化學(xué)理念促紅霉素工業(yè)用菌種遺傳改造突破

中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所劉文領(lǐng)銜的課題組立足于國(guó)內(nèi)生物產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，結(jié)合該所在化學(xué)合成方面的優(yōu)勢(shì)，致力于化學(xué)的理念促進(jìn)現(xiàn)代生物技術(shù)的合理運(yùn)用。他們與華東理工大學(xué)教授張嗣良等合作，在國(guó)家“863”項(xiàng)目“紅霉素發(fā)酵工業(yè)用菌種改造和過(guò)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(shí)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(yáng)光生化制藥有限公司成功地進(jìn)行了放大和試生產(chǎn)，其潛在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

在人類(lèi)與致病微生物的斗爭(zhēng)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(lèi)廣泛使用、用于治療革蘭氏陽(yáng)性菌感染的廣譜大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素。其臨床應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(dòng)了紅霉素原料藥的生產(chǎn)需求。

過(guò)去幾年，國(guó)際抗生素的市場(chǎng)規(guī)模大約在350億～380億美元之間，2012年有望達(dá)到450億美元。據(jù)西方經(jīng)濟(jì)學(xué)家預(yù)測(cè)，2010年紅霉素系列產(chǎn)品的全球市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)70億美元以上，市場(chǎng)前景樂(lè)觀。抗生素發(fā)酵生產(chǎn)本身是高耗能產(chǎn)業(yè)，存在環(huán)境污染等問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)正逐步把抗生素原料藥的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家。目前，我國(guó)是世界上紅霉素生產(chǎn)和出口的第一大國(guó)，年產(chǎn)量超過(guò)7000噸。

劉文介紹，由于許多抗生素具有十分復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，采用化學(xué)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值相當(dāng)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(guó)作為世界上原料抗生素的主要生產(chǎn)大國(guó)，發(fā)酵單位偏低、產(chǎn)品質(zhì)量偏低、缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型抗生素藥物等一系列原因卻嚴(yán)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(jìn)入臨床以來(lái)，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(duì)微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成的機(jī)制了解不多，常規(guī)誘變選育的方法存在周期長(zhǎng)、效率低和隨機(jī)性大的缺點(diǎn)，近年來(lái)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上在紅霉素產(chǎn)生菌種的基因工程改造方面進(jìn)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(jìn)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(wèn)題時(shí)，缺乏有效的針對(duì)性。

作為中科院“百人計(jì)劃”、國(guó)家杰出青年基金獲得者，自2007年以來(lái)，劉文帶領(lǐng)課題組以包括紅霉素、阿維菌素、林可霉素、泰樂(lè)菌素和螺旋霉素等大宗抗生素產(chǎn)品為對(duì)象，就我國(guó)抗生素原料藥產(chǎn)業(yè)普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了以組分優(yōu)化為切入點(diǎn)、采用遺傳操作來(lái)控制體內(nèi)合成的化學(xué)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(xué)本質(zhì)，他們運(yùn)用組合生物合成技術(shù)的方法和原理對(duì)紅霉素工業(yè)用高產(chǎn)菌株進(jìn)行了針對(duì)性的遺傳改良。通過(guò)發(fā)酵過(guò)程中后修飾酶的表達(dá)比例調(diào)整，他們將無(wú)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(shí)，有效地提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量達(dá)25%左右。部分研究成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《應(yīng)用和環(huán)境微生物》上，引起國(guó)內(nèi)外同行的關(guān)注。

有關(guān)重組菌株在華東理工大學(xué)的協(xié)助下完成了中試，已在湖北宜都東陽(yáng)光生化制藥有限公司進(jìn)行了放大和試生產(chǎn)，具備了工業(yè)化生產(chǎn)的價(jià)值。據(jù)廠方估計(jì)，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(jì)效益將達(dá)10億元以上。這一重要成果還獲得了上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，并申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利4項(xiàng)。有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)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(jiǎn)化下游純化工藝；同時(shí)，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(xué)問(wèn)題，化學(xué)過(guò)程和機(jī)制的解析可以使生物學(xué)技術(shù)的運(yùn)用找到合適的目標(biāo)并發(fā)揮更大作用?！眲⑽谋硎荆耙陨鲜俏覀儤?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(shì)、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?！?

作為上海有機(jī)所開(kāi)展紅霉素菌種遺傳改造工作的最初建議者，中國(guó)科學(xué)院院士戴立信高度關(guān)注面向國(guó)家重大需求的科學(xué)研究?！耙酝糸嘞壬鸀榇淼挠袡C(jī)所老一輩科學(xué)家早在上世紀(jì)50年代就開(kāi)展了抗生素的研究工作，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，解決了當(dāng)時(shí)有和無(wú)的問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)成為紅霉素第一生產(chǎn)大國(guó)，對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新的需求尤為迫切。”他思路非常清晰，“我聽(tīng)了劉文教授關(guān)于生物合成的學(xué)術(shù)報(bào)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(jué)在生物技術(shù)中融入化學(xué)的理念，應(yīng)該有可能解決一些生產(chǎn)中的瓶頸問(wèn)題并產(chǎn)生不錯(cuò)的效果?！?

“這是有機(jī)所在知識(shí)創(chuàng)新過(guò)程中，在面向國(guó)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(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)。”中科院上海有機(jī)所所長(zhǎng)丁奎嶺表示，“我們以化學(xué)的思想促進(jìn)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(biāo)，所要解決的關(guān)鍵問(wèn)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(shí)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(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)抗生素生產(chǎn)行業(yè)整體技術(shù)水平的提升。”

來(lái)源：《科學(xué)時(shí)報(bào)》 作者：黃辛

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