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微生物所创新之路——微生物 高科技 大产业
  文章来源:科学时报 发布时间:2005-07-28 【字号: 小  中  大   

进入21世纪,随着人类对经济社会可持续发展的新认识,微生物在地球生态系统中的作用以及与人类健康、环境、能源、农业等持续发展的关系越来越受到重视,微生物学成为受到广泛关注的前沿科学。中国科学院微生物研究所建所40多年来,在微生物学基础研究方面已有了良好的基础,并为我国工业微生物产业的发展做出了重要贡献。中国科学院二期创新试点的实施,为微生物所的发展提供了新的历史机遇。

研究所概况

中国科学院微生物研究所是综合性微生物学研究机构,代表我国微生物学研究的最高水平。先后拥有9位中国科学院院士,包括建所功臣戴芳澜院士、邓淑群院士和方心芳院士等。现任所长是高福博士。

微生物所成立于1958年12月3日,前身是中国科学院应用真菌研究所和北京微生物研究室。建所伊始,遵照毛泽东同志等第一代领导人的指示,根据我国社会和经济发展的需要,在农业与工业微生物的研究与应用开发方面做了大量开创性的工作,取得了一大批科研成果,并培养了一大批国家急需的高级人才。20世纪80年代初,微生物所的科学家在Cell杂志发表的论文,开创了我国微生物学基础研究进入国际前沿的先河;后又以自主创新的维生素C两步发酵法生产技术,创造了我国历史上最大的技术出口纪录。基础研究与应用开发并重,一直是微生物所的特点。历史表明,微生物所的建立与发展,总是紧密结合国家战略需求和国际科学前沿。

目前,微生物所拥有一支高水平的研究队伍,包括中国科学院院士5人,研究员37人,副研究员58人。在站博士后8人,在学研究生256人(其中硕士生90人,博士生162人,外国留学博士生4名)。微生物所以微生物资源、工业与应用微生物、病原微生物与分子免疫学为主要研究领域,面向国际科学前沿,面向国家战略需求,在微生物资源的研究与利用、农业、能源与工业、人口健康和环境保护等方面,开展基础研究、应用研究,并实施成果转化。

发展战略

根据国家经济建设和社会发展战略,紧紧围绕工业升级、农业发展、人口健康和环境保护等国家重大需求,微生物所制定了新时期的发展战略。瞄准国际微生物学发展前沿,深入开展相关基础研究,以微生物资源、工业与应用微生物以及病原微生物与分子免疫学为主要研究领域,建立从资源开发、自主创新到成果转化的研发体系,为提升我国微生物产业创新发展能力、建设绿色产业、创建和谐社会做出基础性、战略性和前瞻性贡献,把微生物所建成一个代表我国微生物学研究最高水平、引领微生物产业技术创新的国际一流研究机构。

根据这一发展战略的要求,新一届领导班子确立了“抓管理、聚人才、出成果”的战略规划。为此,首先搭建了微生物及其代谢产物高通量筛选平台,建设微生物菌种及基因资源中心,充分挖掘和利用微生物资源,使其更好地为人类服务。同时,还进一步优化病毒与免疫的基础研究平台,为防治突发病、保障人民健康做出重要贡献。利用微生物技术建立新型工业生物技术研发基地,为应对能源、资源、环境的挑战提供技术支撑。经过若干年的努力,把中国科学院微生物研究所建成联系基础研究与工业发展的知识产权发源地。通过不断引进高层次人才和培养自有人才,不断创新观念和推进研究所体制机制的改革实践,全面提升微生物所的整体自主创新能力。

按照中国科学院新时期的办院方针,为了更好地为我国社会和经济发展做出更大的贡献,微生物所大力加强工业微生物与病原微生物的研究,在原有优势学科的基础上,根据研究所的主要学科领域和发展方向,组建了微生物资源、极端微生物、微生物基因组、能源与工业生物技术、环境生物技术、农业生物技术、微生物代谢工程、分子病毒和分子免疫九个研究中心和一个为科研服务作支撑的技术与信息中心。研究所拥有微生物资源前期开发国家重点实验室、植物基因组学国家重点实验室(与中科院遗传发育所共建)和中国科学院真菌地衣系统学重点实验室;拥有亚洲最大的具有40多万号标本的菌物标本馆和一个国内最大的具有17000多株菌种的微生物菌种保藏中心,该中心是世界知识产权组织批准的布达佩斯条约国际保藏单位,还有一个藏书6万余册的专业性图书馆。

创新的成绩

中国科学院微生物研究所的二期创新试点,是在有三个重点实验室先期进入一期创新试点的基础上全面推进的,于2001年8月正式开始。微生物研究所现在拥有一支包括微生物资源、工业与应用微生物技术、病原微生物与分子免疫三大领域的国内一流的科技创新队伍,整体科技创新水平不仅位居全国生物学研究机构前列,而且在国际上也有一定的影响,这些成绩的取得都无不得益于二期创新试点。

在二期创新试点期间(截止到2005年5月),微生物所以第一单位或通讯作者在SCI刊物上发表论文已达到331篇,大部分刊登在国际上有重要影响的杂志上;尤其是2005年上半年,SCI论文数已达63篇,影响因子5.0以上的突破10篇。长链二元酸、乳链菌肽、低聚糖、食药用真菌、生物降解塑料、氨基酸、转基因植物等科技成果已在一大批企业产生显著经济效益。研究所承担国家重大任务的能力有了显著提高,在公共卫生、农业、资源、能源、材料、环境等方面均组织和参与了国家重大项目。微生物所作为第二完成单位参加的“转基因741杨”项目获2004年度国家技术发明奖二等奖,另外,还有6项研究获得省部级奖励。国际合作和交流更加广泛,不但与发达国家进行合作,也接收了来自第三世界国家的留学生和访问学者,微生物所在国际上的影响不断提高,已初步建成一个代表我国微生物学研究最高水平的著名研究机构。

进入知识创新工程以来,微生物所专利申请逐年上升,连续几年都超过了中国科学院下达的专利申请指标。4年来全所共申请发明专利103项,授权发明专利共51项,PCT国际发明专利6项。其中以“乙肝病毒抗原多肽与热休克蛋白的复合物及其应用”申请的PCT已经公开,进入了美国、日本、欧洲专利局。微生物发酵生产二元酸获得7项发明专利,其中4项已实施,专利技术已转让给4家企业,其中2家已建厂投产,总生产能力达到年产8500吨,产值达5亿元,利税2亿多元。国家发改委将该工程列入国家高新技术产业化示范工程。截至2005年5月,研究所与地方横向合作项目共有80余项,合同额累计近9000万元。

进入知识创新工程以来,微生物所始终坚持“以人为本”的管理理念,牢固树立正确的人才观,紧密围绕研究所科技发展战略进行人才培养和队伍建设工作,取得了显著的成绩。通过二期试点工作,已顺利完成创新团队的代际转换工作。目前微生物所共有创新科技人员125人,平均年龄39.5岁,45岁以下的中青年科技人员比例达79.2%,其中研究员37人(其中院士5人),45岁以下研究员达51.8%。

微生物所是中国微生物学会、中国菌物学会和中国生物工程学会3个国家一级学会的挂靠单位,编辑出版《微生物学报》、《生物工程学报》、《微生物学通报》及《菌物学报》4种核心期刊,为提高我国微生物学研究水平和提升我国在微生物学领域的国际研究地位发挥着重要作用。

微生物所在二期创新试点期间,通过凝练科技目标、调整学科布局、优化人才队伍,形成了以微生物资源收集和研究为源头,以揭示和认识微生物生命活动规律为基础,以提升创新能力为目标,建立了以微生物为核心材料的生物技术创新体系。在相应的领域做出了突出的成绩,微生物研究所的发展进入了一个新时期。

微生物所所长高福说,全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥1999年为微生物所题词:“微生物,高科技,大产业”,精辟地概述了小小微生物在生命科学基础研究中的作用,和我国走新型工业化道路中的引领作用。展望未来,我们信心百倍,在“以人为本,创新跨越,竞争合作,持续发展”新的科学发展观的指导下,微生物所将在建立“科技含量高,经济效益好,资源消耗低,环境污染少”的循环经济中发挥更大的作用,逐步成为能为国家战略发展和世界科技进步做出重大贡献的国际一流研究机构。

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科技创新 硕果盈枝

进入创新以来,中国科学院微生物研究所整体科技创新水平不断提高,位居全国生物学研究机构的前列,并在国际国内取得了多项有重要影响的研究成果。

建成国际领先的微生物资源体系

微生物的分布最为广泛、多样性最为丰富,生物量最大,在物质循环、维系整个生物圈平衡方面,发挥着其他生物无法取代的作用。微生物的生存环境和生命策略的多样性,使之成为人类解决环境、能源和健康等问题的重要材料。但目前,人们所认识的微生物仅是全部的1%~5%。

在二期创新期间,微生物所围绕国民经济重大需求,开展重要微生物资源的收集、保存、评价研究,加强微生物菌种保藏和菌物标本馆的能力建设,从功能单一的保存库,向为科研、教学、生产提供全面技术支撑的多功能生物资源中心发展,初步建成国内最大、在国际上有一定影响力的微生物资源研究与资源共享的公共技术平台。已收集了各类标本45万余份,分离、保存菌种30000余株,为社会提供各类微生物菌种资源30000余株次,为社会提供专利保护、微生物检测鉴定等专业技术服务,收入超过1000万元。

开展微生物进化和系统学研究,发现210个新种、6个新属、3个新科、1个新目,在Int. J. Syst. Evol. Microbiol.、Mycologia等国际杂志上发表大量论文,占国内发现的新分类单元的70%以上;尤其首次从古菌(腾冲硫化叶菌)中发现了病毒,其研究结果以封面文章发表在J. Virol.经过几年的努力,微生物所在微生物资源方面已具备了开展国际竞争性研究的能力。

极端古菌研究独树一帜

古菌是一种特殊的生命形式,属于极端的原核生物,但其遗传机制却和真核生物相似。对古菌分子遗传的研究不仅是揭示极端生命本质和环境适应性的基础,而且还为认识真核生物的遗传提供模式。

在研究古菌的模式菌嗜酸热古菌—硫化叶菌的染色体结构与DNA复制中,发现了其主要染色体蛋白Ssh7具有增强其模板配对引物的延伸活性、Ssh10b蛋白在细胞内与RNA结合。提出了在极端嗜热古菌中,染色体蛋白对遗传信息传递的热适应性具有重要影响。对极端嗜盐古菌的遗传与代谢机制的研究中,揭示了其抗生素基因簇的表达规律、调控元件、分泌转运信号等。首次发现在三域生命中存在一个基因同时编码抗生素和其免疫蛋白的新机制。这些研究均发表在Mol. Microbiol.、J.Biol.Chem.等微生物和生物化学领域顶尖的国际期刊上,受到国际同行的广泛关注,提升了我国在极端古菌研究方面的国际地位。尤其是极端环境微生物,以微生物所东秀珠研究员为首席科学家、所内多个研究组参与申请的“973”项目“极端微生物及其功能利用的基础研究”于2004年被批准立项,充分体现了该所在微生物资源领域的研究实力。

重要微生物基因组学研究与世界同步

微生物基因组学研究能够揭示其全部的遗传背景,是深入研究和认识生命本质的前提。微生物所与国内有关单位合作,完成了我国的第一个微生物基因组计划,即测定了分离自我国云南腾冲热泉的腾冲嗜热菌的基因组序列,在此基础上,开展了该菌的蛋白组学研究,发现322个蛋白的合成与生长温度相关,对该菌的一些有潜在应用价值的基因的研究也取得了进展(如磷酸果糖激酶、脂肪酶、糖苷酶等)。

微生物所还和国内其他单位共同完成了植物病原菌——野油菜黄单胞菌的基因组序列测定,对该细菌功能基因组学的研究表明,至少有75个基因与致病性相关。这些研究结果均发表在GENOM. RES.上,其中,野油菜黄单胞菌基因组的研究作为封面文章。这些成果标志着我国微生物学研究进入了基因组学时代,与国际微生物基因组学研究同步。

微生物次生代谢基因调控研究提升我国微生物代谢调控研究国际地位

链霉菌是抗生素的主要产生菌,其次生代谢产物合成的分子调控不仅是了解基因表达调控的重要途径,还为定向改良生产菌的生产能力和获得新的代谢产物提供理论指导。研究了与链霉菌发育分化、抗生素生物合成有关的重要基因——scrX、 whiI 、sanQ和sanG等。scrX基因是典型的在翻译水平上受到严紧调控的分化基因。

在基因组水平上,研究了链霉菌分化重要基因——whiI, 该基因的阻断导致天蓝色链霉菌50个相关基因的转录受到影响。在完成了约40 kb尼可霉素生物合成基因簇的克隆和DNA序列分析的基础上,对尼可霉素生物合成中20多个基因的功能进行了深入的研究,发现sanQ基因的阻断导致不能合成尼可霉素X组分(抗植物致病真菌),只合成Z组分(抗人体致病真菌),这为单组分的分离提纯提供了有利条件。在国际上首次发现并克隆了尼可霉素生物合成的正调控基因sanG,该基因特异性地调控sanO-V和sanN-I的转录。增加sanG基因的拷贝数,可使尼可霉素的产量提高2~3倍。有关结果发表在微生物学领域的国际一流刊物(Molecular Microbiology)上。

芳香聚酮是多种药物的先导化合物,通过研究芳香聚酮的环化、环化后修饰及Ⅱ型聚酮合酶复合物,首次发现和证明了jadomycin环化后修饰反应中的氧化脱水双功能酶是聚酮合成途径中重要的酶,对其合成途径深入认识,同时还可指导新聚酮化合物的合成,为药物的开发提供了一个新的技术手段。上述有关研究成果发表在生物化学领域的国际一流刊物(Journal of Biological Chemistry)上。

上述研究受到国际同行的广泛关注,提升了我国微生物代谢调控研究的国际地位。

高水平分子病毒与分子免疫研究

病毒是威胁人类健康和农牧业生产的主要病原之一。研究重要动、植物和人的病毒与宿主之间的相互作用,揭示宿主抵御病毒侵染的分子机制,将为病毒病的预防和治疗提供理论指导。

抑制逆转录病毒复制的宿主因子ZAP的发现为相关领域开辟了全新的研究方向,从分子生物学、细胞生物学、生物化学等多方面对ZAP作用机理进行系统深入的研究,在产出了一系列高水平的学术论文的同时,也为控制包括HIV在内的逆转录病毒在宿主体内的繁衍提供了新的思路;人类乙肝病毒抗原肽与宿主热休克蛋白gp96 复合物的首次分离纯化和分子免疫学、病理学研究成果具有潜在的临床诊断和免疫治疗应用价值;包括SARS、HIV和人呼吸道合胞病毒在内的囊膜病毒融合机制的研究及重要蛋白三维结构的解析不仅在基础研究方面处于国际领先地位,而且为多种蛋白类和多肽类抗病毒新药和疫苗的开发提供了理论基础;用酵母中表达的口蹄疫病毒融合蛋白作为黏膜免疫疫苗的初步尝试证实了通过新型疫苗预防动物疫病的可行性;植物弹状病毒中运动蛋白P3和结构蛋白P6的发现,推动了水稻黄矮病毒的自主创新研究。

这些成果发表在Science、J. Virology、Lancet、J. Immunology、JBC、Biochemistry、J. General Virology等国际一流学术刊物上,提升了微生物所基础研究在国际竞争中的总体水平,确立了相关研究团队在国内分子病毒与分子免疫学领域的领先地位,带动了科学院在生命科学前沿的学科建设,同时也为满足国家在重大疾病防治和农牧业疫病控制方面的需求做出了一定贡献。

微生物生物技术开发与产业化前景喜人

微生物工业在国民经济中具有重要的地位,是发展“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少”的高效循环经济的典型模式,利用微生物的生产过程是绿色过程,许多微生物产物是化工和医药的重要原料。

长链二元酸是化工上合成工程塑料、香料、热熔胶和涂料等高档产品的重要原料,市场需求量大。微生物所利用自身学科优势,发明了长链二元酸微生物发酵生产的新工艺新方法,先后取得十二碳、十三碳、十四碳和十五碳二元酸4项重要科研成果,总体技术水平达到国际领先。与企业合作,形成了具有中国自主知识产权的新兴绿色化学大产业,2004年产量达到5000多吨,产值超过3亿元,使我国成为目前世界上惟一用生物技术生产长链二元酸的国家,并带动了我国合成材料、精细化工等相关产业的发展。

乳链菌肽主要用作食品防腐剂。通过研究,建立了一种简便、定向筛选乳链菌肽产生菌的方法,开发了低成本的发酵工艺与高效的后提取工艺,建成了我国第一座年产50吨乳链菌肽Z工业生产厂,并在世界上首先实现了乳链菌肽Z 的工业化生产,销售总额2亿多元,实现利税5000多万元,其中出口创汇近2000万美元。乳链菌肽Z的研究与开发为调整我国食品防腐剂产业的结构,促进我国现代食品工业的发展,提高人民健康水平起到了重要作用,产生了良好的社会效益和经济效益。

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