細(xì)胞工廠在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用 2023

細(xì)胞工廠在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用細(xì)胞工廠是指通過基因工程技術(shù)將人工合成的基因序列導(dǎo)入到細(xì)胞中，通過改變細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)方式，并利用細(xì)胞自身的代謝活性和生物合成機(jī)制來生產(chǎn)所需的特定的蛋白質(zhì)或其他化學(xué)物質(zhì)。細(xì)胞工廠可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)物的高效生產(chǎn)，并提高產(chǎn)量和純度，可廣泛應(yīng)用于生物制藥、醫(yī)藥化學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品科學(xué)等領(lǐng)域。這些細(xì)胞可以是動(dòng)物細(xì)胞，植物細(xì)胞或微生物。其中，微生物如大腸桿菌，酵母，谷氨酸棒桿菌和放線菌等，由于高效的遺傳操作技術(shù)，生長速度快等特點(diǎn)，處于綠色生物制造的核心環(huán)節(jié)。圖1.微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)流程來源：中金公司微生物可利用自身強(qiáng)大且多樣的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過對代謝路徑的重塑和工程化，以低價(jià)值可再生資源為原料生產(chǎn)各類產(chǎn)品。迄今為止，微生物細(xì)胞工廠已能夠生產(chǎn)各種天然產(chǎn)物、抗生素、氨基酸、重組蛋白、生物能源、生物塑料等，被廣泛應(yīng)用于制藥、食品、能源和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。據(jù)麥肯錫預(yù)測，全球70%的產(chǎn)品可以用生物法生產(chǎn)。而生物制造的核心技術(shù)是構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠。自然狀態(tài)下，微生物合成途徑中各個(gè)酶的催化效率很難達(dá)到非常協(xié)調(diào)的狀態(tài)，而不平衡的催化效率會(huì)使得中間代謝物累積導(dǎo)致細(xì)胞“中毒”或者目標(biāo)產(chǎn)品的前體供應(yīng)不足導(dǎo)致較低的生產(chǎn)速率。因此，細(xì)胞工廠的構(gòu)建需要重構(gòu)微生物的基因組代謝網(wǎng)絡(luò)，使目標(biāo)化學(xué)品的合成途徑在熱力學(xué)上可行。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑，通過在基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組等水平來調(diào)控途徑中的各個(gè)酶的表達(dá)和催化效率使整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的酶催化反應(yīng)更平衡，避免其他副產(chǎn)物的競爭和中間代謝產(chǎn)物的積累，且能量供給充足，并有利于朝目標(biāo)產(chǎn)物合成的方向進(jìn)行。目前，主要通過基因組編輯，酶工程，基因的精細(xì)調(diào)控等技術(shù)來提升微細(xì)胞工廠的催化效率。圖2.微生物細(xì)胞工廠設(shè)計(jì)構(gòu)建的發(fā)展歷程來源：國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理目前，微細(xì)胞工廠在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用主要在原料藥(如抗生素、阿片類藥物嗎啡、大麻素)、醫(yī)藥中間體（如抗瘧疾藥物青蒿素前體青蒿酸、紫杉醇合成前體紫衫二烯）、重組蛋白和多肽類藥物以及重組疫苗的生產(chǎn)等。微生物細(xì)胞工廠合成高活性植物天然產(chǎn)物是目前的研究熱點(diǎn)之一。例如，利用重組大腸桿菌細(xì)胞工廠合成紫杉二烯、重組酵母細(xì)胞工廠生產(chǎn)青蒿酸和人參皂苷等，都已經(jīng)打通合成路線或即將達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平。1原料藥抗生素是由細(xì)菌或真菌生產(chǎn)的一大類醫(yī)藥化學(xué)品。此前已有報(bào)道，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所通過人工酶設(shè)計(jì)與人工途徑重構(gòu)，成功構(gòu)建ACA）、6-氨基青霉烷酸（6-APA）和7-氨基去乙酰氧基頭孢烷酸（7-ADCA）在釀酒酵母中的從頭合成。該研究有助于利用釀酒酵母作為細(xì)胞工廠合成β-內(nèi)酰胺類抗生素。來自罌粟的嗎啡屬于芐基異喹啉類生物堿，其生物合成L-酪氨酸衍生物多巴胺和4-羥苯乙酯縮合成去甲烏藥堿，經(jīng)一系列甲基轉(zhuǎn)移、羥化、異構(gòu)化生成(R)-牛心果堿，再經(jīng)過若干步反應(yīng)生成可待因和嗎啡的前體蒂巴因。牛心果堿的生物合成途徑在大腸桿菌和酵母中都已經(jīng)構(gòu)建成功，產(chǎn)量在50mg/L左右。在酵母中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)蒂巴因和氫可酮等阿片類化合物μg/L級(jí)的從頭合成，并且在酵母中也已經(jīng)可以將蒂巴因轉(zhuǎn)化為嗎啡、可待因、氫嗎啡酮、羥考酮等芐基異喹啉類生物堿，總產(chǎn)量可以達(dá)到130mg/L。植物大麻素是由脂肪酸和異戊二烯為前體，經(jīng)過混合生物合成途徑合成的一系列次生代謝產(chǎn)物。大麻素的生物合成主要包括3個(gè)階段：聚酮合成、異戊烯化和氧化環(huán)化。途徑優(yōu)化的大腸桿菌工程菌可以合成80mg/L橄欖酸；工程酵母中的大麻萜酚酸可以達(dá)到136mg/L，Δ9-四氫大麻酚酸水平達(dá)到8.0mg/L，大麻二酚酸的水平為4.2μg/L，為大麻素的從頭生物合成奠定了基礎(chǔ)。創(chuàng)制生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物的微生物細(xì)胞工廠，可以突破植物資源限制，促使植物天然產(chǎn)物走出種植提取路線。目前，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)青蒿素、大麻素、莨菪堿等一批代表性天然化合物的微生物合成，萜類香精、人參皂苷、三萜酸、類胡蘿卜素等萜類化合物，燈盞乙素、虎杖苷、根皮素、黃芩素等黃酮類化合物，天麻素、紅景天苷、絡(luò)塞維、迷迭香酸、復(fù)雜苯乙醇苷等苯丙素類化合物，以及生物堿類等典型的植物天然產(chǎn)物的生物合成都取得了很大的進(jìn)展。青蒿素和棉酚是兩種具有代表性的杜松烷型倍半萜化合物，它們的生物合成途徑已經(jīng)被闡明。紫穗槐二烯合酶催化FPP環(huán)化生成紫穗槐二烯，隨后在CYP450酶催化下逐次生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸，再通過化學(xué)半合成生成青蒿素。目前紫穗槐二烯的產(chǎn)量可以達(dá)到40g/L，青蒿酸的產(chǎn)量可以達(dá)到25g/L。天然的青蒿素合成過程，是通過青蒿醛還原酶生成雙氫青蒿醛，再由醛脫氫酶生成青蒿素的直接前體雙氫青蒿酸，最后經(jīng)過一步非酶促的光氧化步驟生成青蒿素。重組蛋白藥物的生產(chǎn)重組蛋白藥物是生物藥物中的核心產(chǎn)品，主要是通過基因工程菌來生產(chǎn)功能蛋白或其突變體，用于彌補(bǔ)體內(nèi)蛋白的缺失，從而對疾病的治療發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前在生產(chǎn)重組蛋白藥物中，主要應(yīng)用大腸桿菌、酵母和哺乳動(dòng)物CHO細(xì)胞系3種表達(dá)系統(tǒng)。其中大腸桿菌系統(tǒng)最為簡單，主要用于多肽類藥物的生產(chǎn)，如重組人胰島素和重組甲狀旁腺激素等。2022年美國和歐洲已批準(zhǔn)9款利用大腸桿菌微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)的重組蛋白藥物。酵母系統(tǒng)主要包括釀酒酵母和畢赤酵母，釀酒酵母是廣泛研究的酵母表達(dá)系統(tǒng)之一，用于生物制藥合成的宿主。目前美國和歐洲也已批準(zhǔn)也有多款利用釀酒酵母和酵母菌生產(chǎn)的藥物上市，2018年以后批準(zhǔn)的有8款。盡管細(xì)胞工廠有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些挑戰(zhàn)和限制。其中一個(gè)主要問題是產(chǎn)量的控制，由于細(xì)胞的生長和生產(chǎn)速度相對較慢，很難達(dá)到高產(chǎn)量的要求。同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)部也會(huì)發(fā)生一些質(zhì)量控制問題，這可能導(dǎo)致產(chǎn)物的不穩(wěn)定性或低純度。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何確保產(chǎn)品的安全性和合規(guī)性。在生產(chǎn)過程中，需要遵守許多相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量、安全和可靠性。此外，細(xì)胞工廠也可應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，例如探索新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、研究蛋白質(zhì)交互作用等。細(xì)胞工廠的應(yīng)用前景廣闊。多家企業(yè)積極布局細(xì)胞工廠業(yè)務(wù)，其中凱萊英已完成微生物細(xì)胞工廠技術(shù)平臺(tái)搭建，并進(jìn)行了多個(gè)生物基小分子的可行性驗(yàn)證。參考資料：1.鄭煜堃,孫青,陳振,于慧敏.微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)化學(xué)品的研究進(jìn)展——以幾種典型小分子和大分子化學(xué)品為例[J].化工學(xué)報(bào),2021,72(12):6109-61212.袁姚夢,邢新會(huì),張翀.微生物細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)構(gòu)建：從誘變育種到全基因組定制化創(chuàng)制[J].合成生物學(xué),2020,1(06):656-673.3.于勇,朱欣娜,張學(xué)禮.大宗化學(xué)品細(xì)胞工廠的構(gòu)建與應(yīng)用[J].合成生物學(xué),2020,1(6):674-684.4.中金點(diǎn)睛-合成生物學(xué)系列報(bào)告一：造物致知、造物致用5.李寅.合成生物制造2022[J].生物工程學(xué)報(bào),2023,39(3):807-8416.李玲玲,劉雪,邱澤天,等.植物多酚的微生物合成.生物工程學(xué)報(bào),2021,37(6):2050-2