发酵工程讲课

发酵工程在医药研究和生产中的应用,1微生物发酵工程与医药,1.1抗生素的微生物合成 抗生素原指微生物产生的、能在低浓度杀死或抑制细菌或真菌等微生物的物质，也包括天然产生的抗生素经化学方法改造所得的半合成抗生素，并且将能抑制肿瘤、原虫等微生物产物也归入抗生素类。抗生素的化学结构种类繁多，主要有糖类、肽类、蛋白质类、核苷类、多烯类、多醚类、内酰胺类、大环内酯类、四环类、安莎类等。抗生素主要用于治疗微生物感染和抗癌。,目前，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法大量生产和广泛应用的多达百余种。在已发现的抗生素中，由真菌产生的约占13，由地衣产生的在1以下,由细菌产生的约占12，由放线菌产生的约占67。在放线菌所产生的抗生素中，约90是由链霉菌产生的。,临床主要应用的抗生素,头孢菌素类抗生素 已发展到第四代，主要研究动向是提高抗革兰阳性菌、铜绿假单胞菌和厌氧菌活性。对金葡菌等革兰阳性球菌的作用强于第三代，对头孢菌素酶（AmpC）的稳定性也优于第三代，因产AmpC酶而对第三代头孢菌素耐药的肠杆菌属、柠檬酸菌属、普罗菲登菌属及沙雷菌属仍对第四代头孢菌素敏感；,头孢噻吩,头孢替安,拉氧头孢,碳青霉烯类抗生素(亚胺培南/西司他丁、美罗培南和帕尼培南/倍他米隆) 抗菌谱最广的一类-内酰胺类抗生素，抗菌活性强，对-内酰胺酶（包括产ESBLS和AmpC酶）高度稳定。对铜绿假单胞菌外膜的透过性强，最低抑菌浓度（MIC）与最低杀菌浓度（MBC）非常接近，对革兰阴性菌也有一定的抗菌后效应（PAE）。,氨基糖苷类抗生素 大环内酯类抗生素近年来开发的新品种有罗红霉素、克拉霉素、阿奇霉素、乙酰麦迪霉素、罗他霉素等，在药效学、药动学特性以及不良反应等方面较沿用品种均有所改进。对胃酸的稳定性增加，生物利用度高，血药浓度和组织浓度增高，半衰期延长，每日的给药剂量及给药次数减少，胃肠道等不良反应也明显减轻，临床适应证有所扩大。,四环素类抗生素糖肽类抗生素万古霉素、去甲万古霉素与替考拉宁是控制MRSA等革兰阳性菌重症感染“王牌”药物。新糖肽类抗生素(1)Oritauancin AUC比万古霉素大10倍，对耐万古霉素肠球菌（VRE）MRS与耐青霉素肺炎链球菌（PRSP）有较强活性；（2）雷莫拉宁：能抑制细胞壁肽聚糖合成，但作用位点不同于万古霉素。对需氧性与厌氧性革兰阳性细菌有强大杀菌作用，对耐万古霉素的屎肠球菌也有作用。,抗生素作用机理,寻找新的抗生素仍然是很重要的任务。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研究方向。,1.2维生素类药物的微生物生产 -胡萝卜素维生素C维生素E,国内用真菌三孢布拉霉生产-胡萝卜素的产量达2.0g/L，国外已达到(33.5)g/L.粘红酵母、布拉克须霉、丛霉等真菌也具有生产-胡萝卜素的能力。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能力。Vc的微生物发酵法早已取得重要突破，利用“大小菌落”菌株混合培养生产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。日本研究人员发现一种纤细裸藻能同时生产Vc、VE和-胡萝卜素,藻体生物量产量可达每升培养液20g，从中提取Vc和VE量为60mg/L,-胡萝卜素40mg/L.,1.3多烯脂肪酸的微生物生产 -亚麻酸(GLA) :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衰老的重要手段。GLA在体内转化为二高-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节作用。深黄被孢霉可用于生产-亚麻酸。,二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA) 是很有价值的医药保健产品，在海洋冷水鱼中含量颇丰，也可用发酵工程的方法生产。细小球藻中EPA含量高达总油量的99%，等鞭藻的DHA含量为5.4 mg/g干藻体。网粘菌SR21，DHA含量为其干菌体脂质含量的30%40%，通过发酵生产，每升培养液产量为4.5。,1.4医用酶制剂的发酵生产 心脑血管病医用酶(链激酶、葡萄糖激酶、金葡激酶 )：上海医科大学获高表达链激酶, 这种重组链激酶一进入中试生产后, 在我国作为第一个拥有自主知识产权的一类生物技术新药进人商品化, 成为挽救急性心肌梗塞和脑血栓形成等疾病的特效药。心脑血管病保健用酶：中国根霉产新的溶血栓酶，纳豆激酶和天酷激酶。,酶与帕金森氏症(酪氨酸酶)：一种假单胞菌具有高产酪氨酸酶的能力，为微生物酶法生产多巴创造了先决条件。弗氏柠檬杆菌在一酪氨酸诱导下具有高效表达酪氨酸酶的催化活性, 可获得多巴产量9.5克/升, 其他技术如，固定化包埋假单胞菌、术建构含有酪氨酸酶基因的苏云金芽胞杆菌等。,酶与高歇氏病(葡萄糖脑苷脂酶)：利用转基因技术将编码葡萄糖脑苷脂酶的基因转入烟草植物取得成功, 含有基因的转基因烟草植物获得有效表达, 即可从该“ 工程烟草植物” 烟叶中提取这种酶蛋白。,1.5紫杉醇的微生物合成 真菌安德烈紫杉菌 小孢盘多毛孢菌 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”。,1.6基因工程制药工业促红细胞生成素（EPO），集落刺激因子（CSF），表皮生长因子（EGF），人生长激素，干扰素，白介素，各种疫苗，单克隆抗体等。免疫抑制剂，免疫激活剂，糖苷酶抑制剂，脂酶抑制剂，类固醇激素等。,2细胞组织培养与药物,2.1细胞培养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，因此利用培养细胞代谢产物的研究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养物，从中分离出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，为利用细胞培养技术工业化生产医药奠定了基础。,通过筛选高产细胞系，改进培养条件和技术，设计适合植物培养细胞的发酵罐等手段，对烟草、紫草、长春花、丹参、红豆杉、三尖杉、洋地黄、人参、三七、西洋参、毛地黄、茜草、黄连和彩叶紫苏的多种植物细胞进行了大规模悬浮培养的试验，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、毛地黄碱、茜草素、黄连素和紫苏素等药物.发酵罐规模已达到(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，达到153mg/L。,2.2遗传转化器官的培养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”是继细胞培养后又一重要培养系统。中药许多有效成分的形成与器官分化过程密切相关，而在培养细胞中有效成分不存在或含量极少.与细胞培养相比，毛状根培养有明显优点：生长速度快、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能力，毛状根培养系统对根类中药材中有效成分的生产更为重要。,毛状根(hairyroots)是发根农杆菌（Agrobacteriumrhizogenes）感染双子叶植物后，其Ri质粒上的TDNA片断整合进植物细胞核基因组中诱导产生的一种特殊表现型，近10年来已发展成一种新的培养系统。,上海中医药大学对黄芪毛状根的大规模培养技术和化学成分与药理活性进行了深入研究，在3L、5L、10L培养器中经21d培养，有效成分产量可达10g/L (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，其作用效价也与药用黄芪基本一致。,我国从黄花蒿中分离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推荐产品.刘春朝等利用Ri1601质粒转化青蒿叶片筛选的高产系，进行了青蒿毛状根合成青蒿素的培养工艺条件研究，取得较好结果：在优化条件下，经25d培养，青蒿素产量达223.3mg/L。目前毛状根培养系统的中试装置已达500L的规模，利用20t发酵罐生产的人参毛状根已开发成商品投入市场 。,2.3药用植物组织的离体培养 自1960年利用组织培养技术将兰花茎尖分生组织进行离体培养，建立无性繁殖系并诱导分化成植株以来，已发现能进行离体分化的植物有千余种，能进行快速繁殖的有数百种，能进行规模化和商品化生产的有近百种.其中有100多种药用植物经离体培养分化成植株，对稀有珍贵中药品种的保存、繁育和纯化具有重要意义。,甜菊茎500L大规模培养结果表明，在25、2000lux光照、15L/min通气量的培养条件下，每批培养小植物数量可达20万株。通过不断过筛、密度梯度离心以及培养的方法基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辟新途径。最近进行的从生物反应器中培养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养提供了先例。,2.4生物转化系统与药物生产 植物培养细胞和微生物具有诸如酯化、氧化、乙酰化、还原化、甲基化、羟基化和羰基化等多种生物转化能力。生物转化实质上是一种酶催化反应。某些植物酶能够催化微生物和化学合成很难进行的立体专一