空間微生物制藥的機(jī)制與發(fā)展趨勢(shì),生物制藥論文

空間微生物制藥的機(jī)制與發(fā)展趨勢(shì),生物制藥論文隨著我們國(guó)家載人航天事業(yè)的發(fā)展，2020年將建立我們國(guó)家空間站?？臻g站具體表現(xiàn)出了多學(xué)科穿插和整合，對(duì)國(guó)家安全、空間防御和空間生命科學(xué)研究起著至關(guān)重要的作用，其最終目的是利用太空資源服務(wù)于全人類(lèi)。太空環(huán)境異常復(fù)雜，給人類(lèi)提供了一個(gè)在地面上根本無(wú)法模擬的條件，預(yù)示著太空實(shí)驗(yàn)十分是生物實(shí)驗(yàn)將出現(xiàn)地面上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。由于太空的特殊環(huán)境，太空育種具有明顯的優(yōu)勢(shì)和重要的意義。當(dāng)下，我們國(guó)家載人航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，為空間生物制藥提供了難得的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用太空特殊的理化環(huán)境對(duì)微生物進(jìn)行誘變，然后結(jié)合地面挑選，得到生物制藥產(chǎn)量和質(zhì)量顯著提高的藥物制備工程菌及免疫原性和安全性加強(qiáng)的疫苗菌株，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。1空間微生物制藥的含義外層空間，又稱(chēng)外太空、宇宙空間，簡(jiǎn)稱(chēng)空間、外空或太空，指的是地球大氣層及其他天體之外的虛空區(qū)域。與真空有所不同的是，外層空間含有密度很低的物質(zhì)，以等離子態(tài)的氫為主。華而不實(shí)還有電磁輻射、磁場(chǎng)等。理論上，外層空間可能還包含暗物質(zhì)和暗能量。國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)定義在100km的高度為卡門(mén)線，為現(xiàn)行大氣層和太空的界限定義。當(dāng)前的載人航天活動(dòng)主要集中在距地面500km以內(nèi)的近地球軌道上[1].空間環(huán)境特別復(fù)雜，具有地面環(huán)境中所不具備的一些特殊環(huán)境因素，包括微重力、高真空、強(qiáng)輻射、弱磁場(chǎng)、極端溫差等特點(diǎn)[2].空間微生物制藥是將代謝物可用于制藥工藝的微生物搭乘宇宙飛船、返回式衛(wèi)星或高空氣球送到太空，利用太空特殊的環(huán)境誘變作用，使微生物產(chǎn)生變異，并在其返回地面后進(jìn)行培育、挑選，最終獲得生產(chǎn)性能優(yōu)良的微生物菌種的育種新技術(shù)。2空間微生物制藥的發(fā)展現(xiàn)在狀況生物技術(shù)藥物主要有蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)、脂類(lèi)等，主要采用生物合成的方式方法進(jìn)行生產(chǎn)。生物合成技術(shù)發(fā)展很快，當(dāng)前全世界的醫(yī)藥制品很多是生物合成的，十分是合成分子構(gòu)造復(fù)雜的藥物時(shí)，它不僅比化學(xué)合成簡(jiǎn)便，而且有更高層次的產(chǎn)量和活性。生物合成技術(shù)的關(guān)鍵是要獲得性能優(yōu)良的菌種、細(xì)胞株或動(dòng)植物品種。太空環(huán)境存在著極端的物理?xiàng)l件，是一種地球上無(wú)法比較的特殊誘變?cè)?，它可造成?xì)菌的生長(zhǎng)、生物學(xué)性狀以及遺傳代謝等方面發(fā)生一系列不可捉摸的變化。具有有益的變異多、變幅大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[3].利用這些地面上難得的環(huán)境條件，可進(jìn)行很多地面上難以進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)地面上難以生產(chǎn)的特殊材料、昂貴藥品和工業(yè)產(chǎn)品等。已有不少文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)對(duì)各種微生物進(jìn)行太空誘變及挑選后，得到次級(jí)代謝產(chǎn)物明顯提高且其遺傳性保持穩(wěn)定的高產(chǎn)菌株[4].當(dāng)前在空間制藥研究方面國(guó)外以美國(guó)居多。1984年，美國(guó)航天教育處太陽(yáng)能輻射研究中心將黑曲霉放置在太空長(zhǎng)期飛行器中，于1990年取回，進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)單寧酸酶產(chǎn)生率及活性大幅度提高。1996年，美國(guó)科研人員將棕黑腐質(zhì)霉送入太空10d后，發(fā)現(xiàn)單孢菌素的產(chǎn)量由地面的〔8.22.2〕g增加到〔23.83.3〕g[5].2001年美國(guó)航天飛行任務(wù)STS-80搭載的褶〔皺〕鏈霉菌在天空飛行17d后抗生素放線菌素D產(chǎn)量由地面菌株的0.47g/mL提高到1.02g/mL[6].這些菌一旦應(yīng)用于藥物生物合成工藝生產(chǎn)，有望提高藥物的產(chǎn)量。據(jù)稱(chēng)，美國(guó)已選出20種價(jià)值140萬(wàn)~3000萬(wàn)美元/g的藥物，并準(zhǔn)備投入空間生產(chǎn)，估計(jì)在不久的將來(lái)就將會(huì)構(gòu)成一個(gè)價(jià)值約600億美元的空間制藥業(yè)[7].我們國(guó)家的空間生命科學(xué)研究在制藥領(lǐng)域十分是生物制藥領(lǐng)域剛剛起步，但也獲得了一些成就。如方曉梅等[8]研究發(fā)現(xiàn)，弗氏鏈霉菌經(jīng)太空搭載后，泰樂(lè)菌素的產(chǎn)量提高了91.5%;中國(guó)科學(xué)院遺傳所搭載的棘孢小單孢菌〔M.echionopora〕，其慶大霉素效價(jià)增高了27%~37%[9].2018年本研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)神舟八號(hào)飛船將工程菌大腸埃希菌送入外太空飛行17d返回后發(fā)現(xiàn)1b干擾素的產(chǎn)量明顯提高[3].在神舟十號(hào)飛船的微生物搭載實(shí)驗(yàn)中，本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)太空誘變育種15d后，可分泌賴氨酸肽鏈內(nèi)切酶的產(chǎn)酶溶桿菌產(chǎn)量提高了17.2%~40.2%,發(fā)酵周期縮短了48h,而且得到的高產(chǎn)菌株經(jīng)傳代培育15代后，上述表型特征穩(wěn)定性良好。而氨酸肽鏈內(nèi)切酶可用于胰島素的生物合成，將該菌用于放大工藝生產(chǎn)后，在一定程度上可降低胰島素的費(fèi)用。3空間微生物制藥的機(jī)制通常，在空間環(huán)境下，微生物的生存和生長(zhǎng)將遭到抑制[10-11].有研究顯示，飛船內(nèi)的微生物較地面生長(zhǎng)緩慢[6].講明太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的生存和生長(zhǎng)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。面對(duì)惡劣的環(huán)境，細(xì)菌通過(guò)不斷改變自個(gè)的形式來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化，在這里經(jīng)過(guò)中，細(xì)菌的變異經(jīng)過(guò)會(huì)加速，變異類(lèi)型也會(huì)更豐富。由于太空環(huán)境存在多種極端的物理?xiàng)l件，這些因素均可造成微生物發(fā)生變異，空間誘變的機(jī)制較為復(fù)雜，當(dāng)前以為在這個(gè)經(jīng)過(guò)中主要由空間輻射和微重力發(fā)揮作用[12-16].太空環(huán)境中的X射線，射線、質(zhì)子、中子等高能粒子輻射可引起微生物的DNA損傷，包括DNA單、雙鏈斷裂[17-18]、DNA與DNA或者蛋白質(zhì)交聯(lián)[19]、基因突變、染色體畸變等。盡管微生物本身會(huì)對(duì)DNA損傷進(jìn)行一系列的修復(fù)活動(dòng)[20],但若出現(xiàn)錯(cuò)誤修復(fù),損傷未完全修復(fù)，或者未修復(fù)，就會(huì)表現(xiàn)出表型改變[21].在太空環(huán)境下，各種物體都處于微重力狀態(tài)。而微重力引起遺傳物質(zhì)的改變。Chopra等[22]使用雙向凝膠電泳檢測(cè)方式方法研究模擬微重力對(duì)大腸埃希菌和鼠傷寒沙門(mén)菌蛋白表示出的影響，他們通過(guò)NorthernBlot方式方法發(fā)現(xiàn)暴露于模擬微重力的產(chǎn)毒性大腸埃希菌編碼毒力因子LT-1的基因發(fā)生上調(diào)。而Wilson等[23]在細(xì)菌mRNA水平研究發(fā)現(xiàn)，與鼠傷寒沙門(mén)菌細(xì)菌毒力相關(guān)的基因〔orgA,prgH,sipD,invI,invA,pigB,sseB,ssaL,ssaV,sseJ〕在微重力環(huán)境干涉后發(fā)生下調(diào)，并通過(guò)4種獨(dú)立的微點(diǎn)陣分析軟件程序去除背景干擾后，更真實(shí)地反映模擬微重力暴露的沙門(mén)菌基因表示出情況，發(fā)現(xiàn)有22種基因發(fā)生變化，華而不實(shí)有9種出現(xiàn)上調(diào)，13種出現(xiàn)下調(diào)，表示出下調(diào)的基因也包括多種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和毒力基因。Wilson等[24]發(fā)現(xiàn)傷寒沙門(mén)菌經(jīng)過(guò)一段時(shí)間暴露于空間微重力環(huán)境后，167條基因表示出發(fā)生了改變，如調(diào)控因子Hfq,這些變化導(dǎo)致了該菌對(duì)小鼠的半數(shù)致死量明顯降低，即該菌的毒力發(fā)生了明顯加強(qiáng)。近期研究人員對(duì)暴露在航天飛船中的銅綠假單胞菌進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和蛋白組學(xué)研究后也發(fā)現(xiàn)Hfq的表示出下調(diào)，但受其調(diào)控的很多基因包括毒力相關(guān)基因如lecA,lecB和rhlA等的表示出明顯上調(diào)[25].4空間微生物制藥存在的問(wèn)題及發(fā)展方向空間微生物制藥以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在將來(lái)生物制藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前盡管利用空間環(huán)境誘變育種開(kāi)展微生物制藥獲得了一些成就，并且對(duì)空間誘變的機(jī)制有一定的了解，但卻無(wú)法控制變異的方向，只能是任其發(fā)展，怎樣利用太空資源進(jìn)行定向甚至定點(diǎn)突變還是當(dāng)今世界的科學(xué)空白區(qū)，等