航天飛行和模擬微重力下微生物次級代謝研究與太空微生物制藥

方庭正，張學(xué)林，劉長庭

隨著20世紀60年代以來人類對宇宙的不斷探索，大量研究顯示，太空環(huán)境對微生物的形態(tài)、生長、毒力及耐藥性等方面具有多種影響[1]，同時也觀察到微生物次級代謝在航天飛行中的變化并進行了相關(guān)研究[1-2]。很多微生物代謝產(chǎn)物具有重要的藥用價值，利用太空環(huán)境對微生物的誘導(dǎo)作用，獲得高產(chǎn)量和高質(zhì)量的制藥微生物菌株，制造一些地面上難以生產(chǎn)或價格昂貴的抗生素、疫苗及代謝產(chǎn)物，具有較大的科學(xué)意義和商業(yè)價值[3-5]。由于航天飛行具有稀缺性并且成本高昂，而微重力被認為是太空環(huán)境影響微生物的重要因素，研究者研發(fā)了多種微重力模擬設(shè)備，在地面進行模擬微重力影響微生物次級代謝的研究[6]。作者對利用航天飛行和模擬微重力對微生物次級代謝進行的研究和太空微生物制藥做一綜述。

1 航天飛行對微生物次級代謝的影響

在1996年5月19日發(fā)射升空的美國太空運輸系統(tǒng)-77的任務(wù)中，棕黑腐質(zhì)霉菌WC5157被送入太空進行為期10 d的航天飛行實驗[3]。結(jié)果顯示，太空環(huán)境下棕黑腐質(zhì)霉菌在2種不同培養(yǎng)基中的代謝產(chǎn)物——單孢菌素產(chǎn)量分別較相應(yīng)地面對照組高出30%和190%。作者認為微重力條件下培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分彌散速度的變化導(dǎo)致了單孢菌素產(chǎn)量的增加。1996年11月19日升空的美國太空運輸系統(tǒng)-80任務(wù)搭載產(chǎn)出放線菌素D的皺褶鏈霉菌進行了為期近18 d的航天飛行實驗[4]。結(jié)果顯示，在固定培養(yǎng)基中航天飛行樣本的放線菌素D產(chǎn)量與地面對照組相似；在混合培養(yǎng)基中，航天飛行樣本的放線菌素D最大產(chǎn)量比地面對照組高出115%。同時，由于航天飛行組皺褶鏈霉菌的集落形成單位較地面對照組減少，如果把皺褶鏈霉菌數(shù)量差異因素考慮在內(nèi)，航天飛行組在固定培養(yǎng)基和混合培養(yǎng)基中的代謝物產(chǎn)量最高分別是相應(yīng)地面對照樣本的296%和577%。作者認為，太空環(huán)境對放線菌素D的代謝增強作用與太空環(huán)境下微生物生長速度減慢，能夠更加充分地釋放代謝產(chǎn)物有關(guān)。

為了進一步研究改善培養(yǎng)條件及延長航天飛行時間后是否仍能獲得較高產(chǎn)量的代謝產(chǎn)物，2002年4月8日亞特蘭蒂斯飛船搭載皺褶鏈霉菌樣本升空并到達國際空間站[5]。這次實驗為期長達72 d，采用一種新型的可檢測及自動采樣型多軌道生物發(fā)生器以獲得太空環(huán)境下的最佳微生物培養(yǎng)條件。結(jié)果顯示，在實驗的第6天和第12天航天飛行樣本代謝產(chǎn)物放線菌素D產(chǎn)量較地面對照樣本增高。研究者認為，太空環(huán)境下微生物生長停滯期縮短，從而更早進入生長期，更早開始產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物。此后航天飛行樣本的放線菌素D產(chǎn)量全部被地面對照組超越，并且航天飛行樣本的最高產(chǎn)量(第12天)低于地面對照組最高產(chǎn)量(第24天)。

2011年11月1日升空的我國神舟8號飛船搭載天藍色鏈霉菌A3(2)進行了為期16 d的航天飛行實驗，在地面同時進行對應(yīng)的模擬微重力實驗[7]。結(jié)果顯示，航天飛行樣本和地面模擬微重力樣本產(chǎn)生的放線菌紫素產(chǎn)量都較地面對照組下降，而十一烷基靈菌紅素則出現(xiàn)產(chǎn)出時間提前、產(chǎn)量較地面對照輕微增加的現(xiàn)象。分子生物學(xué)研究顯示，與放線菌紫素表達相關(guān)的基因簇(Locus tag:SCO5071-5092)和與十一烷基靈菌紅素表達相關(guān)的基因簇(Locus tag:SCO5877-5898)在轉(zhuǎn)錄水平上也出現(xiàn)了與上述改變相一致的變化。

2 模擬微重力對微生物次級代謝的影響

由于航天飛行的稀缺性和高昂成本，多種模擬微重力設(shè)備被研發(fā)用于微生物次級代謝的研究。Xiao等[8]利用旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)(軸向垂直于重力方向的旋轉(zhuǎn)使實驗微生物處于矢量方向持續(xù)變化的運動中，從而模擬微重力狀態(tài))研究了模擬微重力對銅綠微囊藻(藍藻類)PCC7806及其代謝產(chǎn)物微囊藻毒素的影響。結(jié)果顯示，模擬微重力抑制了銅綠微囊藻的生長，但對微囊藻毒素的產(chǎn)生卻具有增強作用，主要表現(xiàn)為代謝產(chǎn)物出現(xiàn)時間提前和代謝產(chǎn)物在細胞外基質(zhì)中含量的增加。隨著實驗時間的延長，模擬微重力的影響卻逐漸減弱，到了實驗的第6天微囊藻毒素的總濃度已經(jīng)被正常重力對照樣本反超。研究者認為，這種表現(xiàn)是銅綠微囊藻面對模擬微重力作出的適應(yīng)性改變所導(dǎo)致。

抗磁懸浮技術(shù)利用不斷發(fā)生空間變化的強磁場模擬微重力狀態(tài)[9]。Liu等[10]利用該技術(shù)對除蟲鏈霉菌PE1進行了模擬微重力實驗。結(jié)果顯示，從微重力組樣本(處于強磁場中)獲得了高產(chǎn)突變株P(guān)E11，其代謝產(chǎn)物阿維霉素產(chǎn)量在經(jīng)過菌株多次傳代后仍然保持穩(wěn)定。但實驗同時表明菌株阿維霉素代謝水平的變化主要與強磁場作用相關(guān)，而受重力變化影響較小。

3 空間微生物制藥研究

空間微生物制藥目前主要采用太空突變育種技術(shù)獲得具有商業(yè)和醫(yī)學(xué)價值的制藥微生物菌株。該技術(shù)通過可返回衛(wèi)星或其他太空飛船，將種子或微生物送至距地面200～400 km的太空。在太空環(huán)境下的強輻射、高真空、低重力和交變磁場作用下，種子或微生物可能會發(fā)生有益的突變。1987年以來，我國已發(fā)射數(shù)十顆返回式地面衛(wèi)星和10余次太空飛船，進行了多次微生物太空誘變篩選實驗。通過回到地面后的育種，篩選新的品種和遺傳品性以選出突變的種子和微生物，從而繁殖高質(zhì)量和高產(chǎn)量的種群[1,11]。

2003年11月22日我國發(fā)射的第18顆返回式衛(wèi)星搭載了產(chǎn)出那他霉素的吉氏鏈球菌LK-22[12]。經(jīng)過18 d在軌飛行后，吉氏鏈球菌LK-22的砂狀孢子和斜狀孢子的突變率分別高達67.6%和78.3%，而相應(yīng)的存活率分別為43.1% 和3.0%。最終通過斜狀孢子繁育篩選獲得了產(chǎn)量最高的突變菌株LK-45，其產(chǎn)物那他霉素產(chǎn)量達到了地面對照組的近2倍。

1999年11月起，神舟1、3、4號飛船先后多次搭載生產(chǎn)獸用抗生素樂菌素的弗氏鏈霉菌9940S+-86升空，返回地面后篩選得到48株效價增加20%以上的菌株，其中總效價最高者較出發(fā)菌增加95%[13]。研究者認為，弗氏鏈霉菌9940S+-86的空間誘變效應(yīng)受飛行時間影響較大，且多次搭載對抗生素產(chǎn)量變異具有累積效應(yīng)。最終選定產(chǎn)量較出發(fā)菌株提高18%的T1-156-84-23菌株投入生產(chǎn)。2002年3月25日升空的神舟3號飛船同時搭載了紅曲霉菌(代謝產(chǎn)物洛伐他汀)和地中海諾卡菌1747-64孢子(代謝產(chǎn)物康樂霉素C)進行太空誘變實驗，航天飛行歷時近7 d。紅曲霉菌經(jīng)過篩選后從484株菌株中獲得233株洛伐他汀含量高于地面對照的菌株，進一步的重復(fù)發(fā)酵實驗后最終獲得了11株洛伐他汀高產(chǎn)性狀穩(wěn)定的菌株[14]。同時搭載的5株地中海諾卡菌1747-64孢子經(jīng)過太空誘變、篩選后獲得了1株康樂霉素C高產(chǎn)突變菌株，其產(chǎn)量達到起始菌株的200%[15]。2011年11月1日神舟8號飛船搭載表達重組人干擾素α1b的基因工程細菌進行了近17 d的航天飛行，經(jīng)過系列篩選并與原生菌株進行定量對比后，最終獲得了5例高產(chǎn)菌株[16]。作者認為，該項實驗證明，太空環(huán)境對于微生物誘變篩選具有獨特作用，能夠誘導(dǎo)基因突變，從而獲得高表達目標蛋白質(zhì)的突變菌株。

4 小結(jié)

隨著人類對太空的探索活動逐漸增多，越來越多的研究證實，微生物能夠在太空環(huán)境(具有低重力、強輻射等特性)中存活并進行次級代謝。大量航天飛行實驗和地面模擬實驗顯示，航天飛行或者模擬微重力會影響微生物的次級代謝。這些研究中，航天飛行或模擬微重力對微生物次級代謝的作用結(jié)果和影響趨勢不盡相同，缺乏相對一致的表現(xiàn)。一方面，由于模擬微重力與真正的太空微重力不同，對微生物而言，航天飛行還具有強電離輻射等微重力以外的其他影響因素，這是不同類型實驗結(jié)果不一致的重要原因。不同的研究選用了不同的微生物菌株，不同菌株的內(nèi)在生物學(xué)特性差異也會導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)差異[17]。另一方面，微重力或模擬微重力對次級代謝的影響，是通過影響微生物外部微環(huán)境流體力學(xué)和代謝元素轉(zhuǎn)運間接實現(xiàn)，所以實驗采用的培養(yǎng)基必然會影響到實驗結(jié)果的表現(xiàn)[4,5]。微重力或模擬微重力引起的微環(huán)境改變，還通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進一步影響微生物代謝反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄和表達[7]，而這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程在不同菌株或培養(yǎng)條件下也各不相同。總之，不同的航天飛行或模擬微重力條件下微生物次級代謝研究之間的結(jié)果差異，可能與實驗類型、菌株、培養(yǎng)基、代謝通路的差異有關(guān)。

目前，太空微重力和模擬微重力影響微生物次級代謝的作用機制尚不完全清楚，太空微生物育種制藥仍處于無法控制誘變方向、“被動”篩選的階段。今后的研究應(yīng)注意控制和區(qū)分實驗當中微生物細胞外環(huán)境影響，探索次級代謝表型變化背后的分子生物學(xué)機制和太空誘變高產(chǎn)菌株的作用通路，通過高通量平臺進行太空制藥菌株篩選[18]。