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1、发酵工程在医药争辩和生产中的应用发酵工程在医药争辩和生产中的应用生命科学与技术学院，制药工程 1101 班，王炎，2022034015几十年来,生物技术在医药领域的很多方面取得了巨大的进展 .本文着重综述了微生物和植物细胞的发酵工程在医药争辩和生产中应用的进展。1 微生物发酵工程与医药1.1 抗生素的微生物合成随着科学技术的进展,抗生素来源不再仅限于微生物,已扩大到动植物.它不仅可用于治疗细菌感染,而且可用于治疗肿瘤以及由原虫、病毒和立克次氏体所引起的疾病,有的抗生素还有刺感动植物生长的作用.自 1929 年英国人觉察青霉菌分泌青霉素能抑制葡萄球菌生长以后,相继觉察了链霉素、氯霉素、金霉素、土
2、霉素、四环素、霉素和红霉素等抗菌素.在近几十年内,抗生素的争辩又有了飞速的进展,已找到的抗生素有数千种,其中具有临床效果并已利用发酵大量生产和广泛应用的多达百余种。一个好的抗生素应具有较广的抗菌谱外 ,还应具有较好的选择性,不产生过敏和耐药性,有高度的稳定性,收率高,本钱低,适于工业生产.目前生产和应用的抗生素还不能完全满足以上要求 ,查找的抗生素仍旧是很重要的任务 .现在以抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、抗原虫、广谱和抗耐药菌的抗生素为主要争辩方向, 已成功地建立了用于治疗艾滋病,抗老年性痴呆症,消退肥胖症,把握糖尿病并发白内障,抑制前列腺肿大的抗生素的筛选模型,估量近年内可取得一系列成功.因此,现
3、在利用发酵技术生产的“抗生素”可以把微生物代谢产生的对人类疾病的预防和治疗有用的物质都包括进去14。1.2 维生素类药物的微生物生产维生素作为六大生命要素之一,为整个生命活动所必需.VA 的前体 B-胡萝卜素及 VC 和 VE 均为抗氧化剂,能保护人体组织的过氧化损伤并提高机体免疫力有抗癌、抗心血管疾病和白内障等功能.国内用真菌三孢布拉霉生产 B-胡萝卜素的产量达 2.0 gL-1,国外已到达(33.5) gL-1.粘红酵母、布拉克须霉、丛霉等真菌也具有生产 B-胡萝卜素的力量.除真菌外,如球型红杆菌、瑞士乳杆菌等某些细菌也具有发酵生产类胡萝卜素的力量 .Vc 的微生物发酵法早已取得重要突破,
4、利用“大小菌落”菌株混合培育生产 VC 的工艺已经成熟,进入产业化.目前利用氧化葡萄糖杆菌与一种蜡状芽孢杆菌混合菌共固定化发酵技术,可将 Vc 的收率提高到 80%以上,生产周期比传统工艺缩短 1/3.日本争辩人员觉察一种纤细裸藻能同时生产 Vc、VE 和 B-胡萝卜素,藻体生物量产量可达每升培育液 20 g,从中提 Vc 和 VE 量为 60 mgL-1,B-胡萝卜素 40 mgL-1;生产效率比原有培育方法提高 1 倍以上,生产力量优于绿藻.VD 的前体麦角固醇有可能利用酵母菌来发酵生产,通过对不同种属酵母菌的麦角固醇含量的测定分析觉察 ,最高含量可达细胞干重的 6%,最低的仅 0.3%.
5、莫斯科大学的争辩者承受杂交方法选育到麦角固醇含量高达 2.7%的酵母高产菌.通过优化培育条件,有目的地调整关键基因的表达 , 获得高产菌株与培育条件的双重优化 ,麦角固醇的微生物产量可望进一步提高58。1.3 多烯脂肪酸的微生物生产C-亚麻酸(GLA)是人体不能合成而又必需的多烯脂肪酸缺乏时会导致机体代- 3 -谢的紊乱而引起多种疾病,如高血压、糖尿病、癌症、病毒感染以及皮肤老化等. 因此,体内补充GLA 已成为治疗疾病和抗年轻的重要手段.GLA 在体内转化为二高C-亚麻酸(DGLA)和花生四烯酸(AA),两者再分别合成前列腺素类物质而发挥对人体生理功能的重要调整作用.深黄被孢霉可合成 GLA
6、,李明春等承受紫外线照耀法对原生质进展诱变处理,大大提高了 GLA 的产量.二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)在海洋冷水鱼中含量颇丰,是很有价值的医药保健产品,“智能食品”之称.日本在冷海水域找到的细小球藻中 EPA 含量高达总油量的 99%.而等鞭藻的 DHA 含量为 5.4 mgg-1 干藻体.台湾省的陈俊兴等也获得类似结果,DHA 产量为 6.95 mgL-1,假设进展低温存暗处理,藻体内 DHA 的含量可增加 1 倍.除海洋微细藻外,海洋中还有一种生殖力很强的网粘菌 SR21,其干菌体生物量含脂质次价高 70%,其中DHA 含量为 30%40%,可通过发酵生产DHA,每升
7、培育液产量为 4.5 g,该菌 DHA 含量与海产金鲶鱼或鲣鱼眼窝脂肪相近 .而美国的一种标本菌株ATCC34304 生产 DHA 力量只有 0.6 gL-1,比网粘菌的 DHA 产量低得多.高产 EPA 和 DHA 微生物的觉察将为其大量生产开拓途径.最近,杨革等报道了拉曼被孢霉生物合成花生四烯酸911。1.4 医用酶制剂的发酵生产目前,我国每年约有 60 万人死于冠心病,约 120 万人死于脑堵塞、脑溢血, 而美国每年约有 15 万人死于中风,约 80%的病例是由于阻挡血液流向大脑的血凝起而导致突发性死亡.近年来,除链激酶、链道酶、尿激酶、葡萄糖激酶、金葡激酶、组织型纤溶酶激活剂等之外,蚓
8、激酶也得到开发.它们都是溶血栓的有效药物, 已进入临床有用.微生物生产的溶栓酶存在其优越性:只要有高产菌种,生产工艺条件确定以及产品的有效性或高效性,即可实现规模生产.最近,天津轻工业学院争辩人员正在开展的溶血栓酶争辩 .他们从我国十酒药中分别到一种根霉 ,能生产血栓溶解酶,溶血栓活性高,且专一性强,对血细胞无分解作用,而且低毒、价廉.此外,日本从食品中分别到天醅激酶和纳豆激酶,能在血液中停留 10 h,显示出对血纤溶蛋白的猛烈分解活性,且无任何副作用9。1.5 紫杉醇的微生物合成紫杉醇主要是由红豆衫属树种产生的一种二萜类抗癌药 .1983 年以来的临床争辩说明,紫衫醇对人体抗药性卵巢癌、乳腺
9、癌及黑素瘤等有突出疗效,是近15 年来觉察的最重要的抗癌药物 .临床上用的紫衫醇至今仍来自自然红豆杉树皮,其含量占树皮干重的万分之二,现在红豆杉树资源严峻缺乏,微生物产生发酵就是开拓紫杉醇来源的途径之一.1993 年Stierle 等首次报道了真菌安德烈紫杉菌通过发酵也能产生紫杉醇,该菌株连 3 周内发酵液中每升含紫杉醇几纳克。之后,他们又从西藏红豆杉细枝中分别到 20 世纪末 1 株小孢盘多毛孢菌,其发酵水平略高(每升几纳克),我国北京大学争辩人员也获得类似的争辩成果 .美国华盛顿大学争辩人员运用现代生物技术,将紫杉醇合成酶基因转入紫杉醇产生菌中, 有可能建构高产紫杉醇的“工程菌”,估量此工
10、程紫杉醇的产量比自然真菌提高几千倍.澳大利亚争辩人员从红松类松树皮中觉察一种丝状菌体“树木菌”,产生的化合物具有类似于紫杉醇的抗癌特效9,12。2 细胞组织培育与药物2.1 细胞培育技术生产中药有效成份中药的有效成份主要是细胞次生代谢产物,因此利用培育细胞代谢产物的争辩是生物技术在中药生产中应用较早的一个方面.目前已经从 400 多种植物建立了组织和细胞培育物,从中分别出 600 多种代谢产物,其中 40 多种化合物在产量上超过或等于原植物,为利用细胞培育技术工业化生产医药奠定了根底 .人们通过筛选高产细胞系,改进培育条件和技术,设计适合植物培育细胞的发酵罐等手 段,对烟草、紫草、长春花、丹参
11、、红豆杉、三尖杉、洋地黄、人参、三七、西 洋参、三分三、毛地黄、茜草、黄连和彩叶紫苏的多种植物细胞进展了大规模悬浮培育的试验,以生产烟碱、紫草宁、长春藤碱、丹参酮、紫杉醇、三尖杉酯碱、洋地黄碱、人参皂、三七、西洋参、三分三、毛地黄碱、茜草素、黄连素和紫苏素等药物.发酵罐规模已到达(1075) L,其中紫草宁、茜草素和人参皂已商业化. 近年来,紫杉醇含量已经比原植物提高了 100 多倍,到达 153 mgL-1,而且美国Phyton Catalytic 公司已在德国 Diversa 进展了 75 t 发酵罐试验.日本和我国的学者们正在对三尖杉细胞的悬浮培育条件进展优化 ,提高三尖杉酯碱的含量.
12、华中理工大学开展了红豆杉细胞培育技术的系统争辩 ,取得显著的进展.上海中医药大学筛选出具有高转化率的洋地黄细胞系,并进展了毛花洋地黄植物与培育细胞之间羟化力量关系的根底争辩.中国药科大学对人参进展了 10 L 规模的细胞培育试验,生产出我国传统中药材生物技术的第一个商品化产物 .邢建民等观看了水母雪莲悬浮培育细胞生长和黄酮类活性成份合成的关系1317。2.2 遗传转化器官的培育与药物生产由农杆菌感染植物组织形成的“畸形芽”和“毛状根”是继细胞培育后又一重要培育系统.中药很多有效成分的形成与器官分化过程亲热相关 ,而在培育细胞中有效成分不存在或含量极少.与细胞培育相比,毛状根培育有明显优点:生长
13、速度快、分枝多,弱向地性;毛状根处于器官化水平,其生理生化、遗传特性稳定, 具有稳定的次生代谢物合成力量,毛状根培育系统对根类中药材中有效成分的生产更为重要.目前已在长春花、青蒿、烟草、人参、丹参、紫草、黄芪、甘草、曼陀罗和颠茄等 40 多种植物建立了毛状根培育系统,同时还建立了烟草、薄荷、澳洲茄、颠茄和马铃薯等植物的畸形芽培育系统,其生长速度有的可以超过毛状根.上海中医药大学对黄芪毛状根的大规模培育技术和化学成分与药理活性进展了深入争辩,在3 L、5 L、10 L 培育器中经21 d 培育,有效成分产量可达10 gL-1(干重),而且黄芪毛状根中皂甙、黄酮、多糖、氨基酸等含量近似于药用黄芪,
14、其作用效价也与药用黄芪根本全都 .他们对丹参毛状根进展培育证明 ,7 种丹参酮不仅存在毛状根中,而且约 40%分泌到培育基中.我国从黄花蒿中分别鉴定出的青蒿素是抗疟有效单体,对脑型和抗氯喹性疟疾有特效,成为 WHO 推举产品.刘春朝等利用 Ri1601 质粒转化青蒿叶片筛选的高产系,进展了青蒿毛状根合成青蒿素的培育工艺条件争辩,取得较好结果:在优化条件下,经 25 d 培育,青蒿素产量达223.3 mgL-1.目前毛状根培育系统的中试装置已达 500 L 的规模,利用 20 t 发酵罐生产的人参毛状根已开发成商品投入市场14,15,17。2.3 药用植物组织的离体培育自 1960 年利用组织培
15、育技术将兰花茎尖分生组织进展离体培育,建立无性生殖系并诱导分化成植株以来,已觉察能进展离体分化的植物有千余种 ,能进展快速生殖的有数百种,能进展规模化和商品化生产的有近百种.其中有 100 多种药用物经离体培育分化成植株,对稀有贵重中药品种的保存、繁育和纯化具有重要意义.利用大规模培育技术进展植物生殖是继试管生殖后又一个格外有用的培育技术,1981 年矮牵牛发酵罐生殖后,大规模培育技术取得了巨大进展 .目前已进展了草莓、矮牵牛、大岩桐、百合、马铃薯、兰花、唐菖蒲等值物的茎、芽、微小块茎、球茎、体细胞胚、小植物和合成种子的大规模培育试验,培育规模(11000) L,培育时间随培育物的不同而不同.
16、最近报道的甜菊茎 500 L 大规模培育结果说明,在 25、2022 lux 光照、15 L/min 通气量的培育条件下,每批培育小植物数量可达 20 万株.为了使大规模培育的体细胞胚胎处于一样发育期,通过不断过筛、密度梯度离心以及培育的方法根本上解决了胡萝卜体细胞胚胎同步发育的难题,实现了从单细胞到完整植物发育的同步化 ,为胡萝卜素的生产开拓途径.最近进展的从生物反响器中培育青蒿小植物生产萜类化合物的尝试 ,为传统中药的大规模培育供给了先例14,15。2.4 生物转化系统与药物生产植物培育细胞和微生物具有诸如酯化、氧化、乙酰化、复原化、甲基化、羟基化和羰基化等多种生物转化力量 .生物转化实质上是一种酶催化反响 .某些植物酶能够催化微生物和化学合成很难进展的立体专一和区域专一的反响,因此进展自由悬浮或固定化细胞的生物转化争辩就成为植物生物技术的一个重要争辩 领域.但是多数
