系统生物学研究革新抗生素发酵技术

细履平沙 · 发表于 2006-11-1 22:09:42

抗生素的生产方法主要是微生物发酵，随着工业生产技术的发展以及对降低
生产成本的要求不断增多，国内最近新投入的抗生素发酵罐的规模和数量越来越
大。在日前召开的第十届全国抗生素学术会议上，华东理工大学张嗣良教授认为，
当前发酵过程存在着一定的局限性，很有必要对以抗生素为代表的微生物过程优
化问题进行深入的讨论，用新的观点和方法来研究生物反应器中微生物发酵过程
的特点，为此，他提出用系统生物学来研究抗生素发酵过程的观点。
　　■优化控制技术实现过程放大
　　张教授分析说，作为用于产业化生产的工业微生物法，必需具备高生产能力，
其中最关键的技术就是如何得到高产菌种以及相应的过程优化控制技术。但是，
由于发酵过程中特征数据采集和过程酶学研究的困难，导致发酵工艺开发研究时
只能采用以最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，即把菌体特性与发酵过程特
性研究分割开来，缺乏代谢流变化的实时分析。
　　在深入开展微生物发酵过程研究中如何整体性地看待遗传和生理也是很重要
的问题。但是，在现有的生物反应过程研究中，往往是先进行遗传育种，然后再
进行发酵条件优化，但却忽略了遗传和蛋白信息流的改变，以及代谢过程中由物
料流变化而引起的代谢流变化的关联性，也就是把菌种改造的基因特性与发酵过
程优化研究分割开了。
　　此外，发酵过程放大分为两个基本问题，一是发酵条件的研究与设计；二是
设计满足这些条件的反应器。在某种意义上，第一个问题实质上是发酵过程动力
学的问题，第二个是工程水平的传递和混和问题。必须认识到，除非建立完全以
微生物反应动力学与周围环境传递条件相结合的模型，否则发酵过程的放大最终
还是落实到系统几何相似、流体运动学相似和流体动力学相似等几个方面。事实
上，要同时满足这些相似条件是不可能的。因此，发酵过程放大仍是一个令人困
惑的问题，有时甚至同样的操作条件，也往往导致放大前后的结果面目全非。
　　■生物过程存在“多尺度特性”
　　发酵过程的细胞反应实质上都是在生物反应器装置中进行的，影响发酵过程
的因素有时发生在反应器的设计和操作上，由此而形成供氧、剪切或基质供应等
问题；有时细胞内基因特性与转录表述等表型特性也对发酵过程产生影响。因此，
发酵过程操作与优化不仅仅是细胞内的代谢问题，这种影响是在不同空间和时间
尺度上发生的。因此，张教授提出了发酵过程多尺度的网络结构的复杂系统问题，
认为以活细胞为主体的细胞大规模培养的生物反应器过程，包括分子尺度基因的
表达及调控、翻译及翻译后修饰；细胞尺度的细胞代谢调控问题（合成代谢、分
解代谢、次级代谢及其相互关系）；反应器工程尺度的化学工程三传（动量、质
量、热量）问题等，都存在着生命所特有的信息流、物质流、能量流或者代谢流
的变化，是不同尺度的网络状态。
　　与所有的过程工业一样，多结构层次的复杂体系最主要的特征就是具有“变
化着的结构”，随着尺度变化，导致反应系统内部结构的复杂变化和物质转化行
为发生剧变。他强调，必须把研究重点放在不同尺度之间的相关性上，寻找从一
个尺度现象来观察另一个尺度的过程特性。发酵过程的局限问题，实质上就是由
于缺乏复杂系统的多尺度理论指导，人们往往以各自研究的技术背景（基因、细
胞代谢或反应器工程）从单一尺度去理解、分析和研究发酵过程的特点，而观察
不到尺度之间的关系和现象，从而限制了对生物过程的认识。
　　■全域性研究改良传统实验模式
　　逐层分析至此，张教授接着说，以上情况实际上提出了发酵过程系统生物学
研究的重要性问题。系统生物学是研究一个生物系统中所有组分（基因、mRNA、
蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。也就是说，
系统生物学不同于以往的仅关心个别基因和蛋白质的实验生物学，它要研究所有
的基因、蛋白质以及组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究
为特征的一种大科学。以活细胞为对象的生物反应器过程也是遵循上述系统生物
学的特点，对于工业微生物发酵反应器体系来说，其内在微生物以及外在环境构
建成一种相对封闭的生态系统。
　　把工业微生物发酵反应器体系作为相对封闭的生态系统，用系统生物学的方
法来研究微生物内在的生理活动、微生物之间的相互作用、微生物与外在环境相
互作用的关系，其最大的特点是全域性研究，特别是全基因组基因表达的时序及
环境适用性研究、蛋白质组的时序及环境适用性研究、代谢组的时序及环境适用
性研究等。这种全域性的研究可以发掘微生物生物合成的调控基因，为代谢工程
改造菌种、重构微生物基因组及表达调控系统提供理论基础；并同时发掘发酵过
程参数优化的分子机制，为进一步优化发酵过程参数提供理性依据。
　　在研究方法上，张教授强调宏观的差异分析法。例如在发酵过程多尺度系统
中采用基于发酵过程参数经改进的相关方法；在基因水平上采用基因芯片的代谢
谱整合法等。研究过程中，并不要求完全明了基因变化所引起特定代谢产物水平
变化的机理，但上述研究又都是在分子生物学和生化工程学科发展基础上形成的