红霉素工业用菌种遗传改造获突破

2010-10-12 09:23 来源: 科学时报
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以化学理念促进生物技术合理运用

中科院上海有机化学研究所刘文领衔的课题组立足于国内生物产业的现实需求,结合该所在化学合成方面的优势,致力于化学的理念促进现代生物技术的合理运用。他们与华东理工大学教授张嗣良等合作,在国家“863”项目“红霉素发酵工业用菌种改造和过程优化控制技术”中取得了重要突破,获得了一批具有自主知识产权、质量和产量得以明显提升的新型红霉素生产重组菌株。目前该成果已在湖北东阳光生化制药有限公司成功地进行了放大和试生产,其潜在经济、社会效益显著。

  在人类与致病微生物的斗争历史上,以抗生素为代表的微生物药物起到了至关重要的作用。红霉素是一类广泛使用、用于治疗革兰氏阳性菌感染的广谱大环内酯类抗生素。其临床应用领域的扩大和以阿奇霉素、罗红霉素、克拉霉素等为代表的新型半合成红霉素的出现,快速拉动了红霉素原料药的生产需求。

  过去几年,国际抗生素的市场规模大约在350亿~380亿美元之间,2012年有望达到450亿美元。据西方经济学家预测,2010年红霉素系列产品的全球市场总规模达70亿美元以上,市场前景乐观。抗生素发酵生产本身是高耗能产业,存在环境污染等问题,发达国家近年来正逐步把抗生素原料药的生产转移到中国等发展中国家。目前,我国是世界上红霉素生产和出口的第一大国,年产量超过7000吨。

  刘文介绍,由于许多抗生素具有十分复杂的化学结构,采用化学方法大量合成往往需要繁杂的工艺途径和苛刻的反应条件,在制药工业上的实际应用价值相当有限。采用微生物发酵是获取药用抗生素原料的主要途径,而我国作为世界上原料抗生素的主要生产大国,发酵单位偏低、产品质量偏低、缺乏自主知识产权的新型抗生素药物等一系列原因却严重制约了这一产业的发展。

  自红霉素作为一种广谱抗生素药物进入临床以来,以提高其产生菌种发酵单位为目的的遗传育种工作一直未曾停止。由于对微生物次级代谢产物生物合成的机制了解不多,常规诱变选育的方法存在周期长、效率低和随机性大的缺点,近年来在红霉素高产菌株的筛选方面收效不大。随着分子生物学技术的发展,国际上在红霉素产生菌种的基因工程改造方面进行了诸多尝试;然而,这些研究主要集中在与红霉素产生相关的底物供应或限制因素的改进方面,并未就红霉素生物合成的次生代谢途径做特异性的遗传修饰,因此,在解决红霉素生产中经常面临的有效组分偏低等问题时,缺乏有效的针对性。

  作为中科院“百人计划”、国家杰出青年基金获得者,自2007年以来,刘文带领课题组以包括红霉素、阿维菌素、林可霉素、泰乐菌素和螺旋霉素等大宗抗生素产品为对象,就我国抗生素原料药产业普遍存在的问题进行了分析,提出了以组分优化为切入点、采用遗传操作来控制体内合成的化学反应,从而改善产品质量和产量的研究思路。

  基于红霉素各组分结构的差异和相互转化的化学本质,他们运用组合生物合成技术的方法和原理对红霉素工业用高产菌株进行了针对性的遗传改良。通过发酵过程中后修饰酶的表达比例调整,他们将无效副产物组分B和C几乎完全转化为有效组分红霉素A,从而在提高了产品质量(基本消除主要的副产物)的同时,有效地提高了产品的产量达25%左右。部分研究成果发表在国际著名学术刊物《应用和环境微生物》上,引起国内外同行的关注。

  有关重组菌株在华东理工大学的协助下完成了中试,已在湖北宜都东阳光生化制药有限公司进行了放大和试生产,具备了工业化生产的价值。据厂方估计,相关生产技术若能得以推广使用,每年所产生的经济效益将达10亿元以上。这一重要成果还获得了上海市科技进步奖一等奖,并申请国家专利4项。有关专家认为,其在红霉素发酵工业方面的应用,将明显改善产品质量、简化下游纯化工艺;同时,缓解企业在环境污染方面所面临的压力。

  “抗生素在微生物体内的合成其本质是化学问题,化学过程和机制的解析可以使生物学技术的运用找到合适的目标并发挥更大作用。”刘文表示,“以上是我们构建的第一代红霉素生产重组菌株,主要侧重于品质(组分优化)的提升。目前我们侧重于产量提高的第二代重组菌株已完成中试,结合前两代优势、综合提高质量和产量的第三代重组菌株完成了小试,初步数据表明效果明显。”

  作为上海有机所开展红霉素菌种遗传改造工作的最初建议者,中国科学院院士戴立信高度关注面向国家重大需求的科学研究。“以汪猷先生为代表的有机所老一辈科学家早在上世纪50年代就开展了抗生素的研究工作,并在实际生产中得到应用,解决了当时有和无的问题。我国现在已经成为红霉素第一生产大国,对于技术创新的需求尤为迫切。”他思路非常清晰,“我听了刘文教授关于生物合成的学术报告后,又了解了一些红霉素生产企业的现状和需求,感觉在生物技术中融入化学的理念,应该有可能解决一些生产中的瓶颈问题并产生不错的效果。”

  “这是有机所在知识创新过程中,在面向国家需求、立足原始创新方面所做的一件有重要意义的研究工作,充分体现了学科交叉的优势。”中科院上海有机所所长丁奎岭表示,“我们以化学的思想促进生物技术的应用,以提高大宗医药抗生素产品的产量和质量为研究目标,所要解决的关键问题在抗生素生产中具有普遍意义。红霉素工业用生产菌种的遗传改造取得的系列创新技术在生产中成功实施,预示着这样的理念在其他抗生素发酵生产中将有着普遍的推广意义,有利于促进我国传统抗生素生产行业整体技术水平的提升。”