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海 洋 化 學 生 物 學 實 驗 室

廖 志 中 博 士 實 驗 室

國 立 中 山 大 學     海 洋 生 物 科 技 暨 資 源 學 系

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研究方向

 

       生命體製造各式的二次代謝產物作為其防禦、捕食、物種競爭、異性吸引、種族繁衍等生命延續的方法之ㄧ,在先人長期的觀察與嘗試下,逐漸焠鍊成體系龐大的民族醫學寶庫。近百年來,由於化學知識體系的建立、各式分離技術的完備、核磁共振理論的發現與技術的突破、各式分子結構解析工具的整合,使得人類得以一窺這生命間互動的奧秘。天然產物化學即為尋追、了解這一生命互動的分子模式所匯集之科學。此學科包含這些二次代謝產物的分離純化(色層分析)、結構解析(有機光譜分析)、分類(天然物化學)、生物運用(中草藥、生藥學、化學生態學)、乃至於其製造途徑(生合成路徑與代謝方式)。 此外,海洋覆蓋了地球70%的表面積,並孕育了這個星球絕大多數的生物多樣性,這種豐富生物多樣性的海洋資源正受到人們的注意,成為開發天然藥物開發的珍貴來源。台灣四面環海,受台灣海峽與太平洋的圍繞,形成獨特且豐富的海洋生物資源;因而,建立一個有效率的研究策略,以自台灣周遭豐富的海洋資源中尋找新型的活性成分,進而開發成為現代藥物對台灣未來的生技與製藥科技產業是緊急而重要的。

 

 a) 以去重複策略進行海洋微生物活性天然物研究

       而由於抗生素的濫用,造成具抗藥性伺機性感染菌的形成,而這些伺機性微生物感染近年來也成為醫院內病患死亡的重要因素。微生物產二次代謝物長期來為人類抗生素的重要來源。近幾年來,藉由諸如核磁共振儀、液相層析串聯式質譜儀等現代分析儀器進行「去重複」 的概念在天然產物研究已是相當普遍且有效的研究策略,特別是利用已建立 (商業化) 的化學相關資料庫,如 Scifinder 和 MarinLit/Antimarin 等。這些資料庫雖然對於已知的活性成分或天然產物成分確定上相當大有助益,然而科學家仍需進行一連串繁瑣且費時、費工的分離流程後,才能配合上述去重複之策略,獲知實驗的結果。本研究之創新想法即為避免無效的重複分離,以少量培養樣品利用質譜分析,並以二次質譜資訊建立微生物之質譜分子網絡,進行微生物的二次代謝物骨架分析,一方面比對現有微生物代謝物資料庫進行去重複的分析,一方面結合活性導引分離法結果,歸納具抗菌活性之特定質譜訊號,在大量培養放大後,針對前述特定分子量之二次代謝物成分,選擇性分離以快速獲得活性成分,加快活性藥用成分的開發。

       隨著質譜技術的發達,利由微生物菌落的代謝體二級質譜資料建構其分子網絡 (mole-cular network),已能成功地將不同類型的胜肽類化合物區分出來,作為微生物交互作用與其代謝體學研究的基礎。我們進一步發現此分子網絡技術可應用於小分子代謝物的歸納與結構分析。本實驗室計畫建立一個新的研究策略,其藉由微生物的化學型 (Chemotype) 的鑑定資料建立、其層析指紋訊號資料庫的建立,和其所製造的分子相關質譜訊息的分子網絡 (Molecular Networking) 的分析等工具應用,並結合傳統生物活性導引和化學與光譜資料庫去重複策略,以快速地自自然資源中尋找出結構新奇的活性化合物。同時,我們將以此策略進行台灣海域內的海洋深海微生物與海洋無脊椎生物共生微生物所產新奇的二次代謝物的探索及其抗菌與抗癌等活性的開發。

 

The work flowchart to search bioactive components from marine microbes.

 

相關研究計畫

 

1.  The study on the antibiotic and anti-inflammatory secondary metabolites from marine micro-organisms, supported by the grant from National Science Council (自海洋微生物獲取具抗生活性之天然產物,NSC 101-2320-B-110 -001).

2.  The study on the secondary metabolites from marine microorganisms and their modified analogues to inhibit opportunistic pathogens, supported by the grant from National Science Council (研究海洋微生物二次代謝物及其衍生物在抑制伺機性病菌之作用,NSC 102-2320-B-110 -002).

3.  The study on establishing the strategy on rapidly searching novel bioactive natural products from marine microbes by molecular networking, supported from Ministry of Science and Technology (利用質譜分子網絡等工具建立快速尋找新型海洋微生物活性天然產物之策略,MOST103-2628-B-110-001-MY3).

4.  The researches on the marine natural products with anti-microbial, anti-virual, and cytotoxic activities from symbiotic microbes in marine invertebrates (自海洋無脊椎共生微生物開發抗菌、抗病毒與細胞毒殺海洋活性天然物研究, MOST 105-2320-B-110 -002 -MY3)

 

 b) 海洋離子配體研究

         微量元素對生物的生長扮演著很重要的角色,特別是在許多酵素的氧化還原反應中心。而大部分的金屬(包括鐵)在海水中存在相當低的濃度範圍,海洋微生物在這樣極端貧乏的海水中須面對微量元素資源需求競爭的生存壓力,因此海洋微生物發展出不同的策略,來獲得生存優勢;其中,製造可與金屬結合的有機配體(organic ligands)便是一個可行的策略。由於這些微生物有機配體的含量相當稀少,因此我們利用天然物研究方法來觀察與分析這些海洋配體,在結合現代的分析儀器所建立的研究策略,我們透過海洋微生物所產之二次代謝物的二級質譜斷片指紋分析,架構海洋微生物的二次代謝物分子網絡,並已成功自海洋微生物Trichoderma ressei中分離找尋與篩選到具有鐵離子螯合能力之多胜肽與聚酮類分子化合物。
         一般而言,微量元素(/金屬)可藉由大氣沉降(atmospheric deposition)、瀝濾作用(leachate)、與人為活動(anthropogenic activities) 等釋出輸入海洋等自然環境中,而由生物吸收應用。台灣特殊的地理位置,又兼具有島嶼型河川,山高水急,以及經常性的發生地震及颱風季節所帶來得豐沛雨量,造成河川攜帶大量的懸浮顆粒輸出向鄰近海域,這些台灣特殊地理特徵與人為活動影響台灣海峽內微量金屬物種的分佈,進而影響著海洋微生物的分布與生態。本研究將藉由現代分析工具-分子網絡分析,協助我們釐清台灣海域中海洋微生物所製造的海洋配體類型,以了解海洋微生物所扮演之生態角色與其產生的海洋配體作用機制。

 

相關研究計畫

 

1.  The study on the secondary metabolites from marine microbes as marine ligands to complexe with trace metals, supported by the grant from National Science Council (海洋微生物所產之二次代謝物做為海洋配體對微量金屬之螯合作用研究,NSC 102-2611-M-110 -008).

2.  The study on elucidating the relationship between trace metal and molecular networking, supported by the grant from Ministry of Science and Technology, supported from Ministry of Science and Technology (以海洋微生物代謝物分子網路建立其海洋配體與海洋微量金屬之關係,MOST 103-2611-M-110-006).

3.  The analysis of marine ligands from marine mircoorganism to chelate the trace metals on water in southern Taiwan, supported from Ministry of Science and Technology (台灣南部海域海洋微生物產螯合微量金屬之海洋配體分析,MOST 104-2611-M-110-021).
 

 c) 海洋抗汙損化合物開發

          生物污損 (Biofouling) 是指當人造結構表面與海水接觸時,產生海洋中生物一系列的累積附生,包含細菌、微藻、大型藻類、貽貝、管蟲、海鞘、藤壺等,最終引起結構上的腐蝕及設備的損害。自2008年全球明確禁用對海洋生物產生已知生理損傷的三丁基錫 (tributyl tin; TBT) 後,對於開發新穎、有效且對海洋生物友善的抗污損試劑有需求的急迫性。運用已建立的抗生物污損篩選策略,包括抗菌、抗生物膜形成、殺藻 (微藻與大型藻幼體) 及抗藤壺沉降的實驗評估,我們已初步成功地從海洋微生物、軟珊瑚和陸生植物等天然資源獲得具有抗生物污損活性的目標化合物。基於目前的研究成果,我們期望進一步從更多不同來源開發或合成具抗生物污損作用的化合物,增加未來在塗料產業上抗生物污損試劑應用的選擇性。簡而言之,本計畫的目標是基於已篩選出的活性次級代謝物骨架中,自不同的天然資源搜索新穎的無毒且具有潛力的類似骨架化合物,以開發為抗生物污損的候選藥物。

 

Searching a complex formula of anti-fouling agents.

 

相關研究計畫

 

1.  海洋抗污損活性成分合作計畫開發案 永記造漆公司產學合作案 (2017, 06-2018, 05).

 

 d) 中草藥進行活性成分研究

       (天然產物化學)實驗室即利用現代科學技術,主要是針對中藥 / 民間藥用植物 / 海洋生物等,進行天然產物 (natural products) 的分離、純化、結構鑒定等研究,以瞭解物種與這些特定代謝物質之關係(化學分類學、化學生物學);此外,我們亦研究這些具生物活性之成分結構與活性的關係(Structure-Activity Relationship) ,並以這些活性成分作為先導化合物,進行結構修飾、合成等研究,以篩選、開發具有新結構、新藥理作用的創新藥物(藥物化學、新藥開發)。 我們一方面可以建立對傳統中()藥定性定量的分析技術和快速檢測與品質標準的方法。另一方面,我們期望結合後基因時代所累積的生物資訊與技術,利用中草藥中獲得的小分子作為工具,藉由團隊的合作,進行下列研究:

1.   針對傳統中藥 / 民間慣用草藥 / 海洋生物 進行活性成分研究,單離、純化活性化合物以確認傳統藥物之活性成分,如抗癌、抗發炎、降血糖等活性,並供作進一步進行活性化合物作用機轉研究之用。

2.   針對中草藥進行活性成分研究,以發展刺激幹細胞重新活化、增殖與定向分化之藥物、或降低免疫反應之藥物,結合中草藥、天然藥物與再生醫學的應用。

 

相關研究計畫

 

1.   The study of anticancer components from Pterocarpus indicus wild, supported by the grant from National Science Council, 2005,08,01-2006,07,31  (NSC94-2320-B-041-011).

2.   The research on the anticancer and anti-inflammatory components of Cannabaceous plant, Humulus scandens, supported by the grant from National Science Council, 2006,08,01-2007,07,31 (NSC 95-2320-B-039-052).

3.   The development of cosmetic resources from Traditional Chinese Medicine, safflower, and relative researches, supported by the grant from National Science Council, 2006,05,01-2007,04,30 (NSC 95-2622-B-039-001-CC3).

4.   The investigation of functional properities of anti-cancer and anti-inflammatory components from Taiwanese folk medicine in the pathogenesis of pancreatic adenocarcinoma, supported by the grant from National Science Council, 2007,08,01-2008,07,31 (NSC 96-2320-B-039-025).

5.   The researches on the anti-inflammatory components from Formosan Folk medicine and the modification of these bioactive components, supported by the grant from National Science Council, 2008,08,01-2011,07,31 (NSC 97-2320-B-039-018-MY3).

6. The study on the bioactive substances of Avicenia marina, Sesuvium portulacastrum, and Pittosporum moluccanum in Pingtung mangrove swamp, supported by the grant from National Science Council (NSC 100-2320-B-110 -004).

 

 

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