現(xiàn)代生物技術(shù)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

李緒友

（湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430200）

現(xiàn)代生物技術(shù)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

李緒友

（湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430200）

為了提高我國抗生素產(chǎn)品在國際市場的核心競爭力，綜述了國內(nèi)外抗生素生產(chǎn)技術(shù)的相關(guān)研究成果，分析了各種生物技術(shù)的優(yōu)劣.結(jié)果表明，發(fā)酵過程控制的優(yōu)化成為抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中迫切需要解決的課題；利用酶工程技術(shù)生產(chǎn)抗生素雖具有高效能、低消耗、無公害、長壽命、安全、自動化等優(yōu)點，但將新的生物工程技術(shù)全部應(yīng)用到酶工程上來使之能源源不斷地生產(chǎn)出適合人類需要的酶來還需時日；原生質(zhì)體融合技術(shù)和基因工程技術(shù)在實驗條件下產(chǎn)生了新的抗生素，但在生產(chǎn)中還需解決工程菌的質(zhì)量和抗生素的基因表達(dá)等問題；代謝工程的實質(zhì)就是基因工程，只是涉及的基因改變的量遠(yuǎn)比基因工程巨大；以生物整體為研究對象的系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)、組學(xué)技術(shù)和重塑生命體的合成生物學(xué)技術(shù)將為抗生素的生產(chǎn)帶來革故鼎新的變化，但也面臨很多諸如系統(tǒng)復(fù)雜性難以處理、很多元件不相容和線路系統(tǒng)難以預(yù)料等技術(shù)挑戰(zhàn)和合成生命等倫理挑戰(zhàn).

抗生素；現(xiàn)代生物技術(shù)；應(yīng)用

0 引言

抗生素（antibiotics）在醫(yī)用、農(nóng)用、畜用、食品保藏、實驗試劑中應(yīng)用非常廣泛.隨著已知抗生素數(shù)量的不斷增加，用傳統(tǒng)的常規(guī)的方法來篩選新抗生素的幾率越來越低.為了能夠獲得更多的新型抗生素和優(yōu)良的抗生素產(chǎn)生菌，利用現(xiàn)代生物技術(shù)可提高抗生素產(chǎn)量，改善抗生素組分，改進(jìn)抗生素生產(chǎn)工藝.現(xiàn)代生物技術(shù)是當(dāng)今國際上重要的高技術(shù)領(lǐng)域，主要范疇有：發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞工程、基因工程、系統(tǒng)生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)、代謝工程及合成生物學(xué)等技術(shù).生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)雖然是近40年興起的新興產(chǎn)業(yè)，不少生物技術(shù)產(chǎn)品尚處于研究試驗階段，商品發(fā)展也遇到風(fēng)險和曲折，但是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的，它將逐漸成為世界經(jīng)濟體系的支柱之一［1］.

1 發(fā)酵工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

20世紀(jì)40年代初，隨著青霉素的發(fā)現(xiàn)，抗生素發(fā)酵工業(yè)逐漸興起.抗生素作為醫(yī)用、農(nóng)用以及飼料添加劑等，已經(jīng)發(fā)展到近200個品種，其中具有臨床效果并已利用發(fā)酵法大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用的多達(dá)百余種［2］.

1.1 菌種篩選與改造是提高抗生素產(chǎn)量的主要途徑

抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)離不開生產(chǎn)菌，抗生素生產(chǎn)菌以放線菌和霉菌為主.長期以來，國內(nèi)各抗生素生產(chǎn)廠家把菌種篩選與改造或者從國外引進(jìn)菌種作為提高抗生素的產(chǎn)量和品質(zhì)的主要途徑.發(fā)酵工程菌種的選育與改造常結(jié)合基因工程手段進(jìn)行，先后呈現(xiàn)出由野生菌向變異菌、由自然選育向代謝控制育種和由誘發(fā)基因突變向基因重組定向育種三個階段.

1.2 優(yōu)化發(fā)酵過程控制是提高抗生素產(chǎn)量的重要途徑

微生物發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素包括兩個階段即菌體生長階段和抗生素合成階段，如何提高發(fā)酵單位，應(yīng)從培養(yǎng)條件控制入手：a.加糖控制.糖是微生物生長繁殖過程中重要的能源和碳源，不同的抗生素生產(chǎn)菌在不同階段對各種糖需求的濃度和種類是大不相同的.加糖方式有恒量添加和根據(jù)發(fā)酵液pH［3］變化情況進(jìn)行變量添加，在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中，一般都采用后者［4］.b.補料及添加前體控制.各抗生素生產(chǎn)廠家普遍采用杯式流加計算機在線控制技術(shù)，基本上滿足了高精度控制補料速率問題.前體濃度過高一般對菌體有毒，因此采用微量添加的方式［5］.c.pH控制.pH值影響菌體生長和抗生素穩(wěn)定，因此在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中一般通過添加原料的方式解決，可以實現(xiàn)計算機在線控制［3］.d.溫度控制.菌體生長階段和抗生素合成階段所需最適溫度是不一樣的，通常前高后低［6］. e.溶氧量控制.抗生素生產(chǎn)菌一般都是好氧菌，提高溶氧量，能提高發(fā)酵單位.許多放線菌、細(xì)菌、真菌能產(chǎn)生抗生素，它們在發(fā)酵生產(chǎn)中，都需要從以上幾個方面做好調(diào)控，以提高發(fā)酵單位［7］.

很多抗生素發(fā)酵廠家由于對操作條件變化適應(yīng)能力較差，就只有借助計算機的精確控制來解決批間操作的不穩(wěn)定問題，如在發(fā)酵罐上配置了電板、溶氧電極，甚至氧和二氧化碳濃度排氣測量.發(fā)酵過程的優(yōu)化，需要過程分析理論作指導(dǎo)，用以動力學(xué)研究為依據(jù)的反應(yīng)器設(shè)計原理來解釋測量參數(shù)及其變化的意義是有局限性的.發(fā)酵工業(yè)正經(jīng)歷由通氣攪拌發(fā)酵階段向代謝控制發(fā)酵階段的偉大變革.在當(dāng)前和今后一段時間內(nèi)，只有把參數(shù)檢測和代謝控制結(jié)合起來提出的發(fā)酵過程優(yōu)化控制理論，才能切實可行地解決抗生素生產(chǎn)中的實際問題［8］.

2 酶工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

酶工程產(chǎn)生于上世紀(jì)70年代，這一新技術(shù)由于具有效能高、消耗低、污染少、自動化、投資小和安全性高等優(yōu)勢，因此在我國和世界少數(shù)發(fā)達(dá)國家被用于生產(chǎn)抗生素、氨基酸和核苷酸等生化產(chǎn)品［9］.我國從上世紀(jì)80年代起應(yīng)用固定青霉素?；负皖^孢菌素?；傅裙潭ɑ讣夹g(shù)先后生產(chǎn)出6-氨基靑霉烷酸（6-APA），7-氨基頭孢烷酸（7-ACA）等抗生素中間體［10］.抗生素藥物特別是原料藥在我國醫(yī)藥市場上占有重要地位，發(fā)展現(xiàn)狀日益呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模創(chuàng)新高、工藝水平大提高和生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)境成本高的“三高”特點.隨著酶工程由固定化酶和固定化活細(xì)胞階段向用細(xì)胞融合術(shù)和DNA重組術(shù)來改良產(chǎn)酶菌階段轉(zhuǎn)變，抗生素生產(chǎn)的工藝水平將有更大的突破和提高.但用細(xì)胞融合術(shù)和DNA重組術(shù)來改良產(chǎn)酶菌生產(chǎn)抗生素還處于試驗階段，成功報道的已有許多，若有實用價值還需時日.應(yīng)用固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)生產(chǎn)的抗生素中見表1［11］.

表1 固定化酶和固定化細(xì)胞生產(chǎn)的抗生素Table 1 Immobilized enzyme and immobilized cells for the production of antibiotics

3 細(xì)胞工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 利用原生質(zhì)體融合技術(shù)提高抗生素的產(chǎn)量

微生物原生質(zhì)體融合是使遺傳性狀不同的兩個菌體細(xì)胞的原生質(zhì)體進(jìn)行融合，從而獲得具有兩菌體遺傳性狀的穩(wěn)定重組子的過程［12］.這一技術(shù)實現(xiàn)了遠(yuǎn)緣菌株的基因重組.不產(chǎn)生有性孢子的絲狀真菌具有準(zhǔn)性生殖這種特有的遺傳現(xiàn)象.準(zhǔn)性生殖實質(zhì)上是絲狀真菌體細(xì)胞在有絲分裂過程中實現(xiàn)染色體和基因的重組而產(chǎn)生新的遺傳性狀的過程.絲狀真菌的準(zhǔn)性生殖現(xiàn)象實質(zhì)就是微生物的原生質(zhì)體融合，通過這種技術(shù)篩選高產(chǎn)量的變異菌株已成為育種常規(guī)方法之一.如柔紅霉素（正定霉素）產(chǎn)生菌與四環(huán)素產(chǎn)生菌的種間原生質(zhì)體融合，由于這兩個抗生素的生物合成都是來自聚酮體途徑，使柔紅霉素的單位產(chǎn)量得到明顯提高［13］.再如現(xiàn)臨床上使用的高產(chǎn)量的巴龍霉素就是將巴龍霉素產(chǎn)生菌與新霉素產(chǎn)生菌的高產(chǎn)突變菌株進(jìn)行種間原生質(zhì)體融合，從而產(chǎn)生使巴龍霉素單位產(chǎn)量提高5～6倍的重組體.這兩個抗生素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上只有一個羥基和氨基的差別，合成途徑也十分相似［14］.

3.2 利用原生質(zhì)體融合技術(shù)產(chǎn)生雜合抗生素

通過原生質(zhì)體融合形成新化合物的機制有兩種可能的解釋：一是某一親株的酶基因引入另一親株，導(dǎo)致形成新的化合物；二是調(diào)節(jié)基因得到重組，使得沉默基因得以活化和表達(dá).融合子產(chǎn)生新化合物的報道越來越多，盡管只有少數(shù)明確了所產(chǎn)生化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但這一育種途徑值得深入探討.

4 基因工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 兩步重組法改造生物合成肽類抗生素

肽類抗生素可由微生物的非核糖體合成的方式在多肽合成酶系中進(jìn)行.多肽合成酶系具有酶和模板的功能，又被稱為蛋白質(zhì)模板，對其相應(yīng)的氨基酸激活功能域進(jìn)行定向兩步重組取代，產(chǎn)生了新的肽類抗生素，如耶爾森氏鼠疫桿菌素的成功合成［15］.

4.2 敲出副產(chǎn)物的酶基因及改造代謝途徑

通過定向突變使一些“多余”基因失活，可下調(diào)干擾目的抗生素產(chǎn)量的基因表達(dá)，使目的抗生素產(chǎn)量提高.如為提高紅霉素的產(chǎn)量，可敲除紅色糖多孢菌甲基丙二酰輔酶A變位酶基因mutB［16］.再如為提高寡霉素的產(chǎn)量，可失活酞dF基因，增加延伸單位丙二酸單酰輔酶A的量［17］.

4.3 人工改造抗生素合成有關(guān)基因

提高抗生素的產(chǎn)量和品質(zhì)是各抗生素生產(chǎn)廠家共同追求的目標(biāo)，改變抗生素的產(chǎn)量的方法有很多，諸如改造調(diào)控基因、改造自身抗性基因以及增加基因簇的拷貝數(shù)和異源表達(dá)等.如過量表達(dá)鏈霉素調(diào)控蛋白家族能增加克拉維酸和柔紅霉素等幾種抗生素的產(chǎn)量［18］.又如將卡那霉素鏈霉菌（S.kanamyceticus）中編碼氨基糖苷6'-N一乙酰轉(zhuǎn)移酶的自身抗性基因過表達(dá)，能夠提高產(chǎn)生菌對氨基糖苷類的抗性，增加鏈霉素產(chǎn)量［19］.再如將克拉維酸鏈霉菌（Js.clavuligerus）中cas2基因整合進(jìn)染色體，增加cas2拷貝數(shù)，從而使克拉維酸增產(chǎn)1.6～5倍［20］.

4.4 克隆外源基因以改良原菌種的發(fā)酵生理特性

抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中溶氧量提高，抗生素產(chǎn)量提高［7］，而發(fā)酵生產(chǎn)抗生素經(jīng)常面臨溶氧量不足的問題.如果在菌體內(nèi)導(dǎo)入與氧有親合力的血紅蛋白，呼吸細(xì)胞器就能容易的獲得足夠的氧，降低細(xì)胞對氧的敏感程度，可以利用它來改善發(fā)酵過程中溶氧的控制強度.因此，利用重組DNA技術(shù)克隆血紅蛋白基因到抗生素生產(chǎn)菌中，在細(xì)胞中表達(dá)血紅蛋白，可望從提高細(xì)胞自身代謝功能入手解決溶氧供求矛盾，提高氧的利用率，具有良好的應(yīng)用前景.

5 系統(tǒng)生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

系統(tǒng)生物學(xué)是把生物體的各種組分整合起來一起研究，這些組分包括基因、各種RNA、蛋白質(zhì)、代謝物和生物小分子等.它不同于分子生物學(xué)只研究一種基因，而是綜合研究細(xì)胞中這些組分間的相互關(guān)系以及生物系統(tǒng)在受到一定外界因素影響下在一定時間內(nèi)的動力學(xué)過程及其規(guī)律的一種分析技術(shù)［21-24］.因此，系統(tǒng)生物學(xué)可以說是一個在充分研究基因及生物大小分子結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)上的一種由下而上的系統(tǒng)組合［25-26］.人類基因組計劃完成之后，生命科學(xué)研究的熱點便轉(zhuǎn)入了后基因組時代，即組學(xué)革命時代（omics revolution）.此期的特征就是隨著大規(guī)模基因組測序的完成，涌現(xiàn)的一些新技術(shù)和方法對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和利用［27］.組學(xué)技術(shù)（omics technology）就是隨系統(tǒng)生物學(xué)理論的產(chǎn)生而產(chǎn)生的；反過來，組學(xué)技術(shù)在生物學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，又為系統(tǒng)生物學(xué)理論提供了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，由此促進(jìn)了系統(tǒng)生物學(xué)理論的發(fā)展和完善.組學(xué)技術(shù)主要包括基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及代謝組學(xué)等［28］.系統(tǒng)生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，為抗生素的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的途徑.

放線菌和真菌是抗生素的主要產(chǎn)生菌，已有很多放線菌和真菌的基因測序已經(jīng)完成，科學(xué)家們應(yīng)用很多方法來挖掘和利用這些海量數(shù)據(jù).

5.1 基因組學(xué)技術(shù)

從1984年Malpartida等成功克隆到放線紫紅素生物合成基因簇［29］，以及隨后又克隆出了榴菌素［30］、紅霉素和泰樂菌素［31］等的生物合成基因，并揭示了微生物次級代謝產(chǎn)物生物合成基因成簇排列的特征，至此，基因組學(xué)的研究已進(jìn)入蓬勃發(fā)展時期.已用全面突變基因組的每個基因的方法系統(tǒng)地改變基因結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個完整的突變株文庫，進(jìn)而用于基因組學(xué)研究.哈佛大學(xué)的Losick［32］研究組就首次構(gòu)建了一個用于天藍(lán)色鏈霉菌中大規(guī)模的突變株.周敏［33］通過對天藍(lán)色鏈霉菌基因組抗生素合成基因簇和左臂非生長必需區(qū)域進(jìn)行連續(xù)的缺失，獲得了缺失了約1.2 Mb的突變體ZM11.ZM11的生長速度沒有明顯改變，但是放線紫紅素的產(chǎn)量卻大幅提高了，更適合抗生素的表達(dá).

5.2 蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)

利用此技術(shù)可以比較細(xì)胞在不同生理或病理條件下蛋白質(zhì)表達(dá)譜異同，對差異蛋白質(zhì)進(jìn)行分類和鑒定；還可對正常個體及病理個體間的蛋白質(zhì)組比較分析，找到某些“疾病特異性的蛋白質(zhì)分子”.陳立娟［34］等利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)研究阿霉素（Doxorubicin）對大鼠心臟毒性中發(fā)現(xiàn)，阿霉素可能導(dǎo)致大鼠心臟4種蛋白（肌球蛋白重鏈、Hsc70、cTnT和一個未命名蛋白）表達(dá)增強和3種蛋白（白蛋白2個，可能修飾不同，原肌球蛋白a鏈）表達(dá)減弱.

5.3 轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)

利用芯片技術(shù)可以同時分析數(shù)千個轉(zhuǎn)錄子從而對轉(zhuǎn)錄過程進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控.吳杭［35］通過基因組芯片技術(shù)，分析了井岡霉素產(chǎn)生菌5008在30℃與37℃條件下的轉(zhuǎn)錄譜變化，在37℃分別有701個上調(diào)和841個下調(diào)的差異表達(dá)基因.吳杭進(jìn)一步利用氨基酸分析儀發(fā)現(xiàn)井岡霉素產(chǎn)生菌5008胞內(nèi)谷氨酸濃度在37℃時僅有30℃的十分之一，而谷氨酰胺的濃度較為接近，這暗示谷氨酸作為氮代謝前體在37℃條件下主要用于合成井岡霉素.

5.4 代謝組學(xué)技術(shù)

該技術(shù)是通過分析機體生物體液和組織中代謝產(chǎn)物譜變化，研究機體整體生物學(xué)狀況和功能調(diào)節(jié)的一種新的系統(tǒng)方法.陳立娟［36］等利用代謝組學(xué)技術(shù)分析不同劑量阿霉素給藥后不同時間大鼠尿液代謝譜的改變，研究發(fā)現(xiàn)，隨著給藥劑量的增加、給藥時間的延長，鼠尿液的代謝譜發(fā)生明顯改變，且與動物體重、血液生化指標(biāo)和組織病理學(xué)的改變具有很好的相關(guān)性.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)尿液中含量明顯增加的有尿酸、色氨酸、苯丙氨酸和膽汁酸，含量降低的為馬尿酸和葡萄糖醛酸結(jié)合物.這些物質(zhì)的改變與阿霉素毒性損傷有關(guān).

6 代謝工程在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國的抗生素產(chǎn)業(yè)仍主要以傳統(tǒng)的常規(guī)育種方式進(jìn)行維系，缺乏先進(jìn)的理論和技術(shù)支撐，極大地降低了我國在新藥高產(chǎn)和創(chuàng)新領(lǐng)域的競爭力.因此，把從自然界微生物中被動篩選抗生素新藥的傳統(tǒng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槔没蛸Y源人工設(shè)計來主動高產(chǎn)或創(chuàng)新抗生素藥物，是我國未來新抗生素發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán).

抗生素代謝工程就是在組學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以菌種改良為目的利用抗生素基因簇資源，通過人工設(shè)計抗生素生物合成途徑來主動實現(xiàn)高產(chǎn)或創(chuàng)新，它是基因工程的延伸.該研究歷經(jīng)近20年，取得了以下重要成果：（1）高慧英等［37］于2002年首次從吸水鏈霉菌中分離到井岡霉素生物合成基因簇，并通過基因異源重組將井岡霉素必需生物合成基因濃縮為8個，對3個生物合成基因進(jìn)行了詳細(xì)的功能分析并獲得了只積累井岡胺的工程菌；（2）鄧子新等［38］于2003年克隆了首例聚醚類抗生素南昌霉素和梅嶺霉素等7個聚酮生物合成基因簇，通過競爭性基因簇的缺失使南昌霉素產(chǎn)量顯著提高，闡明了聚醚類線性分子釋放的獨特機制，通過組合生物合成手段獲得了脫糖基的南昌霉素新結(jié)構(gòu)衍生物，并證實了糖基對生物活性的重要性；（3）鄧子新等［38］隨后又克隆了首例多烯類抗真菌抗生素殺念菌素的生物合成基因簇，闡明了殺念菌素由模塊式聚酮合酶組裝合成的分子機理，提出了殺念菌素四個同系物的轉(zhuǎn)換模型，對糖基合成基因進(jìn)行定向失活獲得了8個新結(jié)構(gòu)衍生物.代謝工程的實質(zhì)就是基因工程，只是涉及的基因改變的量遠(yuǎn)比基因工程巨大.

7 合成生物學(xué)在抗生素生產(chǎn)中的應(yīng)用

合成生物學(xué)技術(shù)不同于基因工程技術(shù)，它是按照人們的預(yù)想而設(shè)計組裝各種生命元件來建立的人工生物體系，并能完成各種生物學(xué)功能的技術(shù).應(yīng)用該技術(shù)生產(chǎn)抗生素的過程，就是要對表達(dá)宿主菌的基因組進(jìn)行改造以及抗生素生物合成基因簇進(jìn)行改造，進(jìn)而完成生命體重塑的過程.

抗生素耐藥性病原體在全球范圍內(nèi)的出現(xiàn)使得目前大多數(shù)使用的抗生素失去了原有的治療效果，解決這一問題迫切需要新的抗生素，應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)設(shè)計新抗生素的生產(chǎn)方法引起科學(xué)家們的強烈興趣.合成生物學(xué)將在新抗生素的篩選和抗性的治療方面發(fā)揮巨大作用［39］.

羊毛硫抗生素（Lantibiotics）是革蘭陽性菌通過核糖體合成機制產(chǎn)生的一類抗菌肽，可抑制微生物尤其是革蘭陽性菌株的生長，有望可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)抗生素控制耐藥性病原菌［40］.2010年歐盟學(xué)者首先從羊毛硫抗生素族中獲得精確制定的肽單元，然后將它們重新組合以產(chǎn)生新的抗生素功能；接著，通過利用隨機雜交修飾酶進(jìn)行修飾，并使修飾途徑的組分能夠精確調(diào)節(jié)；通過提供完全的特征化表達(dá)元件，在標(biāo)準(zhǔn)組件模式中組裝一個對周圍環(huán)境不敏感的后翻譯體系.將上述組裝途徑植入到一種新的生產(chǎn)用底盤生物肉葡萄球菌（Staph?ylococcuscarnosus）中.重組菌株可被用來生產(chǎn)多種新的羊毛硫抗生素，如：尼生素（Nisin）.總部在荷蘭的DSM是首先使用合成生物學(xué)來改良現(xiàn)有的商業(yè)化生產(chǎn)頭孢霉素IV的工藝的公司之一.以青霉素生產(chǎn)菌為初始菌株，DSM公司向其中導(dǎo)入并優(yōu)化了兩種分別編碼?；D(zhuǎn)移酶和擴環(huán)酶的異源基因，以一步直接發(fā)酵adipoyl-7-ADCA，然后adipoyl-7-ADCA經(jīng)過兩步酶學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為頭孢霉素IV，取代了原來需要13步化學(xué)反應(yīng)才能完成的過程，因此，顯著節(jié)省了成本和能源費用.

8 結(jié)語

縱觀抗生素生產(chǎn)工藝的發(fā)展歷程，人們把切入點放在抗生素生產(chǎn)菌的篩選和改造上.生產(chǎn)菌的篩選和改造經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的常規(guī)育種方式到個別基因改良的基因工程，再到基因簇資源利用的代謝工程，發(fā)展到以生物整體為研究對象的系統(tǒng)生物學(xué)、組學(xué)和重塑生命體的合成生物學(xué).可以說，抗生素生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展迎來了一個蓬勃發(fā)展的“大躍進(jìn)”時期.但是，這些并不意味著抗生素在實際生產(chǎn)中就一帆風(fēng)順，還面臨很多技術(shù)瓶頸問題，如在發(fā)酵生產(chǎn)中還迫切需要對發(fā)酵過程控制進(jìn)行優(yōu)化的問題，基因改造后的工程菌的質(zhì)量和抗生素的基因表達(dá)問題，重塑生命體的合成生物學(xué)也面臨系統(tǒng)復(fù)雜性難以處理、很多元件不相容和線路系統(tǒng)難以預(yù)料等［41］技術(shù)挑戰(zhàn)和合成生命等倫理挑戰(zhàn).

致謝

本研究要特別感謝武漢華龍生物制藥有限公司的劉慈工程師和武漢海吉力生物科技有限公司的隋霞工程師，以及為本研究提供數(shù)據(jù)和資料的其他同志們.

［1］張俊祥，程家瑜，王革，等.生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)特性和發(fā)展戰(zhàn)略選擇研究［J］.中國科技論壇，2011（1）：19-23.

ZHANG Jun-xiang，CHENG Jia-yu，WANG Ge，et al. Characteristics of the biotechnological industry and its development strategy［J］.Forum on Science and Technology in China，2011（1）：19-23.（in Chinese）

［2］馬孟增，甘專，張文娥，等.中國野生毛葡萄葉盤法遺傳轉(zhuǎn)化中抗生素種類及體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)的篩選［J］.西南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，35（7）：11-16.

MA Meng-zeng，GAN Zhuan，ZHANG Wen-e，et al．Selection of antibiotics and their concentrations during genetic transformation via the leaf disc regeneration system in chinese w ild grape（Vitis heyneana）［J］. Journal of Southwest University：Natural Science，2013，35（7）：11-16.（in Chinese）

［3］李嘯，儲炬，張嗣良，等.林可霉素發(fā)酵過程代謝特性與pH調(diào)控的研究［J］.中國抗生素雜志，2009，34（4）：33-39.

LI Xiao，CHU Ju，ZHANG Si-liang，et al.Study on the metabolic characteristics of streptomyces lincolnensis and regulation of pH during lincomycin fermentation［J］.Chinse Journal of Antibiotics，2009，34（4）：33-39.（in Chinese）

［4］高圣君，杭海峰，陳中兵，等.流加葡萄糖策略對鹽霉素生物合成調(diào)控影響［J］.中國抗生素雜志，2013，38（8）：42-46.

GAO Sheng-jun，HANG Hai-feng，CHEN Zhongbing，et al.Effect of Glucose Feeding Strategy on the Salinom ycin Biosynthesis in Streptom yces A lbus［J］. Chinse Journal of Antibiotics，2013，38（8）：42-46.（in Chinese）

［5］賀曉冉，陳宸，金光石，等.青霉素發(fā)酵過程的模型仿真與補料優(yōu)化［J］.化工學(xué)報，2012，63（9）：13-18.

HE Xiao-ran，CHEN Chen，JIN Guang-shi，et al．M odel simulation of fed-batch penicillin fermentation and optim ization of substrate feedrate［J］.Ciesc Journal，2012，63（9）：13-18.（in Chinese）

［6］張芙華，華兆哲，陳堅，等.溫度兩階段控制策略發(fā)酵生產(chǎn)重組角質(zhì)酶［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2009，15（5）：9-15.

ZHANG Fu-hua，HUA Zhao-zhe，CHEN Jian，et al．Effect of two-staged temperature strategy on production of cutinase w ith recombinant bacillus subtilis［J］.Chinse Journal of Applied& Environmental Biology，2009，15（5）：9-15.（in Chinese）

［7］高安秀，劉九羊，黃少萌.溶氧對發(fā)酵的影響及控制［J］.農(nóng)家科技：下旬刊，2012（5）：13-16.

GAO An-xiu，LIU Jiu-yang，HUANG Shao-meng. Influence of dissolved oxygen on the fermentation and control［J］.Nong Jia Ke Ji，2012（5）：13-16.（in Chinese）

［8］扶教龍，儲炬，劉玉偉，等.金霉素發(fā)酵過程的代謝特性及調(diào)控策略［J］.中國抗生素雜志，2002，27（3）：21-25.FU Jiao-long，CHU Ju，LIU Yu-wei，et al.The metabolic charateristics and the regulative strategy of chlortetracycline fermentation process［J］.Chinse Journal of Antibiotics，2002，27（3）：21-25.（in Chinese）

［9］郭勇.酶工程研究進(jìn)展與發(fā)展前景［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，30（11）：5-12.

GUO Yong.Research Progress and Prospects of Enzyme Engineering［J］.Jouranl of South China University of Technology：Natural Science Edition，2002，30（11）：5-12.（in Chinese）

［10］陳紅霞.酶工程與抗生素工業(yè)［J］.國外醫(yī)藥抗生素分冊，2005，26（6）：51-55.

CHEN Hong-xia.Enzyme Engineering and Antibiotic Industr［J］.World Notes on Antibiotics，2005，26（6）：51-55.（in Chinese）

［11］AHARONOW ITZY，BERGMEYER J，CANTORAL JM，etal.Delta-（Lalpha-am inoadiplyl）-L-cysteinyLD-valine synthetase，the multienzyme integrating the four primary reactions in betalactam biosynthesis，as a model peptide synthetase［J］.Biotechnology，1993（11）：76-87.

［12］FERENCZY L，KEVEIF，ZSOLT J.Fusion of fungal protoplast［J］.Nature，1974，248（5847）：65-79.

［13］殷承慧，胡鶴，朱春寶，等.dauW基因?qū)θ峒t霉素產(chǎn)量的影響［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2009，40（11）：52-57.

YIN Chen-hui，HU He，ZHU Chun-bao，et al．Influence of dauW gene on daunorubicin production［J］.Chinse Journal of Pharmaceuticals，2009，40（11）：52-57.（in Chinese）

［14］譚周進(jìn)，楊海君，林曙，等.利用原生質(zhì)體融合技術(shù)選育微生物菌種［J］.核農(nóng)學(xué)報，2005，19（1）：35-38.

TAN Zhou-jin，YANG Hai-jun，LIN Shu，et al．Protoplast fusion technology and m icrobiol breeding［J］.Actaagriculturae Nucleatae，2005，19（1）：35-38.（in Chinese）

［15］高向陽，陳念，林壁潤.基因工程改造生物合成肽類抗生素［J］.藥物生物技術(shù)，2005，12（4）：41-47.

GAO Xiang-yang，CHEN Nian，LIN Bi-run.Gene Engineered Biosynthesis of Peptide Antibiotics［J］. Pharmaceutical Biotechnology，2005，12（4）：41-47.（in Chinese）

［16］吳杰群，劉文，張嗣良.紅霉素的生物合成與組合生物合成［J］.有機化學(xué)，2012，32（7）：64-69.

WU Jie-qun，LIU Wen，ZHANG Si-liang. Biosynthesis and combinatorial biosynthesis of erythrom ycin［J］.Chinese Journal of Organic Chem istry，2012，32（7）：64-69.（in Chinese）

［17］張曉琳，陳芝，趙金雷，等.阿維菌素B產(chǎn)生菌寡霉素合成阻斷株的構(gòu)建［J］.科學(xué)通報，2004，49（1）：31-38.

ZHANG Xiao-lin，CHEN Zhi，ZHAO Jin-lei，et al．Avermectin B producing bacteria oligom ycin blocking synthesis of plant construction［J］.Chinse Science Bulletin，2004，49（1）：31-38.（in Chinese）

［18］李繼安，邵雷，陳代杰，等.酮基還原酶基因dnrU敲除對柔紅霉素合成的促進(jìn)效應(yīng)［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2010，41（10）：22-27.

LIJi-an，SHAO Lei，CHEN Dai-jie，etal．Influence of inactivation of dnrU gene on improvement of daunorubicin production［J］.Chinse Journal of Pharmaceuticals，2010，41（10）：22-27.（in Chinese）

［19］李天伯，尚廣東，夏煥章，等.鏈霉菌Streptomyces tenebrarius H6中與抗生素有關(guān)的糖生物合成基因的克隆［J］.生物工程學(xué)報，2001，17（3）：57-64.

LITian-bo，SHANG Guang-dong，XIA Huan-zhang，et al.Cloning of the sugar related biosynthesis gene cluster from streptom yces tenebrarius H6［J］.Chinse Journal of Biotechnology，2001，17（3）：57-64.（in Chinese）

［20］孟勇，王忠，官家發(fā).克拉維酸產(chǎn)生菌的改良［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2005，11（5）：23-29.

MENG Yong，WANG Zhong，GUAN Jia-fa. Im provement of Clavulantc Acid-Producing Streptom yces Clavuligerus［J］.Chinse Journal of Applied&Environmental Biology，2005，11（5）：23-29.（in Chinese）

［21］HOOD L.System s biology：integrating techndogy，biology，and eom putation［J］.M ech Ageing Dev，2003，124（1）：9-16.

［22］LDEKER T，GALITSKI T，HOOD L.A new approach to decoding life：systems biology［J］.Annu Rev Genom ies Hum Genet，2001，2：343-372.

［23］KITANO H.Systems biology：a brief overview［J］. Science，2002，295（5560）：1662-1664.

［24］孫蘭芳，姜璐.系統(tǒng)生物學(xué)：系統(tǒng)科學(xué)與生物體系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2005，25（10）：129-136.

SUN Lan-fang，JIANG Lu.Systems biology：systems science and biological systems［J］.Systems Engineering—Theory&Practice，2005，25（10）：129-136.（in Chinese）

［25］BUTCHER E C，BERG E L，KUNKEL E J.System s biology in drug discovery［J］.Nat Biotechnol，2004，22（10）：1253-1259.

［26］賈偉，趙立平，陳竺.系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)：中西醫(yī)學(xué)研究的匯聚［J］.世界科學(xué)技術(shù)一中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2007，9（2）：1-5.

JIA Wei，ZHAO Li-ping，CHEN Zhu.System sbiomedicine-the convergence of western medicine and traditional chinese medicine［J］.World Science and Technology-M odernizatton of Traditional Chinse M edicine，2007，9（2）：1-5.（in Chinese）

［27］陳獻(xiàn)忠，沈微，樊游，等.后基因組時代的絲狀真菌基因組學(xué)與代謝工程［J］.遺傳，2011，33（10）：1067-1078.

CHEN Xian-zhong，SHEN Wei，F(xiàn)AN You，et al．Genom ics and metabolic engineering of filamentous fungi in the postgenom ics era［J］.Hereditas，2011，33（10）：1067-1078.（in Chinese）

［28］劉良.充分利用組學(xué)技術(shù)研究及發(fā)展中醫(yī)藥［J］.世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2009，11（2）：211-219.

LIU Liang.Om ics technologies and their applications in chinese medicine research and development［J］.World Science and Technology-Modernizatton of Traditional Chinse Medicine，2009，11（2）：211-219.（in Chinese）

［29］MAIPARTIDA F，HOPWOOD D A．M olecular cloning of the whole biosynthetic pathway of a Streptom yces antibiotic and its expression in a heterologous host［J］.Nature，1984，309（5967）：462-464.

［30］MALPARTIDA F，HALLAM S E，KIESER H M，et al．Homology between Streptom yces genes coding for synthesis of different polyketides used to clone antibiotic biosynthetic genes［J］.Nature，1987，325（6107）：818-821.

［31］Coaes J，Haydoek S F，ROBERTS G A，et al．An unusually large muhifunctional polypeptide in the erythrom ycin producing polyketide synthase of Saccharopolyspora erythraea［J］.Nature，1990，348（6297）：176-178.

［32］Losick R，Shapiro L.DNA replication.Bringing the mountain to Mohammed（comment）［J］.Science，1998，282（5393）：1356-1364.

［33］周敏.天藍(lán)色鏈霉菌基因組的改造與抗生素的過量表達(dá)［D］.上海：中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院，2010.

ZHOU M in.Overexpression of transformation and antibiotic Streptomyces coelicolor genome［D］. Shanghai：Shanghai Institutes for Biological Sciencies，CAS，2010.（in Chinese）

［34］陳立娟，郭家彬，彭雙清.阿霉素致大鼠心臟氧化損傷及其機制的研究［J］.毒理學(xué)雜志，2006，20（3）：147-154.

CHEN Li-juan，GUO Jia-bin，PENG Shuang-qing. Experimental study on adriam ycin-induced cardiotoxicity in rats［J］.Journal of Toxicology，2006，20（3）：147-154.（in Chinese）

［35］吳杭.井岡霉素高產(chǎn)的比較功能基因組研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

WU Hang.Com parative study on functional genom ics of validam ycin yield［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2012.（in Chinese）

［36］陳立娟，彭雙清.代謝組學(xué)技術(shù)及其在毒理學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.生物技術(shù)通訊，2007，18（1）：39-44.

CHEN Li-juan，PENG Shuang-qing.Metabomom ics and the Applications on the Toxicity［J］.Letters in Biotechnology，2007，18（1）：39-44.（in Chinese）

［37］高慧英，王以光，高群杰，等.吸水鏈霉菌Streptomyces hygroscopicus 17997中噬菌體基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用［J］.生物工程學(xué)報，2003，19（4）：25-29.

GAO Hui-ying，WANG Yi-guang，GAO Qun-jie，et al．Establishment of Gene Transduction System in Geldanam ycin Producer-Streptom yces hygroscopicus 17997 and its Application for Gene Disruption Experiment［J］.Chinse Journal of Biotechnology，2003，19（4）：25-29.（in Chinese）

［38］SUN Y，ZHOU X，TU G，et a1．Identification of a gene cluster encoding meilingm ycin biosynthesis among multiple polyketide synthase contigs isolated from Streptomyces nanchangensisNS3226［J］.A rch M icrobiol，2003，180（2）：101-107.

［39］王兆守，彭江海，胡譯丹，等.合成生物學(xué)的工業(yè)應(yīng)用［J］.中國科學(xué)，2011，41（4）：709-716.

WANG Zhao-shou，PENG Jiang-hai，HU Yi-dan，et al.Industrial Applications of Synthetic Biology［J］. Chinese Science，2011，41（4）：709-716.（in Chinese）

［40］孫健，鄭珩，徐寒梅.羊毛硫抗生素的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.國外醫(yī)藥抗生素分冊，2013，34（2）：49-59.

SUN Jian，ZHENG Heng，XU Han-mei.Research Progress and Applications of Lantibiotics［J］.World Notes on Antibiotics，2013，34（2）：49-59.（in Chinese）

［41］KWOK R.Five hard truths for synthetic biology［J］. Nature，2010，463（7279）：288-299.

App lication ofm odern biotechnology in an tibiotic p roduction

LIXu-you
（HubeiVocationalCollegeof Ecological Engineering，Wuhan 430200，China）

To improve core competitiveness of our antibiotic products in the international market，therelevant research results about production technologies of antibiotics，both at home and abroad，werereviewed in this paper；and the advantages and disadvantages of various biological technologies also wereanalyzed. The results show that the optimization of fermentation process control has become an urgent issue inthe process of antibiotic fermentation. Although enzyme engineering technology has many advantages，suchas high efficiency，low energy consumption，pollution- free，long life，safety，automation in the productionof antibiotics，it still needs much time to apply these new biological engineering technologies to the enzymeengineering to continuously produce the enzyme that human needed. A new antibiotic has been producedunder the experimental conditions via the protoplast fusion and gene engineering technology，however，engineering bacteria quality，antibiotic gene expression etc. remain problems yet to be solved. The essence ofmetabolic engineering is the gene engineering，but the volume of gene change involved in metabolicengineering is much greater than that in genetic engineering. Systematic biology technology，which takes theresearch biont as a whole，along with the study of proteomic technologies and reshape life synthetic biologytechnology，will bring groundbreaking innovation for antibiotic production. Nevertheless，there awaits notonly many technological challenges such as system complexity，components compatibility and line systemunpredictability，but also the ethical challenge of synthetic life.

antibiotics；modern biotechnology；application

TB1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.01.004

1674－2869（2014）01－0014－08

本文編輯：張瑞

2013-11-14

李緒友（1972-），男，湖北襄陽人，講師，碩士.研究方向：高職生物研究和教學(xué).