微生物制药技术及研究前景
2020-03-02 21:08:54 来源：范文大全收藏下载本文
微生物制药技术及研究前景
摘要：在人类基因组工程和生物信息学的推动下，生物技术创新日新月异，生物医药产业正在经历一个飞速发展的新阶段，工业微生物技术是可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、生态环境危机和改造传统产业的根本技术依托。工业微生物的发展使现代生物技术渗透到包括医药、农业、能源、化工、环保等几乎所有的工业领域，并扮演着重要角色。本文通过对研究微生物制药技术的研究和前景的综述，介绍了微生物制药的原理和方法以及可能对人类医学事业产生的积极影响，旨在进一步明确为生物制药在社会发展过程中重要地位。
关键词：微生物制药 生物制品 抗生素
微生物来源的药物通称为生物药物，是微生物在其生命活动过程中产生的，能以极低浓度抑制或影响其他生物机能的低分子量代谢物。包括抗生素和具有其他药理作用的微生物次级代谢产物，以及以微生物次级代谢为先导化合物、通过生物或化学方法制得的衍生物。20世纪40年代青霉素问世，开创了微生物药物的新时代。抗生素在世界范围内广泛使用，使人类许多传染性疾病得到控制；随着微生物制药的发展，它们在肿瘤化疗、器官移植以及高胆固醇血症治疗等方面也发挥重要作用，成为不可缺少的药物[1]。
微生物制药在医药工业中占有重要地位，半个世纪以来微生物转化在药物研制中一系列突破性的应用给医药工业创造了巨大的医疗价值和经济效益。目前全世界为生物药物的总产量占医药工业总产值的15%左右。在我国微生物制药也是医疗工业的支柱行业之一。
1.微生物制药的概念和特点
微生物制药是利用微生物技术，通过高度工程化的新型综合技术，以利用微生物反应过程为基础，依赖于微生物机体在反应器内的生长繁殖及代谢过程来合成一定产物，通过分离纯化技术进行提取精制，并最终制剂成型来实现药物产品的生产[2]。
微生物制药工业生产的特点是利用某种微生物以“纯种状态”，也就是不仅“种子”要优而且只能是一种，如其它菌种进来即为杂菌。对固定产品来说，一定按工艺有它最合适的“饭”—培养基，来供它生长。培养基的成分不能随意更改，一个菌种在同样的发酵培养基中，因为只少了或多了某个成分，发酵的成品就完全不同。如金色链霉菌在含氯的培养基中可形成金霉素，而在没有氯化物或在培养基中加入抑制生成氯化的物质，就产生四环素。
2.微生物制药技术
微生物药物的利用是从人们熟知的抗生素开始的，近年来，由于基础生命科学的发展和各种新的生物技术的应用，报道的微生物产生的除了抗感染、抗肿瘤以外的其他生物活性物质日益增多，如特异性的酶抑制剂、免疫调节剂、受体拮抗剂和抗氧化剂等，其活性已超出了抑制某些微生物生命活动的范围。但这些物质均为微生物次级代谢产物，其在生物合成机制、筛选研究程序及生产工艺等方面和抗生素都有共同的特点，但把它们通称为抗生素显然是不恰当的，于是不少学者就把微生物产生的这些具有生理活性（或称药理活性）的次级代谢产物统称为微生物药物[3]。微生物药物的生产技术就是微生物制药技术。可以认为包括五个方面的内容：
2.1菌种的获得
根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来，进行生产性能测定。这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。
2.2高产菌株的选育
由于为生物基因突变是对即发生的，人们正在寻求基因的定向突变经诱变剂处理的细胞中只有一部分是突变型菌株，况且，在突变型菌株中又只有一小部分是理想得的正突变体菌株，而有害突变体往往占很大比例；另一方面，从自然界筛选得来的菌株药物代谢合成能力低，野生型菌株由于长时间生长在非最适条件下，大多只产生不带10mg/L产物[4]，而对于工业生产来说，如果不尽心改良，势必造成成本过高，因而没有工业生产价值；即使是以用于工业生产的菌株，危机不断提高产量、降低成本，军中改良也是手段之一要想使菌种产量不断提高，最根本的还是要依靠本身固有的遗传特性，这就必须不断的进行军中选育、改良。
工业菌种的育种是运用遗传学原理和技术对某个用于特定生物技术目的的菌株进行的多方位的改造。通过改造，可使现存的优良性状强化，或去除不良性质或增加新的性状。育种的方法包括：自然选育、诱变育种、杂家育种、基因工程技术改良菌种。
2.2.1自然选育 自然选育是指为生物细胞群体不经人工处理的自发突变进行菌种选育的育种方法。自然选育也称自然分离，主要是对菌种加以纯化，以获得遗传背景较为均一的细胞群体。一般菌种经过多次传代或长期保存后，由于自发突变或异核体和多倍体的分离，使有些细胞的遗传性状发生改变，造成菌种不纯，生产能力下降，亦即菌种退化。因此在工业生产和发酵研究中要经常进行自然分离，纯化菌种。但微生物的自发突变频率很低，正突变频率更低，因而通过自然选育虽能提高菌种生产力或获得某种优良特性菌株，但一般俩说，效率低、进展慢，效果不显著。因此，经常将自然选育和有变育种交替使用，这样可以收到良好的效果。
2.2.2诱变育种
诱变育种使用不同的诱变剂处理微生物的细胞群体，易诱发遗传突变，然后采用渐变、快速和高效的筛选的方法，从中选出所需要的变株。采用这种方法，微生物菌种突变的频率比自发突变有大幅度的提高，但所诱发的遗传性状的改变时随机的，因而需要进行大量的筛选。诱变育种在工业微生物育种中应用最早。当前，发酵工业中使用的高产菌株，几乎都是通过诱变育种而大大提高了生产性能的菌株，故至今仍是菌种改良的主要方法之一。
诱变剂育种的方法但很多，了归纳起来可分为物理诱变剂、化学诱变剂、和生物诱变剂三大类。
物理诱变剂包括紫外线、快中子、X射线、γ射线、β射线、激光、微波等。化学诱变剂有烷化剂、嵌合剂、碱基类似物、亚硝酸、抗生素。生物诱变剂有噬菌体和转座引子。
2.2.3杂交育种
杂交育种是将两个基因型不同的亲株的某些遗传信息，通过杂交重新组合与同一个充足体重，形成新的遗传型个体的过程。杂交育种包括准性生殖、接合、原生质融合。其中原生质融合包括选出标记菌株，两亲株分别制备原生质体，原生质体的再生，融合子的选择五个步骤。
2.2.4基因工程技术改良菌种
多年来，由于大量使用甚至滥用抗生素，一直普遍出现耐药菌，人们希望有更多的新抗生素代替现有瓶中，而常规方法从微生物中发现新抗生素已经越来越难，如果采用诱变育种方法来寻找新品种，存在选育周期长、效率低以及盲目性、随机性的问题。基因工程，即重组DNA技术的实际应用，从分子水平上揭开了遗传的奥秘。随着这一技术的不断发展和完善，重组DNA技术已在微生物菌种改良中起着越来越重要的作用，在工业上已经取得有重要意义的成果。
在微生物菌种改良上，重组DNA技术可实现微生物药物的产量单位上的提高，如增加限速酶基因拷贝数，引入抗性基因和调节基因，通过克隆抗生素的全部结构基因改变表达体系提高产量。重组DNA技术还可通过以下四个方面实现菌种改良（1）阻断支路代谢，增加有效组分含量（2）构建能产生半合成抗生素中间体的基因工程菌（3）构建生产新型化合物的基因工程菌（4）引入血红蛋白基因，改善微生物的工业性状[5]。
2.3微生物药物产生菌的保藏
原始菌种一半活性较低，不能马上用于生产，必须经理自然分离和人工诱变，需要做大量的工作才能获得稳定的优质菌株，将这个优质菌株保存起来是工业菌株管理的一道必要程序，在发酵工业生产中某种产品能否持续高产，大部分依赖于菌种的稳定性。菌种保存的方法有：(1)移植培养保藏法（2）液体石蜡保藏法（3）沙土保藏法（4）麦粒保藏法（5）低温保藏法（6）冷冻干燥保藏法（7）L-干燥保藏法（8）双层管瓶保藏法（9）液氮超低温保藏法。 [6]2.4微生物药物的发酵工艺
根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。对发酵工艺过程影响较大的是发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间[7]等6个方面，他们分别对发酵过程的影响这里不做赘述。发酵工艺简要步骤如下：
（1）首先要了解菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求。根据不同类型微生物的生理特性考虑培养基的组成。
（2）其次要了解生产菌种的培养条件，生物合成的代谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般提取方法和产品质量。
（3）选择一种较好的化学合成培养基做基础，先做一些试验性实验，考察微生物药物的产量和品质。不断调整各种营养物质和其他物质的配比来改善产品的质量。
（5）有些发酵产物，如抗生素等，除了配制培养基以外，还要通过中间补料法，一面对碳及氮的代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径[8]。
(6)选择培养及原料时也应考虑经济效益。
2.5微生物药物的分离、精制和鉴别
2.5.1微生物药物的分离提取
微生物药物的分离提取的方法有：溶剂萃取法，离子交换法[9]。 2.5.2微生物药物的精致
经过分离提取所得的产品一般仍为粗品，需要进一步精制，由于粗品的纯度较低，量很少，进一步精制主要借助色谱技术。按照分离机理，色谱法可分为媳妇色谱、分配色谱、离子交换色谱和排阻色谱。20世纪60年代以后基于技术的进步发展了高压液相色谱技术，其机理与经典色谱相同，但分离效率大大提高[10]。
2.5.3微生物药物的鉴别
迄今发现的抗生素级其他有生理活性的微生物产物已逾万种，采用各种方法和模型其目的是增加新活性化合物出现的几率，但在筛选中绝大多数化合物都是已知的，所以微生物产物的鉴别在微生物制药工业中也是一个重要步骤[11]。现阶段主要利用的微生物药物快速准确鉴别的技术是LC-UV（液相色谱-紫外光谱连用技术）、LC-MS（液相色谱-质谱联用技术）、LC-IR（液相色谱-红外连用技术）及LC-NMR（液相色谱-核磁共振连用技术）。
3.我国微生物制药的研究进展
过去5年中国创新微生物药物筛选与发现研究获进展，目前已拥有12万株40万份的药用微生物菌株和20万个微生物发酵提取品，微生物产物高通量筛选模型150多个，获得了一批微生物药物先导化合物或候选物，为创新微生物药物研发奠定了良好基础。中国医学科学院医药生物技术研究所所长蒋建东近日披露这一信息时称，中国是拥有生物多样性最多的国家，具有研究开发利用微生物药用资源优势。目前已建立了200万样次的规模化微生物药物高通量筛选平台，每年都有新的微生物药物品种申请临床批件，其中可利霉素已完成Ⅲ期临床试验，力达霉素和埃博霉素等正进行Ⅱ期临床试验。 微生物药物已占全球药品市场20%以上，占中国内地市场的35%以上[12]。
4.结语与展望
微生物制药工业在医药工业中所占的比例越来越大，这种技术相比于化学合成的方法更为简便，而且经济效益也更高。微生物制药技术作为一项新兴的技术，在世界各国卫生医疗、环境保护等领域已经取得了卓越的成绩。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划，可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中重要地位。如胰岛素、氨基酸、牛痘等微生物制药技术成熟发展的产物。21世纪初在微生物制药领域中，宝曲这一科研成果成为利用微生物制药成功的典范，尤其是在心脑血管领域占有举足轻重的作用。一方面随着制药工艺的不断完善和成熟，微生物制药必然能够解决更多传统制药工艺所不能解决的问题，有利于加速医药卫生事业的发展。另一方面现代社会以追求绿色高科技，可持续发展为目标，随着能源日益稀缺传统医药发展瓶颈日趋严重，微生物制药将在医疗领域发挥重大作用。
参考文献
[1]吴剑波．微生物制药[M]．北京：化学工业出版社，2002． [2]盛祖嘉.微生物遗传学.第二版.北京：科学出版社，1987 [3]王艳红，贾桂燕，余丽芸，等．微生物制药本科实验教学改革的探索 与实践[J]．安徽农学通报，2011(1)：175—176 [4]岑沛霖，蔡谨，工业微生物学，背景；化学工业出版社教材出版中心，2000 [5]陈代杰，微生物药物学，上海：华东理工大学出版社，1999 [6]中国科学院微生物所《菌种爆仓手册》编著组，菌种保藏手册.北京：科学出版社，1980 [7]郭勇，生物技术制药.北京：中国轻工业出版社，2001 [8]邬行彦等.抗生素生产工艺学.北京：化学工业出版社，1994 [9]严希康.生化分离技术.上海：华东理工大学出版社，1996 [10]杨松成.生物医药学中的液相色谱-质朴连用.北京：中国人民公安大学出版社，1999 [11]顾觉奋.微生物药品化学分析.北京：爵士医学科学出版社，1999 [12]吴杭，微生物药物产生菌功能基因组学研究进展，上海，2000
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