發(fā)酵工程在醫(yī)藥研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、發(fā)酵工程在醫(yī)藥爭(zhēng)辯和生產(chǎn)中的應(yīng)用- 3 -發(fā)酵工程在醫(yī)藥爭(zhēng)辯和生產(chǎn)中的應(yīng)用生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，制藥工程 1101 班，王炎，2022034015幾十年來(lái),生物技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的很多方面取得了巨大的進(jìn)展 .本文著重綜述了微生物和植物細(xì)胞的發(fā)酵工程在醫(yī)藥爭(zhēng)辯和生產(chǎn)中應(yīng)用的進(jìn)展。微生物發(fā)酵工程與醫(yī)藥抗生素的微生物合成隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,抗生素來(lái)源不再僅限于微生物,已擴(kuò)大到動(dòng)植物.它不僅可用于治療細(xì)菌感染,而且可用于治療腫瘤以及由原蟲(chóng)、病毒和立克次氏體所引起的疾病,有的抗生素還有刺感動(dòng)植物生長(zhǎng)的作用.自 1929 年英國(guó)人覺(jué)察青霉菌分泌青霉素能抑制葡萄球菌生長(zhǎng)以后,相繼覺(jué)察了鏈霉素、氯霉素、金霉素、土霉

2、素、四環(huán)素、霉素和紅霉素等抗菌素.在近幾十年內(nèi),抗生素的爭(zhēng)辯又有了飛速的進(jìn)展,已找到的抗生素有數(shù)千種,其中具有臨床效果并已利用發(fā)酵大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用的多達(dá)百余種。一個(gè)好的抗生素應(yīng)具有較廣的抗菌譜外 ,還應(yīng)具有較好的選擇性,不產(chǎn)生過(guò)敏和耐藥性,有高度的穩(wěn)定性,收率高,本錢(qián)低,適于工業(yè)生產(chǎn).目前生產(chǎn)和應(yīng)用的抗生素還不能完全滿足以上要求 ,查找的抗生素仍舊是很重要的任務(wù) .現(xiàn)在以抗腫瘤、抗病毒、抗真菌、抗原蟲(chóng)、廣譜和抗耐藥菌的抗生素為主要爭(zhēng)辯方向, 已成功地建立了用于治療艾滋病,抗老年性癡呆癥,消退肥胖癥,把握糖尿病并發(fā)白內(nèi)障,抑制前列腺腫大的抗生素的篩選模型,估量近年內(nèi)可取得一系列成功.因此,現(xiàn)在

3、利用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的“抗生素”可以把微生物代謝產(chǎn)生的對(duì)人類疾病的預(yù)防和治療有用的物質(zhì)都包括進(jìn)去14。維生素類藥物的微生物生產(chǎn)維生素作為六大生命要素之一,為整個(gè)生命活動(dòng)所必需.VA 的前體 B-胡蘿卜素及 VC 和 VE 均為抗氧化劑,能保護(hù)人體組織的過(guò)氧化損傷并提高機(jī)體免疫力有抗癌、抗心血管疾病和白內(nèi)障等功能.國(guó)內(nèi)用真菌三孢布拉霉生產(chǎn) B-胡蘿卜素的產(chǎn)量達(dá) 2.0 gL-1,國(guó)外已到達(dá)(33.5) gL-1.粘紅酵母、布拉克須霉、叢霉等真菌也具有生產(chǎn) B-胡蘿卜素的力量.除真菌外,如球型紅桿菌、瑞士乳桿菌等某些細(xì)菌也具有發(fā)酵生產(chǎn)類胡蘿卜素的力量 .Vc 的微生物發(fā)酵法早已取得重要突破,利用“大小

4、菌落”菌株混合培育生產(chǎn) VC 的工藝已經(jīng)成熟,進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化.目前利用氧化葡萄糖桿菌與一種蠟狀芽孢桿菌混合菌共固定化發(fā)酵技術(shù),可將 Vc 的收率提高到 80%以上,生產(chǎn)周期比傳統(tǒng)工藝縮短 1/3.日本爭(zhēng)辯人員覺(jué)察一種纖細(xì)裸藻能同時(shí)生產(chǎn) Vc、VE 和 B-胡蘿卜素,藻體生物量產(chǎn)量可達(dá)每升培育液 20 g,從中提 Vc 和 VE 量為 60 mgL-1,B-胡蘿卜素 40 mgL-1;生產(chǎn)效率比原有培育方法提高 1 倍以上,生產(chǎn)力量?jī)?yōu)于綠藻.VD 的前體麥角固醇有可能利用酵母菌來(lái)發(fā)酵生產(chǎn),通過(guò)對(duì)不同種屬酵母菌的麥角固醇含量的測(cè)定分析覺(jué)察 ,最高含量可達(dá)細(xì)胞干重的 6%,最低的僅 0.3%.莫斯科大學(xué)

5、的爭(zhēng)辯者承受雜交方法選育到麥角固醇含量高達(dá) 2.7%的酵母高產(chǎn)菌.通過(guò)優(yōu)化培育條件,有目的地調(diào)整關(guān)鍵基因的表達(dá) , 獲得高產(chǎn)菌株與培育條件的雙重優(yōu)化 ,麥角固醇的微生物產(chǎn)量可望進(jìn)一步提高58。多烯脂肪酸的微生物生產(chǎn)C-亞麻酸(GLA)是人體不能合成而又必需的多烯脂肪酸缺乏時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體代謝的紊亂而引起多種疾病,如高血壓、糖尿病、癌癥、病毒感染以及皮膚老化等. 因此,體內(nèi)補(bǔ)充GLA 已成為治療疾病和抗年輕的重要手段.GLA 在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為二高C-亞麻酸(DGLA)和花生四烯酸(AA),兩者再分別合成前列腺素類物質(zhì)而發(fā)揮對(duì)人體生理功能的重要調(diào)整作用.深黃被孢霉可合成 GLA,李明春等承受紫外線照耀法對(duì)

6、原生質(zhì)進(jìn)展誘變處理,大大提高了 GLA 的產(chǎn)量.二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)在海洋冷水魚(yú)中含量頗豐,是很有價(jià)值的醫(yī)藥保健產(chǎn)品,“智能食品”之稱.日本在冷海水域找到的細(xì)小球藻中 EPA 含量高達(dá)總油量的 99%.而等鞭藻的 DHA 含量為 5.4 mgg-1 干藻體.臺(tái)灣省的陳俊興等也獲得類似結(jié)果,DHA 產(chǎn)量為 6.95 mgL-1,假設(shè)進(jìn)展低溫存暗處理,藻體內(nèi) DHA 的含量可增加 1 倍.除海洋微細(xì)藻外,海洋中還有一種生殖力很強(qiáng)的網(wǎng)粘菌 SR21,其干菌體生物量含脂質(zhì)次價(jià)高 70%,其中DHA 含量為 30%40%,可通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)DHA,每升培育液產(chǎn)量為 4.5 g,該

7、菌 DHA 含量與海產(chǎn)金鯰魚(yú)或鰹魚(yú)眼窩脂肪相近 .而美國(guó)的一種標(biāo)本菌株ATCC34304 生產(chǎn) DHA 力量只有 0.6 gL-1,比網(wǎng)粘菌的 DHA 產(chǎn)量低得多.高產(chǎn) EPA 和 DHA 微生物的覺(jué)察將為其大量生產(chǎn)開(kāi)拓途徑.最近,楊革等報(bào)道了拉曼被孢霉生物合成花生四烯酸911。醫(yī)用酶制劑的發(fā)酵生產(chǎn)目前,我國(guó)每年約有 60 萬(wàn)人死于冠心病,約 120 萬(wàn)人死于腦堵塞、腦溢血, 而美國(guó)每年約有 15 萬(wàn)人死于中風(fēng),約 80%的病例是由于阻擋血液流向大腦的血凝起而導(dǎo)致突發(fā)性死亡.近年來(lái),除鏈激酶、鏈道酶、尿激酶、葡萄糖激酶、金葡激酶、組織型纖溶酶激活劑等之外,蚓激酶也得到開(kāi)發(fā).它們都是溶血栓的有效

8、藥物, 已進(jìn)入臨床有用.微生物生產(chǎn)的溶栓酶存在其優(yōu)越性:只要有高產(chǎn)菌種,生產(chǎn)工藝條件確定以及產(chǎn)品的有效性或高效性,即可實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn).最近,天津輕工業(yè)學(xué)院爭(zhēng)辯人員正在開(kāi)展的溶血栓酶爭(zhēng)辯 .他們從我國(guó)十酒藥中分別到一種根霉 ,能生產(chǎn)血栓溶解酶,溶血栓活性高,且專一性強(qiáng),對(duì)血細(xì)胞無(wú)分解作用,而且低毒、價(jià)廉.此外,日本從食品中分別到天醅激酶和納豆激酶,能在血液中停留 10 h,顯示出對(duì)血纖溶蛋白的猛烈分解活性,且無(wú)任何副作用9。紫杉醇的微生物合成紫杉醇主要是由紅豆衫屬樹(shù)種產(chǎn)生的一種二萜類抗癌藥 .1983 年以來(lái)的臨床爭(zhēng)辯說(shuō)明,紫衫醇對(duì)人體抗藥性卵巢癌、乳腺癌及黑素瘤等有突出療效,是近15 年來(lái)覺(jué)察的

9、最重要的抗癌藥物 .臨床上用的紫衫醇至今仍來(lái)自自然紅豆杉樹(shù)皮,其含量占樹(shù)皮干重的萬(wàn)分之二,現(xiàn)在紅豆杉樹(shù)資源嚴(yán)峻缺乏,微生物產(chǎn)生發(fā)酵就是開(kāi)拓紫杉醇來(lái)源的途徑之一.1993 年Stierle 等首次報(bào)道了真菌安德烈紫杉菌通過(guò)發(fā)酵也能產(chǎn)生紫杉醇,該菌株連 3 周內(nèi)發(fā)酵液中每升含紫杉醇幾納克。之后,他們又從西藏紅豆杉細(xì)枝中分別到 20 世紀(jì)末 1 株小孢盤(pán)多毛孢菌,其發(fā)酵水平略高(每升幾納克),我國(guó)北京大學(xué)爭(zhēng)辯人員也獲得類似的爭(zhēng)辯成果 .美國(guó)華盛頓大學(xué)爭(zhēng)辯人員運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù),將紫杉醇合成酶基因轉(zhuǎn)入紫杉醇產(chǎn)生菌中, 有可能建構(gòu)高產(chǎn)紫杉醇的“工程菌”,估量此工程紫杉醇的產(chǎn)量比自然真菌提高幾千倍.澳大利亞

10、爭(zhēng)辯人員從紅松類松樹(shù)皮中覺(jué)察一種絲狀菌體“樹(shù)木菌”,產(chǎn)生的化合物具有類似于紫杉醇的抗癌特效9,12。細(xì)胞組織培育與藥物細(xì)胞培育技術(shù)生產(chǎn)中藥有效成份中藥的有效成份主要是細(xì)胞次生代謝產(chǎn)物,因此利用培育細(xì)胞代謝產(chǎn)物的爭(zhēng)辯是生物技術(shù)在中藥生產(chǎn)中應(yīng)用較早的一個(gè)方面.目前已經(jīng)從 400 多種植物建立了組織和細(xì)胞培育物,從中分別出 600 多種代謝產(chǎn)物,其中 40 多種化合物在產(chǎn)量上超過(guò)或等于原植物,為利用細(xì)胞培育技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)醫(yī)藥奠定了根底 .人們通過(guò)篩選高產(chǎn)細(xì)胞系,改進(jìn)培育條件和技術(shù),設(shè)計(jì)適合植物培育細(xì)胞的發(fā)酵罐等手 段,對(duì)煙草、紫草、長(zhǎng)春花、丹參、紅豆杉、三尖杉、洋地黃、人參、三七、西 洋參、三分三、

11、毛地黃、茜草、黃連和彩葉紫蘇的多種植物細(xì)胞進(jìn)展了大規(guī)模懸浮培育的試驗(yàn),以生產(chǎn)煙堿、紫草寧、長(zhǎng)春藤堿、丹參酮、紫杉醇、三尖杉酯堿、洋地黃堿、人參皂、三七、西洋參、三分三、毛地黃堿、茜草素、黃連素和紫蘇素等藥物.發(fā)酵罐規(guī)模已到達(dá)(1075) L,其中紫草寧、茜草素和人參皂已商業(yè)化. 近年來(lái),紫杉醇含量已經(jīng)比原植物提高了 100 多倍,到達(dá) 153 mgL-1,而且美國(guó)Phyton Catalytic 公司已在德國(guó) Diversa 進(jìn)展了 75 t 發(fā)酵罐試驗(yàn).日本和我國(guó)的學(xué)者們正在對(duì)三尖杉細(xì)胞的懸浮培育條件進(jìn)展優(yōu)化 ,提高三尖杉酯堿的含量. 華中理工大學(xué)開(kāi)展了紅豆杉細(xì)胞培育技術(shù)的系統(tǒng)爭(zhēng)辯 ,取得顯

12、著的進(jìn)展.上海中醫(yī)藥大學(xué)篩選出具有高轉(zhuǎn)化率的洋地黃細(xì)胞系,并進(jìn)展了毛花洋地黃植物與培育細(xì)胞之間羥化力量關(guān)系的根底爭(zhēng)辯.中國(guó)藥科大學(xué)對(duì)人參進(jìn)展了 10 L 規(guī)模的細(xì)胞培育試驗(yàn),生產(chǎn)出我國(guó)傳統(tǒng)中藥材生物技術(shù)的第一個(gè)商品化產(chǎn)物 .邢建民等觀看了水母雪蓮懸浮培育細(xì)胞生長(zhǎng)和黃酮類活性成份合成的關(guān)系1317。遺傳轉(zhuǎn)化器官的培育與藥物生產(chǎn)由農(nóng)桿菌感染植物組織形成的“畸形芽”和“毛狀根”是繼細(xì)胞培育后又一重要培育系統(tǒng).中藥很多有效成分的形成與器官分化過(guò)程親熱相關(guān) ,而在培育細(xì)胞中有效成分不存在或含量極少.與細(xì)胞培育相比,毛狀根培育有明顯優(yōu)點(diǎn):生長(zhǎng)速度快、分枝多,弱向地性;毛狀根處于器官化水平,其生理生化、遺傳

13、特性穩(wěn)定, 具有穩(wěn)定的次生代謝物合成力量,毛狀根培育系統(tǒng)對(duì)根類中藥材中有效成分的生產(chǎn)更為重要.目前已在長(zhǎng)春花、青蒿、煙草、人參、丹參、紫草、黃芪、甘草、曼陀羅和顛茄等 40 多種植物建立了毛狀根培育系統(tǒng),同時(shí)還建立了煙草、薄荷、澳洲茄、顛茄和馬鈴薯等植物的畸形芽培育系統(tǒng),其生長(zhǎng)速度有的可以超過(guò)毛狀根.上海中醫(yī)藥大學(xué)對(duì)黃芪毛狀根的大規(guī)模培育技術(shù)和化學(xué)成分與藥理活性進(jìn)展了深入爭(zhēng)辯,在3 L、5 L、10 L 培育器中經(jīng)21 d 培育,有效成分產(chǎn)量可達(dá)10 gL-1(干重),而且黃芪毛狀根中皂甙、黃酮、多糖、氨基酸等含量近似于藥用黃芪,其作用效價(jià)也與藥用黃芪根本全都 .他們對(duì)丹參毛狀根進(jìn)展培育證明

14、,7 種丹參酮不僅存在毛狀根中,而且約 40%分泌到培育基中.我國(guó)從黃花蒿中分別鑒定出的青蒿素是抗瘧有效單體,對(duì)腦型和抗氯喹性瘧疾有特效,成為 WHO 推舉產(chǎn)品.劉春朝等利用 Ri1601 質(zhì)粒轉(zhuǎn)化青蒿葉片篩選的高產(chǎn)系,進(jìn)展了青蒿毛狀根合成青蒿素的培育工藝條件爭(zhēng)辯,取得較好結(jié)果:在優(yōu)化條件下,經(jīng) 25 d 培育,青蒿素產(chǎn)量達(dá)223.3 mgL-1.目前毛狀根培育系統(tǒng)的中試裝置已達(dá) 500 L 的規(guī)模,利用 20 t 發(fā)酵罐生產(chǎn)的人參毛狀根已開(kāi)發(fā)成商品投入市場(chǎng)14,15,17。藥用植物組織的離體培育自 1960 年利用組織培育技術(shù)將蘭花莖尖分生組織進(jìn)展離體培育,建立無(wú)性生殖系并誘導(dǎo)分化成植株以來(lái)

15、,已覺(jué)察能進(jìn)展離體分化的植物有千余種 ,能進(jìn)展快速生殖的有數(shù)百種,能進(jìn)展規(guī)?；蜕唐坊a(chǎn)的有近百種.其中有 100 多種藥用物經(jīng)離體培育分化成植株,對(duì)稀有貴重中藥品種的保存、繁育和純化具有重要意義.利用大規(guī)模培育技術(shù)進(jìn)展植物生殖是繼試管生殖后又一個(gè)格外有用的培育技術(shù),1981 年矮牽牛發(fā)酵罐生殖后,大規(guī)模培育技術(shù)取得了巨大進(jìn)展 .目前已進(jìn)展了草莓、矮牽牛、大巖桐、百合、馬鈴薯、蘭花、唐菖蒲等值物的莖、芽、微小塊莖、球莖、體細(xì)胞胚、小植物和合成種子的大規(guī)模培育試驗(yàn),培育規(guī)模(11000) L,培育時(shí)間隨培育物的不同而不同.最近報(bào)道的甜菊莖 500 L 大規(guī)模培育結(jié)果說(shuō)明,在 25、2022 l

16、ux 光照、15 L/min 通氣量的培育條件下,每批培育小植物數(shù)量可達(dá) 20 萬(wàn)株.為了使大規(guī)模培育的體細(xì)胞胚胎處于一樣發(fā)育期,通過(guò)不斷過(guò)篩、密度梯度離心以及培育的方法根本上解決了胡蘿卜體細(xì)胞胚胎同步發(fā)育的難題,實(shí)現(xiàn)了從單細(xì)胞到完整植物發(fā)育的同步化 ,為胡蘿卜素的生產(chǎn)開(kāi)拓途徑.最近進(jìn)展的從生物反響器中培育青蒿小植物生產(chǎn)萜類化合物的嘗試 ,為傳統(tǒng)中藥的大規(guī)模培育供給了先例14,15。生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與藥物生產(chǎn)植物培育細(xì)胞和微生物具有諸如酯化、氧化、乙?；?、復(fù)原化、甲基化、羥基化和羰基化等多種生物轉(zhuǎn)化力量 .生物轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)上是一種酶催化反響 .某些植物酶能夠催化微生物和化學(xué)合成很難進(jìn)展的立體專一和區(qū)域

17、專一的反響,因此進(jìn)展自由懸浮或固定化細(xì)胞的生物轉(zhuǎn)化爭(zhēng)辯就成為植物生物技術(shù)的一個(gè)重要爭(zhēng)辯 領(lǐng)域.但是多數(shù)微生物轉(zhuǎn)化反響的轉(zhuǎn)化率較低 ,能夠到達(dá)工業(yè)化和商品化的還不多.德國(guó)科學(xué)家利用洋地黃培育細(xì)胞特定的羥基化力量,將 B-洋地黃毒甙轉(zhuǎn)化為臨床上使用的強(qiáng)心甙 B-甲基地谷,使用 200 L 發(fā)酵罐可以獲得 (600700) mgL-1 的轉(zhuǎn)化率,德國(guó) Boehinger Mannhein 公司已進(jìn)展商業(yè)化生產(chǎn)的評(píng)估.熊果苷是人類皮膚中黑色素合成的抑制劑,是美容產(chǎn)品的重要添加劑.利用毛曼陀羅、長(zhǎng)春花或蛇根木的培育細(xì)胞進(jìn)展的生物轉(zhuǎn)化取得了成功 ,其產(chǎn)量分別到達(dá) 7.1 gL-1、9.2 gL-1 和 1

18、8 gL-1,已經(jīng)到達(dá)化學(xué)合成的產(chǎn)量,有期望進(jìn)展商業(yè)化生產(chǎn).最近將鬼臼毒轉(zhuǎn)化成它的B-葡萄糖甙也獲得成功 15,轉(zhuǎn)化率到達(dá) 294 mgL-1。 參 考 文 獻(xiàn) 1 張致平.中國(guó)抗生素爭(zhēng)辯的進(jìn)展J.中國(guó)抗生素雜志,2022,23(2):8191. 2 許文思.中國(guó)抗生素工業(yè)J.中國(guó)抗生素雜志,2022,23(2):9299.胡繼蘭.的抗腫瘤抗生素云南霉素J.中國(guó)抗生素雜志,2022,23(2):21 23.施躍峰.國(guó)外抗生素爭(zhēng)辯進(jìn)展動(dòng)態(tài)J.生物技術(shù),2022,8(5):15.陳濤等 . 三孢布拉氏霉發(fā)酵生產(chǎn)B- 胡蘿卜素的爭(zhēng)辯 J. 微生物學(xué)通報(bào),2022, 25(2):7981.任雙喜,尹光琳.三孢布拉氏霉生物合成 B-胡蘿卜素的爭(zhēng)辯J.微生物學(xué)通報(bào),2022,25(1):2023.張曉君. 紅酵母屬 Ry 菌株形成類胡蘿卜素的爭(zhēng)辯J. 微生物學(xué)通報(bào),2022,25(2):8284.何秀萍, 張博潤(rùn). 微生物麥角固醇的爭(zhēng)辯進(jìn)展J. 微生物學(xué)通報(bào),2022,25(3):166169.9羅明典.微生物制藥爭(zhēng)辯進(jìn)展J.微生物學(xué)通報(bào),2022,25(1):6162.李明春,邢來(lái)君.C-亞麻酸產(chǎn)生菌的原生質(zhì)體誘變育種 J.微生物學(xué)通報(bào),2022,25(1):912.楊革等.銅與鋅對(duì)拉曼被孢霉生長(zhǎng)、油脂及花生四烯酸合成的影響