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选拔酵母细胞作为分娩活性成分的工厂

自然是如此复杂,以至于用于癌症治疗的天然分子仍然不能通过化学合成产生。今天,主要的化学和制药公司收获大量稀有植物和种子,以提取有价值的物质。

酵母可以称得上是一台任劳任怨的发酵设备。但是,这种经典的物质很快就从仅仅在面包店里应用转移到制药领域的生产中。当酵母带有合适的基因时,烤炉中的酵母细胞可以从糖或乙醇经过一步反应制备氢化可的松。去年12月在CPhI展会上,Sanofi-Aventis公司公布了第一套这种肾上腺皮质类脂醇的生物合成技术,预计将在今年夏天进行试产。肾上腺皮质类脂醇可以让受湿疹困扰的人们快速减轻痛苦,也可以减轻与风湿病和肾病有关的疼痛,与β-agonists共同使用,这通常被认为是治疗哮喘病的黄金准则。氢化可的松是这种类型的活性物质中最突出的一种。氢化可的松应用在很多领域中,主要作为精细生产中的中间产物,作为类固醇类有效的抗活化剂。Sanofi-Aventis集团已经开发出了一套新型的生产这种活性物质的方法,使氢化可的松在肾上腺皮质类脂醇的市场竞争中占据了主动地位。公司已经开发出了一步法生产氢化可的松的全生物合成工艺。公司也由于这项成就得到了去年12月在布鲁塞尔颁发的CPhI展会创新奖励。氢化可的松的生产在Aventis公司有悠久的传统。追溯到1953年,公司的前身Roussel
Uclaf公司就开发出了这种广受欢迎的活性物质的第一条工业生产线。从牛胆汁中提取出的酸作为原料,化学家们设计了二十三步化学和生物反应得到这种最终产物。为了增强安全性,公司在上个世纪80年代末转向从蔬菜中提取的活性成分。公司使用从大豆的果实中提取的植物甾醇类通过不到十步的反应来生产这种化合物。当这项工艺进入90年代后,就受到了来自中国的低成本氢化可的松生产的挑战。这促使法国的研究者准备开发出替代工艺。当他们寻找一种可以通过低成本的方法来合成基本的氢化可的松结构的微生物时,他们得到了一种微生物:啤酒酵母,也就是家喻户晓的面包房中的酵母。酵母细胞可以生产麦角固醇来作为他们的细胞膜,这使得酵母细胞成为皮质类固醇的潜在生产源。目前的项目协调者Udo
Hedtmann回忆说这项研究在上个世纪90年代初法国的Romainville的Roussel公司就已经开始了。Hedtmann负责Sanofi-Aventis全球货物销售部门的制药业务发展的工作。这项研究在公私合营的框架下由Roussel公司发起,由CNRS分子基因中心和生物技术公司Transgene指导。目标是对酵母细胞进行基因尺度的修改,使酵母细胞能够生产出氢化可的松而不是皮质类固醇。所选取的酵母是真核状态的并有一部分细胞片断,酵母的复杂性是技术上要克服的一大障碍,膜束缚的反应机理同样对研究小组是一项挑战。基因转化科学家们一开始将氢化可的松的生物合成转移到酵母细胞中,反应物为胆固醇,结构与麦角固醇的前体麦角甾5,7-二醇类似,但是没有获得成功。“最开始进行的在人体肾上腺皮层模仿的氢化可的松的合成失败了,因为在需氧的条件下,酵母细胞不能吸收任何胆固醇,”Hedtmann解释说。随后研究者改变了战略。他们一步一步的调整酵母细胞基因的组成,目的是将麦角甾5,7-二醇通过几步酶催化反应转会成氢化可的松而不是麦角固醇。获得成功的关键因素是引进植物的基因。科学家们还需要将另外9种哺乳动物的基因引入酵母细胞并使3种酵母自身的基因失活来实现整套的氢化可的松的生物合成。在CNRS开发用于基因修饰的分子工具的同时,在Roussel以及晚些时候在Hoechst
Marion
Roussel和Aventis的研究主要都集中在完成基因转移和实验室级别的酵母发酵工艺的优化上面。到2000年,研究者已经开发出了一种酵母,这种物质可以通过一步反应由葡萄糖生产出少量的氢化可的松。这是首次使将复杂的膜束缚反应机理从哺乳动物转移到微生物中变得可能。从那以后,研究的主要目标就变成改善酵母细胞的生产效率以及开发工业生产的发酵工艺。这项工作由位于法国的Vitry和德国的Frankfurt-Hoechst的Aventis公司完成,Tilman
Achstetter咨询公司提供支持,该公司位于德国的不来梅大学。发酵工艺的产量在过去的3年中得到了大幅3增长,位于Frankfurt-Hoechst以及Vitry的设备已经在2004年夏天开始试产。Hedtmann解释说:“我们目前正在致力于提高生产效率、开发和优化下游的工艺。”如果工艺的优化和药物相关指标能够按照计划发展,生物氢化可的松将在2007年出现在市场上。一步法具有很多优点通过一步法完成全部合成与传统的氢化可的松生产工艺相比具有很大的优势。反应物为葡萄糖,比植物甾醇类更容易获取。在水相发酵过程中需要的试剂和溶剂的量更少。一步法合成不需要进行中间产物的提纯和储存,可以节约更多的时间和劳动力,因此也大大地降低了成本。生产的效率也可以得到提高。假设每步反应的产率为90%,如果采用传统的二十五步生产工艺,100kg原料仅仅能够得到8.9kg产品。Aventis公司可以为新的发酵工艺生产相同质量的更大的活性成分反应釜。所有的这些都提高了Aventis氢化可的松的市场竞争力。每年世界上肾上腺皮质类脂醇的产量大约为250t。Hedtmann估计价格在500~20000美元/kg之间不等。Sanofi-Aventis集团和Pfizer以及Schering公司是西方国家中肾上腺皮质类脂醇的主要生产商。尽管如此,一些发展中国家例如中国的劳动力成本低廉,因此市场竞争力也在逐渐增强。目前,世界上一半的肾上腺皮质类脂醇生产都来自该地区。欧洲和美洲在营业额方面仍然处于领先地位,因为这些地区通常主要生产高附加值的肾上腺皮质类脂醇。Sanofi-Aventis公司的主要业务是为国外客户而不是本国用户生产肾上腺皮质类脂醇。全球货物销售部门的100余种药物产品中的1/4为类固醇。一步法合成氢化可的松工艺的开发使Sanofi-Aventis公司的市场竞争力进一步加强。氢化可的松作为一种中间产物可以用来合成大量的类固醇类活性成分。酵母细胞可以进一步修饰,用来一步法生产具有氢化可的松类似结构的肾上腺皮质类脂醇。有些活性成分的合成通常过于复杂而不适合工业生产,而酵母细胞可以作为微型的生物工厂,用于生产这些活性成分。Hedtmann解释说:“我们目前正在检测我们整个肾上腺皮质类脂醇的生产计划。”目前正在开发相关的下游工艺。”Aventis公司全球货物销售部门业务开发经理Udo
Hedtmann博士背景介绍:合成氢化可的的发展过程氢化可的松或肾上腺皮质类脂醇是肾上腺分泌的一种必不可少的荷尔蒙。这种激素由瑞士的Tadeusz
Reichstein在1937年发现。他从20000头牛身上搜集了大约0.5t的肾上腺,仅仅得到了1g这种物质。化学家Robert
B.
Woodward是第一个成功地采用化学方法合成氢化可的松的人,当时他用了四十步反应得到了产物。目前应用的主要有两种方法。生物技术反应以及化学合成方法被用于将天然物质转化为氢化可的松。中国采用从山药中提取的薯蓣皂苷配基作为原料来生产氢化可的松。而欧洲和美国的生产商采用从大豆果实中提取出的植物甾醇类作为原料生产这种活性成分。采用基因修饰过的酵母细胞发酵一步法合成氢化可的松可能在将来成为主要的生产工艺。(end)

美国合成生物学家杰·基斯林领衔的实验室9月27日在中国科学院深圳先进技术研究院成立,标志着中美两国科学家将利用合成生物技术进一步挖掘传统中药材的有效成分,研制出更多创新性药物。

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杰·基斯林是国际合成生物学领域的知名科学家,长期致力于改造微生物实现青蒿素等药物分子的生物合成。

但是,基于自然资源提取物的生产方法对环境有害,并且经常会产生大量的化学废物。此外,这些珍稀植物将灭绝的危险很大。自联合国最近通过新法规保护第三世界国家的生物多样性和原材料以来,为这些类型的药物寻找新的和更可持续的生产方法的需求已经增长。

在27日的实验室成立仪式上,中国科学院深圳先进技术研究院医药所合成生物中心主任刘陈立介绍,除了人们熟知的青蒿素之外,铁皮石斛、天山雪莲、人参、何首乌、茯苓、灵芝、珍珠、冬虫夏草、苁蓉等传统中药材含有的活性分子都具有成为创新药物的潜力。然而,与从植物中提取青蒿素一样,中药材植物的天然活性分子含量低、结构复杂,分离提取和化学合成较为困难。

“如果我们希望能够为癌症患者或患有精神疾病的人生产治疗药物,那么就有了这些新规则,”诺维诺德基金会生物可持续性中心的高级研究员说。他是一个名为MIAMi的新的欧盟大都市地平线2020项目的协调员,该项目刚刚获得了600万欧元的资助。

澳门新葡亰,“杰·基斯林实验室以及国内多个研究团队现在就是要尝试突破这些困难,通过改造微生物或者植物细胞,以生物合成的方式‘生产’带有药性的植物活性分子。”刘陈立说。

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近年来,我国的合成生物学发展迅速。2017年3月,我国科学家在合成生物学领域取得重大进展,成功用化学方法合成了酵母的四条染色体,对农业、生物医药、环境环保和能源等多个领域产生深远影响。目前,在中国科学院深圳先进技术研究院,科学家们正围绕人造生命设计原理、人工合成酵母染色体、人工改造细菌治疗肿瘤等前沿课题开展研究。

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