空间微生物制药的机制与发展趋势

　　随着我国载人航天事业的发展，2020 年将建立我国空间站。 空间站体现了多学科交叉和整合，对国家安全、空间防御和空间生命科学研究起着至关重要的作用， 其最终目标是利用太空资源服务于全人类。

　　太空环境异常复杂，给人类提供了一个在地面上根本无法模拟的条件，预示着太空实验特别是生物实验将出现地面上无法实现的结果。 由于太空的特殊环境，太空育种具有明显的优势和重要的意义。 当前，我国载人航天事业的蓬勃发展，为空间生物制药提供了难得的实验平台，利用太空特殊的理化环境对微生物进行诱变，然后结合地面筛选，得到生物制药产量和质量显着提高的药物制备工程菌及免疫原性和安全性增强的疫苗菌株，具有重要的经济和社会意义。

　　1 空间微生物制药的含义
　　
　　外层空间，又称外太空、宇宙空间，简称空间、外空或太空，指的是地球大气层及其他天体之外的虚空区域。 与真空有所不同的是，外层空间含有密度很低的物质，以等离子态的氢为主。其中还有电磁辐射、磁场等。理论上，外层空间可能还包含暗物质和暗能量。国际航空联合会定义在 100 km 的高度为卡门线，为现行大气层和太空的界线定义。目前的载人航天活动主要集中在距地面 500 km 以内的近地球轨道上[1]. 空间环境十分复杂，具有地面环境中所不具备的一些特殊环境因素，包括微重力、高真空、强辐射、弱磁场、极端温差等特点[2].空间微生物制药是将代谢物可用于制药工艺的微生物搭乘宇宙飞船、返回式卫星或高空气球送到太空，利用太空特殊的环境诱变作用，使微生物产生变异，并在其返回地面后进行培育、筛选，最终获得生产性能优良的微生物菌种的育种新技术。

　　2 空间微生物制药的发展现状
　　
　　生物技术药物主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等，主要采用生物合成的方法进行生产。 生物合成技术发展很快，目前全世界的医药制品很多是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药物时，它不仅比化学合成简便，而且有更高的产量和活性。生物合成技术的关键是要获得性能优良的菌种、细胞株或动植物品种。 太空环境存在着极端的物理条件，是一种地球上无法比拟的特殊诱变源，它可造成细菌的生长、生物学性状以及遗传代谢等方面发生一系列不可捉摸的变化。具有有益的变异多、变幅大、稳定性好等特点[3].

　　利用这些地面上难得的环境条件，可进行许多地面上难以进行的科学实验，生产地面上难以生产的特殊材料、昂贵药品和工业产品等。 已有不少文献报道通过对各种微生物进行太空诱变及筛选后，得到次级代谢产物明显提高且其遗传性保持稳定的高产菌株[4].

　　目前在空间制药研究方面国外以美国居多。1984年，美国航天教育处太阳能辐射研究中心将黑曲霉放置在太空长期飞行器中，于 1990 年取回，进行发酵，发现单宁酸酶产生率及活性大幅度提高。 1996年，美国科研人员将棕黑腐质霉送入太空 10 d 后，发现单孢菌素的产量由地面的（8.2±2.2）μg 增加到（23.8±3.3）μg[5].

　　2001 年美国航天飞行任务 STS -80 搭载的褶 （ 皱 ）链霉菌在天空飞行 17 d 后抗生素放线菌素 D 产量由地面菌株的 0.47 μg/mL 提高到 1.02 μg/mL[6]. 这些菌一旦应用于药物生物合成工艺生产， 有望提高药物的产量。 据称， 美国已选出 20 种价值 140 万~3000 万美元/g 的药物，并准备投入空间生产，预计在不久的将来就将会形成一个价值约 600 亿美元的空间制药业[7].

　　我国的空间生命科学研究在制药领域特别是生物制药领域刚刚起步，但也取得了一些成就。 如方晓梅等[8]研究发现，弗氏链霉菌经太空搭载后，泰乐菌素的产量提高了 91.5%;中国科学院遗传所搭载的棘孢小单孢菌（M.echionopora），其庆大霉素效价增高了27%~37%[9].2011 年本研究团队通过神舟八号飞船将工程菌大肠埃希菌送入外太空飞行 17 d 返回后发现 α1b 干扰素的产量明显提高[3]. 在神舟十号飞船的微生物搭载实验中， 本研究团队发现， 经太空诱变育种 15 d后，可分泌赖氨酸肽链内切酶的产酶溶杆菌产量提高了 17.2%~40.2%,发酵周期缩短了 48 h,而且得到的高产菌株经传代培育 15 代后， 上述表型特征稳定性良好。 而氨酸肽链内切酶可用于胰岛素的生物合成，将该菌用于放大工艺生产后，在一定程度上可降低胰岛素的费用。

　　3 空间微生物制药的机制
　　
　　通常，在空间环境下，微生物的生存和生长将受到抑制[10-11]. 有研究显示，飞船内的微生物较地面生长缓慢[6]. 说明太空环境对细菌的生存和生长是一个严峻的考验。 面对恶劣的环境，细菌通过不断改变自己的形式来适应环境的变化，在此过程中，细菌的变异过程会加速，变异类型也会更丰富。

　　由于太空环境存在多种极端的物理条件，这些因素均可造成微生物发生变异，空间诱变的机制较为复杂，目前认为在这个过程中主要由空间辐射和微重力发挥作用[12-16].

　　太空环境中的 X 射线，γ 射线、质子、中子等高能粒子辐射可引起微生物的 DNA 损伤， 包括 DNA 单、双链断裂[17-18]、DNA 与 DNA 或者蛋白质交联[19]、基因突变、染色体畸变等。尽管微生物自身会对 DNA 损伤进行一系列的修复活动[20],但若出现错误修复 ,损伤未完全修复，或者未修复，就会表现出表型改变[21].

　　在太空环境下，各种物体都处于微重力状态。 而微重力引起遗传物质的改变。 Chopra 等[22]使用双向凝胶电泳检测方法研究模拟微重力对大肠埃希菌和鼠伤寒沙门菌蛋白表达的影响，他们通过 Northern Blot方法发现暴露于模拟微重力的产毒性大肠埃希菌编码毒力因子 LT-1 的基因发生上调。 而 Wilson 等[23]在细菌 mRNA 水平研究发现， 与鼠伤寒沙门菌细菌毒力相关的基因（orgA,prgH,sipD,invI,invA,pigB,sseB,ssaL,ssaV,sseJ）在微重力环境干预后发生下调，并通过 4 种独立的微点阵分析软件程序去除背景干扰后，更真实地反映模拟微重力暴露的沙门菌基因表达情况， 发现有 22 种基因发生变化， 其中有 9 种出现上调，13 种出现下调，表达下调的基因也包括多种转录调节和毒力基因。 Wilson 等[24]发现伤寒沙门菌经过一段时间暴露于空间微重力环境后，167 条基因表达发生了改变，如调控因子 Hfq,这些变化导致了该菌对小鼠的半数致死量明显降低，即该菌的毒力发生了明显增强。最近研究人员对暴露在航天飞船中的铜绿假单胞菌进行转录组和蛋白组学研究后也发现 Hfq 的表达下调，但受其调控的很多基因包括毒力相关基因如 lecA,lecB 和 rhlA 等的表达明显上调[25].

　　4 空间微生物制药存在的问题及发展方向
　　
　　空间微生物制药以其独特的优点，在未来生物制药领域具有广阔的应用前景。目前尽管利用空间环境诱变育种开展微生物制药取得了一些成就，并且对空间诱变的机制有一定的了解，但却无法控制变异的方向，只能是任其发展，如何利用太空资源进行定向甚至定点突变仍是当今世界的科学空白区，等待着科学家们去做进一步的探索。

　　只有通过样品返回地面后进行大规模筛选才能得到有益突变菌株，而目前这些筛选工作还处于“劳动密集型”阶段，需要耗费大量的人力、物力和财力才能获得部分高产菌株。如何设计突变菌株高通量筛选平台，甚至实现“集约化”筛选，使有益突变菌株的筛选更便捷、全面，也是摆在我们面前的一个难题。