紅霉素工業用菌種遺傳改造獲突破

以化學理念促進生物技術合理運用

　　在人類與致病微生物的斗爭歷史上，以抗生素為代表的微生物藥物起到了至關重要的作用。紅霉素是一類廣泛使用、用于治療革蘭氏陽性菌感染的廣譜大環內酯類抗生素。其臨床應用領域的擴大和以阿奇霉素、羅紅霉素、克拉霉素等為代表的新型半合成紅霉素的出現，快速拉動了紅霉素原料藥的生產需求。

　　過去幾年，國際抗生素的市場規模大約在350億～380億美元之間，2012年有望達到450億美元。據西方經濟學家預測，2010年紅霉素系列產品的全球市場總規模達70億美元以上，市場前景樂觀。抗生素發酵生產本身是高耗能產業，存在環境污染等問題，發達國家近年來正逐步把抗生素原料藥的生產轉移到中國等發展中國家。目前，我國是世界上紅霉素生產和出口的第一大國，年產量超過7000噸。

　　劉文介紹，由于許多抗生素具有十分復雜的化學結構，采用化學方法大量合成往往需要繁雜的工藝途徑和苛刻的反應條件，在制藥工業上的實際應用價值相當有限。采用微生物發酵是獲取藥用抗生素原料的主要途徑，而我國作為世界上原料抗生素的主要生產大國，發酵單位偏低、產品質量偏低、缺乏自主知識產權的新型抗生素藥物等一系列原因卻嚴重制約了這一產業的發展。

　　自紅霉素作為一種廣譜抗生素藥物進入臨床以來，以提高其產生菌種發酵單位為目的的遺傳育種工作一直未曾停止。由于對微生物次級代謝產物生物合成的機制了解不多，常規誘變選育的方法存在周期長、效率低和隨機性大的缺點，近年來在紅霉素高產菌株的篩選方面收效不大。隨著分子生物學技術的發展，國際上在紅霉素產生菌種的基因工程改造方面進行了諸多嘗試；然而，這些研究主要集中在與紅霉素產生相關的底物供應或限制因素的改進方面，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，在解決紅霉素生產中經常面臨的有效組分偏低等問題時，缺乏有效的針對性。

　　作為中科院“百人計劃”、國家杰出青年基金獲得者，自2007年以來，劉文帶領課題組以包括紅霉素、阿維菌素、林可霉素、泰樂菌素和螺旋霉素等大宗抗生素產品為對象，就我國抗生素原料藥產業普遍存在的問題進行了分析，提出了以組分優化為切入點、采用遺傳操作來控制體內合成的化學反應，從而改善產品質量和產量的研究思路。

　　基于紅霉素各組分結構的差異和相互轉化的化學本質，他們運用組合生物合成技術的方法和原理對紅霉素工業用高產菌株進行了針對性的遺傳改良。通過發酵過程中后修飾酶的表達比例調整，他們將無效副產物組分B和C幾乎完全轉化為有效組分紅霉素A，從而在提高了產品質量（基本消除主要的副產物）的同時，有效地提高了產品的產量達25%左右。部分研究成果發表在國際著名學術刊物《應用和環境微生物》上，引起國內外同行的關注。

　　有關重組菌株在華東理工大學的協助下完成了中試，已在湖北宜都東陽光生化制藥有限公司進行了放大和試生產，具備了工業化生產的價值。據廠方估計，相關生產技術若能得以推廣使用，每年所產生的經濟效益將達10億元以上。這一重要成果還獲得了上海市科技進步獎一等獎，并申請國家ZL4項。有關專家認為，其在紅霉素發酵工業方面的應用，將明顯改善產品質量、簡化下游純化工藝；同時，緩解企業在環境污染方面所面臨的壓力。

　　“抗生素在微生物體內的合成其本質是化學問題，化學過程和機制的解析可以使生物學技術的運用找到合適的目標并發揮更大作用。”劉文表示，“以上是我們構建的第一代紅霉素生產重組菌株，主要側重于品質（組分優化）的提升。目前我們側重于產量提高的第二代重組菌株已完成中試，結合前兩代優勢、綜合提高質量和產量的第三代重組菌株完成了小試，初步數據表明效果明顯。”

　　作為上海有機所開展紅霉素菌種遺傳改造工作的最初建議者，中國科學院院士戴立信高度關注面向國家重大需求的科學研究。“以汪猷先生為代表的有機所老一輩科學家早在上世紀50年代就開展了抗生素的研究工作，并在實際生產中得到應用，解決了當時有和無的問題。我國現在已經成為紅霉素第一生產大國，對于技術創新的需求尤為迫切。”他思路非常清晰，“我聽了劉文教授關于生物合成的學術報告后，又了解了一些紅霉素生產企業的現狀和需求，感覺在生物技術中融入化學的理念，應該有可能解決一些生產中的瓶頸問題并產生不錯的效果。”

　　“這是有機所在知識創新過程中，在面向國家需求、立足原始創新方面所做的一件有重要意義的研究工作，充分體現了學科交叉的優勢。”中科院上海有機所所長丁奎嶺表示，“我們以化學的思想促進生物技術的應用，以提高大宗醫藥抗生素產品的產量和質量為研究目標，所要解決的關鍵問題在抗生素生產中具有普遍意義。紅霉素工業用生產菌種的遺傳改造取得的系列創新技術在生產中成功實施，預示著這樣的理念在其他抗生素發酵生產中將有著普遍的推廣意義，有利于促進我國傳統抗生素生產行業整體技術水平的提升。”