发展深海生物基因产业助力蓝色经济腾飞

作者:胡学东 高岩  来源:中国海洋报   发布时间:2018-04-04 09:20:34   [打印本页] [关闭窗口]

  深海生物资源是巨大的基因宝库

  深海分布着海山、洋中脊、深海平原、深渊、海沟等多种复杂的地质地貌以及热液口、冷泉等独特的生态系统,孕育着丰富的生物资源。尽管深海生物处于高盐、高压、低温、寡营养、无(寡)氧和无光照的环境中,生存条件比陆生生物复杂恶劣得多,但各种深海生物依然能够凭借其特殊的结构和功能维持生命活动。深海生物的多样性、复杂性和特殊性使其在生长和代谢过程中,产生出各种具有特殊生理功能的活性物质,并且某些特异的化学结构类型是陆地生物体内缺乏或罕见的,这使得深海成为创新药物和功能性保健食品的原料宝库,也被公认为未来重要的基因资源来源地。

  由于环境的独特性,深海还蕴藏着丰富的极端微生物。目前陆地微生物发现的化合物超过95%是已知化合物,新化合物发现率不到5%,作为药物的创新源头,与海洋的无限潜力相比,陆地生物的新活性化合物资源面临“枯竭”态势。根据世界海洋物种有关数据库的统计,截至2017年5月,有243000种海洋物种被收录,预计还有至少1/3的海洋物种未被发现。深海生物作为新物种源头的资源潜力巨大。

  因此,利用新技术从深海中开发新的生物资源、从技术和资源的源头创新研究,既是国际上新资源研究与开发的前沿方向,也是各海洋强国进军深海的重要关切,体现着各国重大深海安全和战略资源利益。

  深海生物资源已显现出无限的商业价值

  深海生物资源包括物种资源、基因资源和产物资源,是国家的重要战略资源储备,也是战略性新兴产业的重要组成部分。深海基因资源是未来生物产业发展的基石,已成为科学家们的普遍共识。

  深海极端环境蕴藏丰富的极端微生物,如嗜热菌、嗜冷菌等,为生物技术产业的发展和新药开发提供独特资源。目前,深海生物资源开发在低温生物催化剂及抗冻剂等方面取得长足进展。各类深海极端微生物及其基因资源在生物医药、工业、农业、食品、环境等领域的开发应用已取得突破性进展,形成了数十亿美元的产业。预计未来20年内,深海生物资源将在新药开发、工业催化、环境保护、日用化工、绿色农业等领域形成重要产业。

  特别要提及的是深海生物资源在人类健康保障中的重要应用前景,海洋新药以及具有保健功能分子的发现已成为人类健康的重要保障。随着抗生素滥用,超级细菌耐药性已经构成了严重威胁,而深海微生物代谢产物被证明是未来新药的重要来源。目前已从海洋生物资源中发现近3万种天然产物,并有5000多个与海洋生物基因资源相关的专利。巨大的潜在商业价值将催生新生深海生物资源产业,可以预计,该产业不仅会带来巨大的经济效益,更会带来难以估量的社会效益。

  深海生物基因开发与利用已成为国际竞争焦点

  近年来,鉴于深海生物资源的重要应用潜力和战略价值,利用新技术从深海中开发新的生物资源、从技术和资源的源头开展创新研究,成为国际上新资源研究与开发的前沿方向。欧洲、日本、美国等皆制定了长期政府资助研究计划以推动深海极端微生物的研究和开发。

  深海生物资源是国家的重要战略资源储备,也是战略性新兴产业的组成部分,攸关重大国家安全利益。随着陆生资源的日益匮乏,世界各国尤其是西方发达国家,纷纷斥巨资对深海生物的资源和生物活性等多方面进行深入研究,目的是为了从深海生物资源中寻找到高效、低毒的创新药物,以有效预防、治疗威胁人类生命健康的多种严重疾病。

  国际竞争还集中体现在知识产权保护方面。自21世纪初,国际上与海洋生物相关的专利呈逐年增长态势。目前,海洋生物资源中已发现近3万种天然产物并有约5000个专利。近十年,每年申请发明专利约300件,以日本、美国、英国、中国和韩国申请数量最多。尤其是日本,在海洋生物研究和应用方面优势明显,这与该国很早确立的海洋立国战略密切相关。随着深海调查活动的开展和研发能力的提高,新的生物物种资源不断发现,深海生物资源的巨大商业价值和政治利益已初步显现。另一方面,深海生物资源伴生的深海生物病毒不仅具有极高的资源价值,也存在潜在的安全风险,已经成为各国秘而不宣的利器,也可能成为威胁人类生存的双刃剑。

  我国深海生物基因研发现状

  国家海洋局从“十五”开始启动深海生物基因资源研究,把深海生物资源的战略储备作为主要任务之一。21世纪初,在财政部的大力支持下,以“追赶者”姿态进入深海生物资源勘探领域,组织国内优势团队,积极开展资源获取和潜力评价工作,大力发展深海生物资源勘探技术,短短15年大幅提升了我国深海生物种质资源的拥有量,建立了相当规模的深海生物资源库,资源拥有量实现了重大超越。同时,积极推动深海微生物资源的应用潜力评价,获得了在医药、环保、工业及农业等方面有重要应用价值的菌种、基因、酶和化合物,实现了资源共享,推动了深海生物知识产权保护,快速提升了我国深海生物专利的拥有量,有效保障了我国在国际海洋生物资源领域的合法权益和规则制定的话语权。

  一、深海调查能力与分析技术显著提高。在海上调查技术方面,船载与陆基装备技术手段不断提升,以蛟龙号为代表的系列潜器的成功应用大大提升了深海生物资源的调查能力。我国通过大洋航次平台,在印度洋、大西洋、太平洋等海区以及多种深海特殊生境对深海生物资源进行了调查,先后在热液区、海山区、海沟、深渊等区域开展了12个航次生物基因资源的调查,样品多数来自于我国矿产资源的合同区与潜在合同区,覆盖3大洋8大区块700多个站位。对热液区、冷泉、多金属结核、富钴结壳等不同生境中的生物群落结构特征进行了分析,获取了大量深海微生物资源信息。通过优化分离培养技术,新获得深海微生物菌种近万株,包括深海细菌、放线菌、真菌、古菌等。“十二五”期间还发展了深海微生物原位培养装备;将高通量测序技术、微生物单细胞操作技术、活性物质生物全合成途径异源表达技术应用于深海微生物资源的研发;构建了基于细胞和模式动物的抗菌、抗附着、抗肿瘤活性物质的高通量筛选技术平台。

  二、基础研究成果斐然。发现并完成深海微生物新物种鉴定100多个,开展了深海微生物代谢、系统进化、深海共生微生物、病毒微生物相互作用机制、深海污染物降解机制研究,开展了200多株深海微生物与多个环境样品的基因组测序分析。

  三、资源潜力评价全面开展。完成了4000多株微生物资源在医药、工业酶、生物农药、环境保护等方面的潜力评估,所获成果已经显示出重要应用前景。在新资源获取基础上,开展了一系列深海生物资源的应用基础研究,包括深海极端酶、深海生物农药、药用活性物质、抗污损活性物质、产电微生物以及污染物降解等活性筛选与开发利用。

  四、专利技术成果丰富。获得了深海微生物多糖、深海微生物农药制剂、深海微生物抗附着剂、深海生物活菌制剂、深海微生物酶制剂、深海产电微生物燃料电池与废水处理等中试生产技术,并已申请专利200多项,获得专利授权几十项,部分研究成果已经与国内企业实现了产业化对接。

  五、资源库与平台建设成效显著。一是中国大洋深海生物基因研发基地通过十多年的建设,在深海生物样品采集、保藏与管理方面的保障能力有明显提升。二是海洋微生物中试发酵平台、制剂工艺研究平台已经具备了良好设备条件,并开展了多种海洋微生物制剂产品的工艺研发。三是国家海洋局深海微生物菌种保藏管理中心目前已标准化保藏了管辖外海域来源的海洋微生物近万株,实现了我国深海生物资源的快速积累,菌株库藏量国际领先。

  通过十多年的不断努力,我国在深海生物基因资源领域取得了一批有一定国际影响的研究成果,在深海取样、实验室分离培养等部分技术、装备领域达到或超过国际前沿水平。分析过去10多年的发展走势,预计深海生物基因资源在未来10年~20年内将快速形成极具规模的深海生物产业,未来的5年~10年将是我国发展超越的关键阶段。在生物基因资源开发利用方面,追赶并超越海洋发达国家;在调查技术和深海生命科学研究上,接近或达到国际先进水平,也完全可以预期。

  发展深海生物产业面临的困难

  我国是海洋大国,海域辽阔,海洋生物资源丰富。同时我国还是世界上最早利用深海生物治疗疾病的国家,有着资源和历史方面的优势。但是,深海生物资源研发仍存在诸多尚待解决的问题,如研发机构、推广应用机构还需进一步完善和健全;国内开始这方面研究的时间不长,从事深海生物学研究的科研机构实力偏弱、科技人才缺乏;研究的深度与广度与世界先进水平相比存在着明显的差距;对深海生物资源研究的投入也制约了研发的快速稳定发展。

  在认识到宏观层面存在问题的同时,微观问题的认识和解决也同样重要。首先,我国现有深海生物菌株库中已有资源存量种属分布不均,对采样生境的科学认知不够。目前已入库近1500个种400多个属的菌株,但其中有1000多个种的菌株数量不超过3株,种属覆盖面极不均匀。以往的生物资源采探多搭载矿区履约工作航次,随机性较强,且未能对采样生境进行系统研究,导致后期潜力挖掘和机制分析缺乏依据。其次,应对国家管辖范围外区域海洋生物多样性(BBNJ)执行协定的准备不足。目前BBNJ国际谈判进程不断加快,而国内尚未有法律法规对国家管辖外海域生物遗传资源的获取、保藏、研发及安全性评估等内容予以明确规范,国内法与即将到来的国际新秩序之间缺乏对接。第三,青苗期产品产业化推进机制欠缺。深海生物资源领域已涌现出降脂和抗病毒小分子、石油降解菌、环境友好型抗污损涂料以及多种农药制剂等青苗期产品,建立高效的产研对接机制将成为进一步推动深海生物资源产业化进程的关键,也是未来实现我国深海生物资源行业领跑地位的重要环节。

  深海生物资源产业的发展具有周期长、投入大、样品采集设备专业性强、科学认识基础要求高等特点,并呈现出多区域资源采探、多领域潜力评估以及多层次产业化运作的链条式脉络,需要多行业的优势团队协作开展。从总体上看,深海生物资源产业目前还处在发展的初级阶段。但是,随着深海采样技术与生物资源开发能力的提高、公海生物资源自由获取“窗口期”的关闭,深海生物资源领域的竞争也会变得更加激烈。随之而来的生物多样性养护和环境保护问题将会成为深海生物资源产业未来发展的“绿色壁垒”。

  为深海生物资源产业的发展建言献策

  为推进我国深海生物资源的产业化开发,加快推进我国深海生物资源产业发展,笔者团队提出如下建议:

  一、加强深海生物资源产业发展的前瞻性布局,从国家战略需求出发做好顶层设计。以深海生物资源的农业、环保应用为近期目标,以深海生物资源的工业酶、保健品等开发为中期目标,以深海生物资源的创新型新药开发为长期目标,推进深海生物资源的产业化发展,服务建设海洋强国需要。

  二、整合国内深海生物资源研发团队,形成合力,组成我国深海生物资源研发领域的核心优势团队,使各领域的应用推广早日见效,形成具有市场化前景的深海生物资源产品。

  三、鼓励研发团队与企业对接,吸纳社会投资。加大深海生物专项资金支持,设立深海生物产业化基金,引进PPP(政府和社会资本合作)融资模式,促进政府投资与民间资本的融合,推进深海生物产业稳步健康和可持续发展。

  四、通过落实重大专项,带动深海事业全面发展。国家海洋局已组织编制完成了深海生物资源计划。该计划以深海生物资源为核心抓手,覆盖资源获取、潜力评估、产业开发的完整链条,辐射环保、制药、农业等多个领域,对我国深海生物资源工作进行了为期15年的总体布局。从典型生境到产业化前端进行系统设计,解决生境认知与资源采探脱节问题;实现稀缺资源的针对性获取;开放多领域潜力评估;建立产、研对接机制;推进以农业、环保、制药等为代表的深海生物资源产业发展,实现国家在深海经济、政治、安全等方面全面的战略布局。

  五、加强对深海生物产业基础建设及资源共享服务平台的投入,建议建立国家级深海生物资源库及基因信息资源管理平台,打造深海生物资源开发利用公共支撑平台和多种活性筛选平台,为实现深海生物联合科学研究和开放共享,加强深海生物资源的深入研究和应用开发提供支撑。

  六、加强国际合作,紧跟国际动态。围绕深海生物圈的重大科学前沿问题,开展海上调查、基础研究与数据分析,整合国内优势,形成学科交叉,并通过国际合作,进一步提升我国的深海生物调查技术水平;提升我国在深海重大科学问题上的国际参与度,逐步成为领跑者。

  (作者单位系中国大洋矿产资源研究开发协会办公室)