紅霉素工業(yè)用菌種遺傳改造獲突破

　　中科院上海有機化學研究所劉文領(lǐng)銜的課題組立足于國內(nèi)生物產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實需求，結(jié)合該所在化學合成方面的優(yōu)勢，致力于化學的理念促進現(xiàn)代生物技術(shù)的合理運用。他們與華東理工大學教授張嗣良等合作，在國家“863”項目“紅霉素發(fā)酵工業(yè)用菌種改造和過程優(yōu)化控制技術(shù)”中取得了重要突破，獲得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)、質(zhì)量和產(chǎn)量得以明顯提升的新型紅霉素生產(chǎn)重組菌株。目前該成果已在湖北東陽光生化制藥有限公司成功地進行了放大和試生產(chǎn)，其潛在經(jīng)濟、社會效益顯著。

　　在人類與致病微生物的斗爭歷史上，以抗生素為代表的微生物藥物起到了至關(guān)重要的作用。紅霉素是一類廣泛使用、用于治療革蘭氏陽性菌感染的廣譜大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。其臨床應(yīng)用領(lǐng)域的擴大和以阿奇霉素、羅紅霉素、克拉霉素等為代表的新型半合成紅霉素的出現(xiàn)，快速拉動了紅霉素原料藥的生產(chǎn)需求。

　　過去幾年，國際抗生素的市場規(guī)模大約在350億～380億美元之間，2012年有望達到450億美元。據(jù)西方經(jīng)濟學家預(yù)測，2010年紅霉素系列產(chǎn)品的全球市場總規(guī)模達70億美元以上，市場前景樂觀?？股匕l(fā)酵生產(chǎn)本身是高耗能產(chǎn)業(yè)，存在環(huán)境污染等問題，發(fā)達國家近年來正逐步把抗生素原料藥的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國等發(fā)展中國家。目前，我國是世界上紅霉素生產(chǎn)和出口的第一大國，年產(chǎn)量超過7000噸。

　　劉文介紹，由于許多抗生素具有十分復雜的化學結(jié)構(gòu)，采用化學方法大量合成往往需要繁雜的工藝途徑和苛刻的反應(yīng)條件，在制藥工業(yè)上的實際應(yīng)用價值相當有限。采用微生物發(fā)酵是獲取藥用抗生素原料的主要途徑，而我國作為世界上原料抗生素的主要生產(chǎn)大國，發(fā)酵單位偏低、產(chǎn)品質(zhì)量偏低、缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的新型抗生素藥物等一系列原因卻嚴重制約了這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　自紅霉素作為一種廣譜抗生素藥物進入臨床以來，以提高其產(chǎn)生菌種發(fā)酵單位為目的的遺傳育種工作一直未曾停止。由于對微生物次級代謝產(chǎn)物生物合成的機制了解不多，常規(guī)誘變選育的方法存在周期長、效率低和隨機性大的缺點，近年來在紅霉素高產(chǎn)菌株的篩選方面收效不大。隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展，國際上在紅霉素產(chǎn)生菌種的基因工程改造方面進行了諸多嘗試；然而，這些研究主要集中在與紅霉素產(chǎn)生相關(guān)的底物供應(yīng)或限制因素的改進方面，并未就紅霉素生物合成的次生代謝途徑做特異性的遺傳修飾，因此，在解決紅霉素生產(chǎn)中經(jīng)常面臨的有效組分偏低等問題時，缺乏有效的針對性。

　　作為中科院“百人計劃”、國家杰出青年基金獲得者，自2007年以來，劉文帶領(lǐng)課題組以包括紅霉素、阿維菌素、林可霉素、泰樂菌素和螺旋霉素等大宗抗生素產(chǎn)品為對象，就我國抗生素原料藥產(chǎn)業(yè)普遍存在的問題進行了分析，提出了以組分優(yōu)化為切入點、采用遺傳操作來控制體內(nèi)合成的化學反應(yīng)，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的研究思路。

　　基于紅霉素各組分結(jié)構(gòu)的差異和相互轉(zhuǎn)化的化學本質(zhì)，他們運用組合生物合成技術(shù)的方法和原理對紅霉素工業(yè)用高產(chǎn)菌株進行了針對性的遺傳改良。通過發(fā)酵過程中后修飾酶的表達比例調(diào)整，他們將無效副產(chǎn)物組分B和C幾乎完全轉(zhuǎn)化為有效組分紅霉素A，從而在提高了產(chǎn)品質(zhì)量基本消除主要的副產(chǎn)物的同時，有效地提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量達25%左右。部分研究成果發(fā)表在國際著名學術(shù)刊物《應(yīng)用和環(huán)境微生物》上，引起國內(nèi)外同行的關(guān)注。

　　有關(guān)重組菌株在華東理工大學的協(xié)助下完成了中試，已在湖北宜都東陽光生化制藥有限公司進行了放大和試生產(chǎn)，具備了工業(yè)化生產(chǎn)的價值。據(jù)廠方估計，相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)若能得以推廣使用，每年所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益將達10億元以上。這一重要成果還獲得了上海市科技進步獎一等獎，并申請國家專利4項。有關(guān)專家認為，其在紅霉素發(fā)酵工業(yè)方面的應(yīng)用，將明顯改善產(chǎn)品質(zhì)量、簡化下游純化工藝；同時，緩解企業(yè)在環(huán)境污染方面所面臨的壓力。

　　“抗生素在微生物體內(nèi)的合成其本質(zhì)是化學問題，化學過程和機制的解析可以使生物學技術(shù)的運用找到合適的目標并發(fā)揮更大作用?！眲⑽谋硎?，“以上是我們構(gòu)建的第一代紅霉素生產(chǎn)重組菌株，主要側(cè)重于品質(zhì)組分優(yōu)化的提升。目前我們側(cè)重于產(chǎn)量提高的第二代重組菌株已完成中試，結(jié)合前兩代優(yōu)勢、綜合提高質(zhì)量和產(chǎn)量的第三代重組菌株完成了小試，初步數(shù)據(jù)表明效果明顯?！?/p>

　　作為上海有機所開展紅霉素菌種遺傳改造工作的最初建議者，中國科學院院士戴立信高度關(guān)注面向國家重大需求的科學研究?！耙酝糸嘞壬鸀榇淼挠袡C所老一輩科學家早在上世紀50年代就開展了抗生素的研究工作，并在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，解決了當時有和無的問題。我國現(xiàn)在已經(jīng)成為紅霉素第一生產(chǎn)大國，對于技術(shù)創(chuàng)新的需求尤為迫切。”他思路非常清晰，“我聽了劉文教授關(guān)于生物合成的學術(shù)報告后，又了解了一些紅霉素生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀和需求，感覺在生物技術(shù)中融入化學的理念，應(yīng)該有可能解決一些生產(chǎn)中的瓶頸問題并產(chǎn)生不錯的效果。”

　　“這是有機所在知識創(chuàng)新過程中，在面向國家需求、立足原始創(chuàng)新方面所做的一件有重要意義的研究工作，充分體現(xiàn)了學科交叉的優(yōu)勢?！敝锌圃荷虾Ｓ袡C所所長丁奎嶺表示，“我們以化學的思想促進生物技術(shù)的應(yīng)用，以提高大宗醫(yī)藥抗生素產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量為研究目標，所要解決的關(guān)鍵問題在抗生素生產(chǎn)中具有普遍意義。紅霉素工業(yè)用生產(chǎn)菌種的遺傳改造取得的系列創(chuàng)新技術(shù)在生產(chǎn)中成功實施，預(yù)示著這樣的理念在其他抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中將有著普遍的推廣意義，有利于促進我國傳統(tǒng)抗生素生產(chǎn)行業(yè)整體技術(shù)水平的提升?！?/p>

來源：藥品資訊網(wǎng)信息中心

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