發(fā)酵工業(yè)制藥

發(fā)酵工業(yè)制藥第1頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程發(fā)酵工程又稱為微生物工程，是利用微生物制造工業(yè)原料與工業(yè)產(chǎn)品并提供服務(wù)的技術(shù)。發(fā)酵工業(yè)中的化學(xué)反應(yīng)是通過微生物完整細(xì)胞的綜合生物化學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)酵工業(yè)以某種特定的產(chǎn)物為工藝的目的物，這就要求微生物細(xì)胞既能正常生長又能過量地積累目的產(chǎn)物。第2頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程的四個階段：第一階段：20世紀(jì)以前時期，傳統(tǒng)微生物的發(fā)酵過程來生產(chǎn)葡萄酒、酒、醋、醬、奶酪等食品。發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵的本質(zhì)。“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果”第3頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程的四個階段：第二階段：1900-1940年期間，隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的發(fā)酵產(chǎn)品不斷問世。新產(chǎn)品有酵母、甘油、乳酸、檸檬酸、丁醇和丙酮等。第4頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程的四個階段：第三階段：發(fā)酵工業(yè)大發(fā)展時期，青霉素工業(yè)化成功推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。主要標(biāo)志有深層培養(yǎng)、生產(chǎn)大規(guī)?；?，多種抗生素、氨基酸、核酸發(fā)酵成功，甾體的微生物轉(zhuǎn)化。采用純種發(fā)酵，進(jìn)行無菌操作，對操作條件有嚴(yán)格的控制，相應(yīng)地采用較復(fù)雜的工藝和裝備。第5頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程的四個階段：第四階段：基因工程等高新技術(shù)應(yīng)用階段。1953年沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，與此同時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的“質(zhì)?！笔悄茉诩?xì)菌染色體外進(jìn)行自我繁殖的細(xì)胞質(zhì)因子，可以說這就是當(dāng)今基因操作的起點(diǎn)。第6頁/共37頁一、概述發(fā)酵工程制藥

微生物發(fā)酵制藥是利用微生物進(jìn)行藥物研究、生產(chǎn)和制劑的綜合性應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。微生物藥物是指由微生物在其生命活動中產(chǎn)生的具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物及其衍生物。這些具有生理活性的次級代謝產(chǎn)物包括具有抗微生物感染和抗腫瘤作用的傳統(tǒng)抗生素、酶抑制劑、免疫調(diào)節(jié)劑、受體拮抗劑和抗氧化物等。第7頁/共37頁一、概述微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成具有以下基本特性：微生物的次級代謝是微生物的生理、生化狀態(tài)的體現(xiàn)，通常次級代謝產(chǎn)物是在菌體生長后期開始形成，當(dāng)培養(yǎng)液缺乏某種重要的營養(yǎng)物質(zhì)而使細(xì)胞生長繁殖受到限制時，次級代謝產(chǎn)物的合成才被啟動。第8頁/共37頁一、概述微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成具有以下基本特性：次級代謝的生物合成是以初級代謝產(chǎn)物為前體物，并受初級代謝的調(diào)節(jié)。當(dāng)與次級代謝產(chǎn)物生物合成有關(guān)的初級代謝受阻時，該次級代謝產(chǎn)物不能合成。第9頁/共37頁一、概述微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成具有以下基本特性：一種微生物能夠合成多種結(jié)構(gòu)上完全不同的次級代謝產(chǎn)物；相反，不同的微生物也可能合成相同的次級代謝產(chǎn)物。微生物菌種在分類學(xué)上的位置與產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)之間沒有明確的內(nèi)在聯(lián)系。第10頁/共37頁一、概述微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成具有以下基本特性：合成次級代謝產(chǎn)物的酶系對底物的特異性不強(qiáng)，進(jìn)行次級代謝的產(chǎn)生菌往往同時合成多種結(jié)構(gòu)類似的次級代謝產(chǎn)物，而且代謝過程中液存在著許多結(jié)構(gòu)相似的次級代謝產(chǎn)物。第11頁/共37頁一、概述微生物次級代謝產(chǎn)物的生物合成具有以下基本特性：在次級代謝產(chǎn)物的合成過程中，有時控制代謝產(chǎn)物生成的基因不僅位于染色體上，也可位于染色體以外的遺傳物質(zhì)（如質(zhì)粒）中，而且質(zhì)粒在次級代謝產(chǎn)物生物合成中所起的作用要比在初級代謝產(chǎn)物生物合成大得多。正因?yàn)槿旧w外遺傳物質(zhì)更容易受外界環(huán)境的影響而從細(xì)胞丟失，所以造成了次級代謝產(chǎn)物生物合成的不穩(wěn)定性。第12頁/共37頁一、概述微生物藥物的分類：抗生素類藥物：抗生素是在低微生物濃度下能抑制或影響活的機(jī)體生命過程的次級代謝產(chǎn)物及其衍生物。氨基酸類藥物：主要針對用于治療某些針對性的疾病。核苷酸類藥物：肌苷酸、5‘-酰苷酸等。維生素類藥物：維生素B2、維生素B12等。甾體類激素治療酶及酶抑制劑：消化類酶抗腫瘤酶類等。第13頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌1.微生物藥物生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)：一、微生物種類繁多，并且生活環(huán)境條件復(fù)雜多樣，從而使得微生物在生理代謝上和遺傳上存在其它生物群類無法比擬的多樣性，其生活過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物也因此多種多樣，為我們尋找新藥物提供了充分的可能性。第14頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌1.微生物藥物生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)：二、微生物生長快速，并且可以進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。第15頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌1.微生物藥物生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)：三、微生物的遺傳背景簡單，易于利用各種遺傳突變手段，改變微生物的代謝途徑和調(diào)控方式，使得各種微生物的藥用成分能夠大量合成，開發(fā)價廉物美的藥物。第16頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌1.微生物藥物生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)：四、藥物的療效包括兩個方面，一是治療疾病的效果，二是藥物的毒性大小。一個好的藥物既要求療效高，同時又要求毒性盡可能的低。微生物代謝產(chǎn)物的廣泛多樣性為篩選高效低毒藥物提供了可能性。并且，隨著基因工程技術(shù)和組合生物合成技術(shù)的發(fā)展，甚至能夠利用微生物的代謝系統(tǒng)生產(chǎn)出自然界原來不存在的“人工”天然產(chǎn)物。第17頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：半個多世紀(jì)的微生物藥物的篩選與開發(fā)，為人們提供了大量的各種類型的天然化合物，占全部發(fā)現(xiàn)的生物活性天然化合物的80%以上。在微生物來源的生物活性天然化合物中大多數(shù)是由放線菌（約占70%），尤其是鏈霉菌（占放線菌中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的75%左右）中獲得。第18頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：放線菌目前國際上已經(jīng)描述和發(fā)表的放線菌有60個屬、2000多種。放線菌是已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生微生物藥物最多，同時也是藥物研究最多的生物類群。其中最重要的是鏈霉菌屬。此外，還有產(chǎn)生放線菌素、慶大霉素的小單胞菌屬、產(chǎn)生利福霉素等的諾卡菌屬、以及稀有放線菌屬。第19頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：放線菌產(chǎn)生的抗生素在所有已發(fā)現(xiàn)的抗生素中，由它產(chǎn)生的抗生素占一半以上，其中又以鏈霉菌屬產(chǎn)生的抗生素為最多。諾卡式菌屬、小単孢菌屬次之。這類抗生素中主要有氨基糖苷類，如鏈霉素；四環(huán)類，如四環(huán)素；大環(huán)內(nèi)酯類，如紅霉素；多烯類，如制霉菌素；放線菌素類，如放線菌D等。第20頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：細(xì)菌芽孢桿菌屬和假單孢桿菌屬主要的生物活性次級代謝產(chǎn)物是肽類。如枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的桿菌肽等。第21頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：細(xì)菌產(chǎn)生的抗生素有細(xì)菌產(chǎn)生的抗生素的主要來源是粘多糖菌、枯草桿菌、芽孢桿菌等。屬這類抗生素的有多粘菌素等。第22頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：真菌是第一個應(yīng)用于臨床的抗生素-青霉素的產(chǎn)生菌，并從此進(jìn)入了抗菌治療的抗生素時代。在真菌中還發(fā)現(xiàn)了頭孢菌素、灰黃霉素等，以及真菌藥物如環(huán)孢菌素等。第23頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：真菌產(chǎn)生的抗生素在真菌的四個綱中，不完全菌綱中的青霉菌屬和頭孢菌屬等分別產(chǎn)生一些很重要的抗生素，如青霉素、頭孢菌素。其次為擔(dān)子綱菌。藻綱菌和子囊菌綱產(chǎn)生的抗生素很少。第24頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：稀有放線菌特點(diǎn)：生長速度比較緩慢；營養(yǎng)需求較為復(fù)雜；比較缺乏孢子分化的能力；不能穩(wěn)定地保存。它是指除常見的鏈霉菌以外的其他放線菌，而不是一個具體的分類學(xué)單元。放線菌生物學(xué)研究和資源開發(fā)受分離條件和技術(shù)的限制。第25頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：海洋微生物海洋微生物種類高達(dá)100萬種以上，其次生代謝產(chǎn)物的多樣性也是陸生微生物無法比擬的。但人工培養(yǎng)的海洋微生物只有幾千種，不到總數(shù)的1%。第26頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：極端微生物極端微生物是在特殊環(huán)境（如高溫、低溫、高鹽、高壓等）中形成的一類特殊的微生物。目前發(fā)現(xiàn)的極端微生物主要包括嗜（酸、鹽、堿、熱、冷、壓）菌等。由于它們具有特殊的基因結(jié)構(gòu)、特殊的生命過程及產(chǎn)物，并對人類解決一些重大問題如生命起源及演化等有很大的幫助。第27頁/共37頁二、微生物藥物的產(chǎn)生菌2.藥源微生物：黏細(xì)菌黏細(xì)菌是一類高等的原核生物，具有復(fù)雜的多細(xì)胞行為和形態(tài)發(fā)生。在原核生物種，按已發(fā)現(xiàn)生物活性物質(zhì)的數(shù)量，黏細(xì)菌僅排在放線菌和芽孢桿菌之后。目前從黏細(xì)菌中已發(fā)現(xiàn)大約360多種活性物質(zhì)，約占微生物來源總數(shù)的3.5%。第28頁/共37頁三、優(yōu)良菌種的選育一、微生物藥物產(chǎn)生菌菌種選育的必要性和重要性1.必要性經(jīng)誘變劑處理的細(xì)胞中只有一部分是突變型菌株，而有害突變往往占有很大比例；從自然界篩選得來的菌株，藥物代謝合成能力均很低，野生型菌株由于長時間生長在非最適條件下，產(chǎn)物濃度很低，對于工業(yè)生產(chǎn)來說，如果不進(jìn)行菌種改良，勢必造成生產(chǎn)成本過高。第29頁/共37頁三、優(yōu)良菌種的選育一、微生物藥物產(chǎn)生菌菌種選育的必要性和重要性2.重要性菌種選育是提高單位產(chǎn)量和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施；能夠改變菌種的某些遺傳性能，使之更適合于工業(yè)生產(chǎn)，例如抗噬菌體的菌株、能利用廉價發(fā)酵原料或需氧量較小的菌株等。第30頁/共37頁三、優(yōu)良菌種的選育二、選育方法1.自然選育不經(jīng)過人工處理，利用微生物的自然突變進(jìn)行菌種選育的過程稱為自然選育。自然選育可以達(dá)到純化菌種、防止菌種衰退、穩(wěn)定生產(chǎn)水平、提高產(chǎn)物產(chǎn)量的目的。但是自然選育存在效率低和進(jìn)展慢的缺點(diǎn)。第31頁/共37頁三、優(yōu)良菌種的選育二、選育方法2.誘變育種是用不同的誘變劑處理微生物的細(xì)胞群體，以誘發(fā)各種遺傳突變，然后采用簡便、快速和高效的篩選方法，從中選出所需要的突變株。發(fā)酵工業(yè)中使用的高產(chǎn)菌株，幾乎都是通過誘變育種而大大提高了生產(chǎn)性能的菌株，故至今仍是菌種改良的主要方法。第32頁/共37頁常用誘變劑及其類別物理誘變劑化學(xué)誘變劑生物誘變劑紫外線快中子X射線γ射線激光與堿基反應(yīng)的物質(zhì)

堿基類似物

在DNA中插入或缺失堿基硫酸二乙酯（DES）

2-氨基嘌呤

吖啶類物質(zhì)甲基磺酸乙酯（EMS）5-溴尿嘧啶

吖啶類氮芥衍生物亞硝基胍（NTG）

8-氮鳥嘌呤亞硝酸（NA）羥胺噬菌體三、優(yōu)良菌種的選育第33頁/共37頁三、優(yōu)良菌種的選育二、選育方法3.雜交育種是將兩個基因型不同的親株的某些遺傳信息，通過雜交重組于同一重組體中，形成新的遺傳型個體的過程。傳統(tǒng)的雜交育種在真核微生物中可以通過有性雜交及準(zhǔn)性雜交兩種途徑；在原核微生物中則可通過結(jié)合雜交進(jìn)行。第34