關(guān)于作者
中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)副團(tuán)長；中國科學(xué)院微生物研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院研究生院教授；中國生物工程學(xué)會繼續(xù)教育工作委員會主任、工業(yè)與與環(huán)境委員會委員，中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會工業(yè)生化委員會委員，中國微生物學(xué)會酶與酶工程委員會委員。主要從事酶學(xué)、酶工程、基因工程和生化工程研究。
話說青霉素四：精益求精
孫萬儒
2011年08月18日
雖然青霉素可以工業(yè)生產(chǎn)了，但這種生產(chǎn)水平與現(xiàn)在的生產(chǎn)水平無法相比?，F(xiàn)在青霉素工業(yè)生產(chǎn)使用的發(fā)酵罐最大的可達(dá)300立方米，生產(chǎn)過程全部由計算機控制，青霉素的發(fā)酵水平達(dá)到每毫升發(fā)酵液7-8萬單位，實驗性的發(fā)酵水平達(dá)到每毫升發(fā)酵液10萬單位，從發(fā)酵液中提取出青霉素，制成產(chǎn)品的收率為90-95%，產(chǎn)品純度99.9%以上。僅就青霉素的發(fā)酵水平的變化圖就可以看到，幾乎是每十年青霉素的發(fā)酵酵價增加一倍。
隨著人們對青霉菌的生理、生化特性研究的不斷深入，對青霉素在細(xì)胞內(nèi)的合成過程也了解的越來越多，人們根據(jù)這些特點采取了各種有針對性的措施，限制其對產(chǎn)生青霉素不利的因素，充分發(fā)揮、調(diào)動有利因素，不斷優(yōu)化發(fā)酵和提取的條件，在發(fā)酵設(shè)備、工藝、技術(shù)上采取相應(yīng)措施，是上個世紀(jì)七、八十年代以前青霉素發(fā)酵和生產(chǎn)水平不斷地大幅度提高的主要原因。
比如發(fā)現(xiàn)葡萄糖雖然是菌種生長和合成青霉素必須的碳源，但是過多的葡萄糖會產(chǎn)生抑制作用，特別是對青霉素的產(chǎn)生不利。因此在發(fā)酵過程中隨著葡萄糖不斷的被菌體利用消耗而采取了不斷的流加補充葡萄糖的方法，保持葡萄糖濃度處于低水平，既能夠滿足青霉菌生長和青霉素合成的需要，又不會產(chǎn)生不利影響，從而使菌體生長和青霉素的合成水平大幅度提高。
對青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，青霉素是由兩部分，即青霉素母核和側(cè)鏈組成。由不同的菌種產(chǎn)生的青霉素雖然有差別，但母核是相同的，差別只在側(cè)鏈上，比如青霉素G的側(cè)鏈?zhǔn)潜揭宜?，而青霉素V的側(cè)鏈?zhǔn)潜窖跻宜帷η嗝顾卦诩?xì)胞內(nèi)合成過程的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成青霉素G和V不可缺少的側(cè)鏈前體在菌體細(xì)胞內(nèi)合成速度比較緩慢，成為合成青霉素的瓶頸，因此人們想到，在發(fā)酵時添加必須的側(cè)鏈苯乙酸或苯氧乙酸是否可以提高青霉素的合成速度和產(chǎn)量呢？實際的研究結(jié)果證明，確實如此。于是人們又研究什麼時候加，加多少，怎樣加等等問題，隨著側(cè)鏈添加工藝的不斷改進(jìn)和完善，青霉素的發(fā)酵水平不斷的上升。
對在青霉素合成途徑研究時發(fā)現(xiàn)，與賴氨酸的合成過程有關(guān)系，賴氨酸生物合成的一個中間體 -氨基己二酸參與青霉素合成。而賴氨酸合成過程中，如果賴氨酸合成多了時，賴氨酸會回過頭來對其本身的合成過程的第一個酶高檸檬酸合成酶的產(chǎn)生反饋抑制作用，這就限制了 -氨基己二酸的生成，從而間接地抑制青霉素的合成。如果在青霉素發(fā)酵過程中加入 -氨基己二酸，可減少賴氨酸的抑制作用，也就提高青霉素的產(chǎn)量。這一發(fā)現(xiàn)又為提高青霉素的發(fā)酵水平開辟了一個新的途徑。
詳細(xì)研究青霉素發(fā)酵過程中，溫度對菌體生長、發(fā)酵水平的影響時發(fā)現(xiàn)，總體上菌體生長的最適溫度為30 ，青霉素合成的最適溫度為20 。根據(jù)計算機模擬對發(fā)酵最適溫度的計算得出結(jié)論，青霉素發(fā)酵的最適溫度是在最初的5小時維持30 ，在較高的溫度下可加快細(xì)胞成長，縮短發(fā)酵開始時細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境的時間；隨后發(fā)酵溫度降低到25 ，發(fā)酵35小時，控制菌絲生長和代謝水平；再降低發(fā)酵溫度到20 ，發(fā)酵85小時，可以促進(jìn)青霉素的合成；最后發(fā)酵溫度回升到25 繼續(xù)發(fā)酵40小時，然后結(jié)束發(fā)酵，放罐。最后提高發(fā)酵溫度的目的在于促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)物青霉素從細(xì)胞內(nèi)釋放到發(fā)酵液中。采用這種變溫發(fā)酵，使發(fā)酵過程的細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成階段均處于最適溫度條件下，其青霉素的產(chǎn)量要比以前的25 恒溫發(fā)酵的產(chǎn)量高14.7％。
人們就是通過這樣的一點一滴的詳細(xì)研究的積累，不斷加深對菌種和青霉素合成過程的的認(rèn)識，不斷改進(jìn)、完善發(fā)酵和提取的工藝、技術(shù)和設(shè)備，到上個世紀(jì)八十年代青霉素的發(fā)酵達(dá)到了每毫升發(fā)酵液六、七萬單位的水平。
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隨著人們對青霉菌的生理、生化特性研究的不斷深入，對青霉素在細(xì)胞內(nèi)的合成過程也了解的越來越多，人們根據(jù)這些特點采取了各種有針對性的措施，限制其對產(chǎn)生青霉素不利的因素，充分發(fā)揮、調(diào)動有利因素，不斷優(yōu)化發(fā)酵和提取的條件，在發(fā)酵設(shè)備、工藝、技術(shù)上采取相應(yīng)措施，是上個世紀(jì)七、八十年代以前青霉素發(fā)酵和生產(chǎn)水平不斷地大幅度提高的主要原因。
比如發(fā)現(xiàn)葡萄糖雖然是菌種生長和合成青霉素必須的碳源，但是過多的葡萄糖會產(chǎn)生抑制作用，特別是對青霉素的產(chǎn)生不利。因此在發(fā)酵過程中隨著葡萄糖不斷的被菌體利用消耗而采取了不斷的流加補充葡萄糖的方法，保持葡萄糖濃度處于低水平，既能夠滿足青霉菌生長和青霉素合成的需要，又不會產(chǎn)生不利影響，從而使菌體生長和青霉素的合成水平大幅度提高。
對青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，青霉素是由兩部分，即青霉素母核和側(cè)鏈組成。由不同的菌種產(chǎn)生的青霉素雖然有差別，但母核是相同的，差別只在側(cè)鏈上，比如青霉素G的側(cè)鏈?zhǔn)潜揭宜?，而青霉素V的側(cè)鏈?zhǔn)潜窖跻宜帷η嗝顾卦诩?xì)胞內(nèi)合成過程的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成青霉素G和V不可缺少的側(cè)鏈前體在菌體細(xì)胞內(nèi)合成速度比較緩慢，成為合成青霉素的瓶頸，因此人們想到，在發(fā)酵時添加必須的側(cè)鏈苯乙酸或苯氧乙酸是否可以提高青霉素的合成速度和產(chǎn)量呢？實際的研究結(jié)果證明，確實如此。于是人們又研究什麼時候加，加多少，怎樣加等等問題，隨著側(cè)鏈添加工藝的不斷改進(jìn)和完善，青霉素的發(fā)酵水平不斷的上升。
對在青霉素合成途徑研究時發(fā)現(xiàn)，與賴氨酸的合成過程有關(guān)系，賴氨酸生物合成的一個中間體 -氨基己二酸參與青霉素合成。而賴氨酸合成過程中，如果賴氨酸合成多了時，賴氨酸會回過頭來對其本身的合成過程的第一個酶高檸檬酸合成酶的產(chǎn)生反饋抑制作用，這就限制了 -氨基己二酸的生成，從而間接地抑制青霉素的合成。如果在青霉素發(fā)酵過程中加入 -氨基己二酸，可減少賴氨酸的抑制作用，也就提高青霉素的產(chǎn)量。這一發(fā)現(xiàn)又為提高青霉素的發(fā)酵水平開辟了一個新的途徑。
詳細(xì)研究青霉素發(fā)酵過程中，溫度對菌體生長、發(fā)酵水平的影響時發(fā)現(xiàn)，總體上菌體生長的最適溫度為30 ，青霉素合成的最適溫度為20 。根據(jù)計算機模擬對發(fā)酵最適溫度的計算得出結(jié)論，青霉素發(fā)酵的最適溫度是在最初的5小時維持30 ，在較高的溫度下可加快細(xì)胞成長，縮短發(fā)酵開始時細(xì)胞適應(yīng)新環(huán)境的時間；隨后發(fā)酵溫度降低到25 ，發(fā)酵35小時，控制菌絲生長和代謝水平；再降低發(fā)酵溫度到20 ，發(fā)酵85小時，可以促進(jìn)青霉素的合成；最后發(fā)酵溫度回升到25 繼續(xù)發(fā)酵40小時，然后結(jié)束發(fā)酵，放罐。最后提高發(fā)酵溫度的目的在于促進(jìn)發(fā)酵產(chǎn)物青霉素從細(xì)胞內(nèi)釋放到發(fā)酵液中。采用這種變溫發(fā)酵，使發(fā)酵過程的細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成階段均處于最適溫度條件下，其青霉素的產(chǎn)量要比以前的25 恒溫發(fā)酵的產(chǎn)量高14.7％。
人們就是通過這樣的一點一滴的詳細(xì)研究的積累，不斷加深對菌種和青霉素合成過程的的認(rèn)識，不斷改進(jìn)、完善發(fā)酵和提取的工藝、技術(shù)和設(shè)備，到上個世紀(jì)八十年代青霉素的發(fā)酵達(dá)到了每毫升發(fā)酵液六、七萬單位的水平。