯类化合物大多具有一定的抗癌活性。Ecteinascidin 743（Et－743）是从海洋被囊动物红树海鞘Ecteinascidia turbinata中发现的含有四氢异喹啉的大环内酯类生物碱，对晚期软组织癌症如直肠癌、乳腺癌、肺癌、黑色素瘤等疗效显著［16］，在美国已进入了Ⅲ期临床而且用于乳腺癌的Ⅲ期临床研究已取得了很好的效果。目前已从海洋代谢物中发现了26个Ecteinascidin 743的类似物。很多海洋聚醚类化合物也有很强的抗肿瘤细胞活性，如Tian等［17］从海洋藻类Karenia mikimotoi中分离出的聚醚Gymnocin B，其分子结构中含有15个连续的饱和醚环，这是迄今已知含醚环数量最多的聚醚类化合物，Gymnocin B在1.7μg·mL－1即显示了对小鼠白血病细胞P388的毒作用；Muroga等［18］从海洋微生物菌株Chaetomium globosum中分离到7个新的具有吡喃结构的化合物Chaetomugilins I～O，生物活性实验表明这几个化合物均有明显抑制P388、HL－60和KB等肿瘤细胞增殖的作用。

除了抗肿瘤活性天然产物外，还有抗菌、抗炎、抗病毒活性的天然产物。Inuzuka等［19］从海洋甲藻Amphidiniumsp.中分离出来的具有抗真菌活性的多羟基化合物，其结构中含有一个69个碳原子的骨架，骨架上含有1个羰基、24或25个羟基和2个四氢吡喃环；Huang等［20］从海洋甲藻Amphidinium carterae菌株中分离出1个多羟基鱼毒素化合物，在其69个碳原子组成的线性结构中含有3个四氢吡喃环和19个羟基以及羰基，具有非常强的鱼毒性和抗真菌活性。

表3 从海洋生物中发现的几种天然活性物质Tab.3 Several natural active substances from marine organisms

在心脑血管活性的海洋天然产物中，岩沙海葵毒素（Palytoxin，PTX）是目前已知的最强的冠脉收缩剂，作用强度比血管紧张素强100倍［21］，非常有希望开发成特效抗肿瘤和治疗心脑血管疾病的新型药物。

另外，其它生物活性的天然产物中，从生长在澳大利亚的海绵Acanthella costata中得到一种新的Phakellins类生物碱，可作为肾上腺激动剂［22］；从海洋链霉菌代谢物Streptomyces sp.strain H668中分离出一个新的聚醚类化合物，体外活性试验表明其具有非常明显的抗恶性疟原虫活性，且对正常的细胞没有毒性［23］；最近从海洋甲藻代谢物中也发现一个新的Amphidinols类似物［24］，它的多羟基结构可能在进入细胞膜中起着关键作用，所以也可用于聚合羟基链与细胞膜通透性关系方面的研究。

总之，近30年来尤其是近5年各国科学家对海洋生物天然产物及活性物质进行了广泛深入的研究，发现海洋天然产物与陆生天然产物相比更加复杂多样、新颖奇特。目前已从海洋生物中分离鉴定出超过3万个海洋天然产物，这些丰富多彩的海洋次生代谢产物将成为研制开发新药的基础，其中50余种生物活性显著的海洋天然产物进入了Ⅰ期和Ⅱ期临床或临床前研究［25］，这预示着蓝色生物技术必将为人类健康的发展作出巨大的贡献。

2.3 海洋生态环境的保护

目前，应用生物技术手段进行海洋生态环境的监测和修复已成为蓝色生物技术研究和应用的一个重要方面。利用生物技术保护海洋环境、治理污染，使海洋生态系统更加和谐，是一个相对较新的应用发展领域。

在海洋能源的勘探开发中，石油加工产品的生产、使用及排放，海上溢油事故等，使石油成为海洋环境的主要污染物之一，而消除海洋石油污染的最有效方法就是通过生物催化降解环境污染物，减少或最终消除环境污染物。Quek等［26］利用聚氨酯泡沫塑料（PUF）吸附法固定Rhodococcus sp.F92制成微生物固定化菌剂，进行原油和成品油的降解实验，结果表明固定化微生物对烷烃的降解率达90%，同时聚氨酯泡沫能吸附溢油、阻止浮油向海滩和海岸线迁移；王坤等［27］利用海藻酸钠包埋法固定化酚类有机物降解优势菌处理焦化废水，取得了很好的降解效果。

在海洋环境污染监测中，特别是近海生态环境的监测中，生物传感器技术得到了广泛的应用。如Istamboulie等［28］等利用层层自组装技术修饰的多壁碳纳米管和乙酰胆碱脂酶传感器检测了海水中的虫满威（氨基甲酸酯的一种），有效监测了海水中杀虫剂的污染情况。但是某些耐污染物对于污染物有富集作用，往往不能直接“监视”和评价水体对生物即时毒性大小（如重金属、有机氯等污染），而需利用生物标志物进行海洋环境污染监测［29］，作为环境污染物毒性效应早期预警的工具。目前常见的生物标志物包括一些酶类、蛋白质以及核酸物质等，如Zhang等［30］发现渤海的Pb含量（1.63μg·L－1）超过我国海洋水质标准，进一步研究发现1.63μg·L－1的Pb可强烈抑制栉孔扇贝EROD活性，据此研究人员探索了利用鱼类组织的EROD酶活性检测海洋水环境污染的方法［31］。

2.4 生物固氮

氮素循环是生物圈内基本的物质循环之一，其中生物固氮在氮素的地球化学循环中起着重要作用。生物固氮中有40%是由海洋固氮微生物完成的。研究发现，生物固氮在海洋、湖泊等生态系统的氮、碳循环中有着重要的作用，对生态系统的群落结构、演替和生产力持续发展有重要影响［32］。海洋微生物固氮还在吸收大气CO2、减轻温室效应方面发挥着不可替代的功能［33］，气候的变化与全球海洋氮储库的变化紧密相关［34］。另外，海洋微生物的固氮作用分布广泛，不仅存在于贫营养海域，同时也存在于上升流等富营养海域中［35］。因此，进行海洋固氮微生物对生态系统碳、氮循环和全球气候环境的影响研究，成为了蓝色生物技术的前沿领域。

3 展望

海洋作为地球上潜力最大的资源库，不仅能提供人类需要的优质蛋白，还有丰富的生物活性物质，是未来解决人类所面临的食物、资源和环境三大危机的最佳出处，也是蓝色生物技术兴起的根本。未来的蓝色生物技术的发展仍然依赖于基础生命科学技术的创新和进步，特别是分子生物学的研究与累积以及先进生物技术的应用。

我国蓝色生物技术研究虽然起步较晚，但在国家科技战略发展的重视下，近10年来也取得了许多可喜的成绩。其中最能反映海洋生物技术前沿领域动态和研究进展的国际海洋生物技术大会（International Marine Biotechnology Conference，简称IMBC）和中国第二届国际海洋生物技术大会相继在青岛（2010年）、大连（2012年）举行。未来几年蓝色生物技术将在海洋微生物尤其是在极端环境微生物、海洋天然产物生物制品、海洋材料科学、海洋药物和医疗诊断生物技术、海洋环境保护等多个方面迅猛发展。

［1］中国科学院生命科学与生物技术局.2010年工业生物技术发展报告［R］.北京：科学出版社，2010：89－112.

［2］Colwell R R.The abstract of 6thinternational marine biotechnology conference（IMBC 2003）［C］.Chiba，Japan，2003－09－21.

［3］唐启升，陈松林.海洋生物技术前沿领域研究进展［J］.海洋科学进展，2004，22（2）：123－129.

［4］DaSilva E J.The colours of biotechnology：Science，development and humankind［Z］.Electronic Journal of Biotechnology，2004，7（3）：1－4.

［5］董双林.高效低碳——中国水产养殖业发展的必由之路［J］.水产学报，2011，35（10）：1595－1600.

［6］叶星，田园园，高凤英.转基因鱼的研究进展与商业化前景［J］.遗传，2011，33（5）：494－503.

［7］Oakes J D，Higgs D A，Eales J G，et al.Influence of ration level on the growth performance and body composition of non－transgenic and growth－hormone－transgenic coho salmon（Oncorhynchus kisutch）［J］.Aquaculture，2007，265（1－4）：309－324.

［8］许建香，李宁.转基因动物生物安全研究与评价［J］.生物工程学报，2012，28（3）：267－281.

［9］Marris E.Transgenic fish go large［J］.Nature，2010，467（7313）：259.

［10］Chou C Y，Horng L S，Tsai H J.Uniform GFP－expression in transgenic medaka（Oryzias latipes）at the F0generation［J］.Transgenic Research，2001，10（4）：303－315.

［11］Pan C Y，Peng K C，Lin C H，et al.Transgenic expression of tilapia hepcidin 1－5and shrimp chelonianin in zebrafish and their resistance to bacterial pathogens［J］.Fish Shellfish Immunol，2011，31（2）：275－285.

［12］陈吉芳，陈持平，萧崇德.台湾地区斑马鱼研究现状［J］.遗传，2012，34（9）：1089－1096.

［13］樊佳佳，白俊杰，简清，等.转红色荧光蛋白基因唐鱼肌肉中抗生素标记基因（NPTⅡ）检测和表达量分析［J］.农业生物技术学报，2012，20（4）：420－425.

［14］柳淑芳，杜永芳，李振，等.海洋生物技术的研究进展与转基因水产品安全评价［J］.中国食品学报，2006，6（1）：383－389.

［15］段黎萍.欧盟海洋生物技术研究热点［J］.生物技术通讯，2007，18（6）：1053－1056.

［16］Grohar P J，Griffin L B，Yeung C，et al.Ecteinascidin 743interferes with the activity of EWS－FLI1in Ewing sarcoma cells［J］.Neoplasia，2011，13（2）：145－153.

［17］Tian Minglei，Li Shengnan，Row Kyungho.Molecularly imprinted polymer for solid－phase extraction of Ecteinascidin 743from sea squirt［J］.Chinese Journal of Chemistry，2012，30（1）：43－46.

［18］Muroga Y，Yamada T，Numata A，et al.Chaetomugilins I－O，new potent cytotoxic metabolites from a marine－fish－derived Chaetomiumspecies.Stereochemistry and biological activities［J］.Tetrahedron，2009，65（36）：7580－7586.

［19］Inuzuka T，Yamamoto Y，Yamada K，et al.Amdigenol A，a long carbon－backbone polyol compound，produced by the marine dinoflagellate Amphidiniumsp.［J］.Tetrahedron Letters，2012，53（2）：239－242.

［20］Huang S J，Kuo C M，Lin Y C，et al.Carteraol E，apotent polyhydroxylichthyotoxin from the dinoflagellate Amphidinium carterae［J］.Tetrahedron Letters，2009，50（21）：2512－2515.

［21］Nordt S P，Wu J，Zahller S，et al.Palytoxin poisoning after dermal contact with zoanthid coral［J］.The Journal of Emergency Medicine，2011，40（4）：397－399.

［22］Davis R A，Fechner G A，Sykes M，et al.（－）－Dibromophakellin：Anα2Badrenoceptor agonist isolated from the Australian marine sponge，Acanthella costata［J］.Bioorganic ＆ Medicinal Chemistry，2009，17（6）：2497－2500.

［23］Mayer A M，Rodriguez A D，Berlinck R G，et al.Marine pharmacology in 2007－8：Marine compounds with antibacterial，anticoagulant，antifugal，anti－inflammatory，antimalarial，antiprotozoal，antituberculosis，and antiviral activities，affecting the immune and nervous system，and other miscellaneous mechanisms of action［J］.Comparative Biochemistry and Physiology，2011，153（2）：191－222.

［24］Manabe Y，Ebine M，Matsumori N，et al.Confirmation of the absolute configuration at C45of Amphidinol 3［J］.Journal of Natural Products，2012，75（11）：2003－2006.

［25］史清文，李力更，王于方.海洋天然产物研究与新药开发［J］.药物评价研究，2010，33（3）：165－174.

［26］Quek E，Ting Y P，Tan H M.Rhodococcus sp.F92immobilized on polyurethane foam shows ability to degrade various petroleum products［J］.Bioresource Technology，2006，97（1）：32－38.

［27］王坤，刘永军.活细胞固定化技术在焦化废水生物处理中的应用试验［J］.环境科技，2009，（4）：25－27.

［28］Istamboulie G，Fournier D，Marty J L，et al.Phosphotriseterase：A complemantary tool for the selective detection of two organophsphate insecticides：Chlorpyrifos and chlorfenvinfos［J］.Talanta，2009，77（5）：1627－1631.

［29］蔡文超，黄韧，李建军，等.生物标志物在海洋环境污染监测中的应用及特点［J］.水生态学杂志，2012，33（2）：137－146.

［30］Zhang Y，Song J M，Yuan H M，et al.Biomarker responses in the bivalve（Chlamys farreri）to exposure of the environmentally relevant concentrations of lead，mercury，copper［J］.Environmental Toxicology and Pharmacology，2010，30（1）：19－25.

［31］陈清福，张玉生，郑榕辉.褐菖鮋鳃丝EROD生物标志物监测技术的研究与应用［J］.台湾海峡，2010，29（3）：414－421.

［32］Montoya J P，Holl C M，Zehr J P，et al.High rates of N2fixation by unicellular diazotrophs in the oligotrophic Pacific Ocean［J］.Nature，2004，430（7003）：1027－1032.

［33］Gruber N，Galloway J N.An earth－system perspective of the global nitrogen cycle［J］.Nature，2008，451（7176）：293－296.

［34］黄小芳，董俊德，张燕英，等.海洋固氮微生物与环境因子关系综述［J］.生态学杂志，2012，31（4）：1028－1033.

［35］Fernandez C，Farias L，Ulloa O.Nitrogen fixation in denitrified marine waters［J］.PLoS One，2011，6（6）：e20539.