方庭正，張學(xué)林，劉長庭

隨著20世紀(jì)60年代以來人類對宇宙的不斷探索，大量研究顯示，太空環(huán)境對微生物的形態(tài)、生長、毒力及耐藥性等方面具有多種影響[1]，同時(shí)也觀察到微生物次級(jí)代謝在航天飛行中的變化并進(jìn)行了相關(guān)研究[1-2]。很多微生物代謝產(chǎn)物具有重要的藥用價(jià)值，利用太空環(huán)境對微生物的誘導(dǎo)作用，獲得高產(chǎn)量和高質(zhì)量的制藥微生物菌株，制造一些地面上難以生產(chǎn)或價(jià)格昂貴的抗生素、疫苗及代謝產(chǎn)物，具有較大的科學(xué)意義和商業(yè)價(jià)值[3-5]。由于航天飛行具有稀缺性并且成本高昂，而微重力被認(rèn)為是太空環(huán)境影響微生物的重要因素，研究者研發(fā)了多種微重力模擬設(shè)備，在地面進(jìn)行模擬微重力影響微生物次級(jí)代謝的研究[6]。作者對利用航天飛行和模擬微重力對微生物次級(jí)代謝進(jìn)行的研究和太空微生物制藥做一綜述。

1 航天飛行對微生物次級(jí)代謝的影響

在1996年5月19日發(fā)射升空的美國太空運(yùn)輸系統(tǒng)-77的任務(wù)中，棕黑腐質(zhì)霉菌WC5157被送入太空進(jìn)行為期10 d的航天飛行實(shí)驗(yàn)[3]。結(jié)果顯示，太空環(huán)境下棕黑腐質(zhì)霉菌在2種不同培養(yǎng)基中的代謝產(chǎn)物——單孢菌素產(chǎn)量分別較相應(yīng)地面對照組高出30%和190%。作者認(rèn)為微重力條件下培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分彌散速度的變化導(dǎo)致了單孢菌素產(chǎn)量的增加。1996年11月19日升空的美國太空運(yùn)輸系統(tǒng)-80任務(wù)搭載產(chǎn)出放線菌素D的皺褶鏈霉菌進(jìn)行了為期近18 d的航天飛行實(shí)驗(yàn)[4]。結(jié)果顯示，在固定培養(yǎng)基中航天飛行樣本的放線菌素D產(chǎn)量與地面對照組相似；在混合培養(yǎng)基中，航天飛行樣本的放線菌素D最大產(chǎn)量比地面對照組高出115%。同時(shí)，由于航天飛行組皺褶鏈霉菌的集落形成單位較地面對照組減少，如果把皺褶鏈霉菌數(shù)量差異因素考慮在內(nèi)，航天飛行組在固定培養(yǎng)基和混合培養(yǎng)基中的代謝物產(chǎn)量最高分別是相應(yīng)地面對照樣本的296%和577%。作者認(rèn)為，太空環(huán)境對放線菌素D的代謝增強(qiáng)作用與太空環(huán)境下微生物生長速度減慢，能夠更加充分地釋放代謝產(chǎn)物有關(guān)。

為了進(jìn)一步研究改善培養(yǎng)條件及延長航天飛行時(shí)間后是否仍能獲得較高產(chǎn)量的代謝產(chǎn)物，2002年4月8日亞特蘭蒂斯飛船搭載皺褶鏈霉菌樣本升空并到達(dá)國際空間站[5]。這次實(shí)驗(yàn)為期長達(dá)72 d，采用一種新型的可檢測及自動(dòng)采樣型多軌道生物發(fā)生器以獲得太空環(huán)境下的最佳微生物培養(yǎng)條件。結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)的第6天和第12天航天飛行樣本代謝產(chǎn)物放線菌素D產(chǎn)量較地面對照樣本增高。研究者認(rèn)為，太空環(huán)境下微生物生長停滯期縮短，從而更早進(jìn)入生長期，更早開始產(chǎn)生次級(jí)代謝產(chǎn)物。此后航天飛行樣本的放線菌素D產(chǎn)量全部被地面對照組超越，并且航天飛行樣本的最高產(chǎn)量(第12天)低于地面對照組最高產(chǎn)量(第24天)。

2011年11月1日升空的我國神舟8號(hào)飛船搭載天藍(lán)色鏈霉菌A3(2)進(jìn)行了為期16 d的航天飛行實(shí)驗(yàn)，在地面同時(shí)進(jìn)行對應(yīng)的模擬微重力實(shí)驗(yàn)[7]。結(jié)果顯示，航天飛行樣本和地面模擬微重力樣本產(chǎn)生的放線菌紫素產(chǎn)量都較地面對照組下降，而十一烷基靈菌紅素則出現(xiàn)產(chǎn)出時(shí)間提前、產(chǎn)量較地面對照輕微增加的現(xiàn)象。分子生物學(xué)研究顯示，與放線菌紫素表達(dá)相關(guān)的基因簇(Locus tag:SCO5071-5092)和與十一烷基靈菌紅素表達(dá)相關(guān)的基因簇(Locus tag:SCO5877-5898)在轉(zhuǎn)錄水平上也出現(xiàn)了與上述改變相一致的變化。

2 模擬微重力對微生物次級(jí)代謝的影響

由于航天飛行的稀缺性和高昂成本，多種模擬微重力設(shè)備被研發(fā)用于微生物次級(jí)代謝的研究。Xiao等[8]利用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)(軸向垂直于重力方向的旋轉(zhuǎn)使實(shí)驗(yàn)微生物處于矢量方向持續(xù)變化的運(yùn)動(dòng)中，從而模擬微重力狀態(tài))研究了模擬微重力對銅綠微囊藻(藍(lán)藻類)PCC7806及其代謝產(chǎn)物微囊藻毒素的影響。結(jié)果顯示，模擬微重力抑制了銅綠微囊藻的生長，但對微囊藻毒素的產(chǎn)生卻具有增強(qiáng)作用，主要表現(xiàn)為代謝產(chǎn)物出現(xiàn)時(shí)間提前和代謝產(chǎn)物在細(xì)胞外基質(zhì)中含量的增加。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，模擬微重力的影響卻逐漸減弱，到了實(shí)驗(yàn)的第6天微囊藻毒素的總濃度已經(jīng)被正常重力對照樣本反超。研究者認(rèn)為，這種表現(xiàn)是銅綠微囊藻面對模擬微重力作出的適應(yīng)性改變所導(dǎo)致。

抗磁懸浮技術(shù)利用不斷發(fā)生空間變化的強(qiáng)磁場模擬微重力狀態(tài)[9]。Liu等[10]利用該技術(shù)對除蟲鏈霉菌PE1進(jìn)行了模擬微重力實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，從微重力組樣本(處于強(qiáng)磁場中)獲得了高產(chǎn)突變株P(guān)E11，其代謝產(chǎn)物阿維霉素產(chǎn)量在經(jīng)過菌株多次傳代后仍然保持穩(wěn)定。但實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明菌株阿維霉素代謝水平的變化主要與強(qiáng)磁場作用相關(guān)，而受重力變化影響較小。

3 空間微生物制藥研究

空間微生物制藥目前主要采用太空突變育種技術(shù)獲得具有商業(yè)和醫(yī)學(xué)價(jià)值的制藥微生物菌株。該技術(shù)通過可返回衛(wèi)星或其他太空飛船，將種子或微生物送至距地面200～400 km的太空。在太空環(huán)境下的強(qiáng)輻射、高真空、低重力和交變磁場作用下，種子或微生物可能會(huì)發(fā)生有益的突變。1987年以來，我國已發(fā)射數(shù)十顆返回式地面衛(wèi)星和10余次太空飛船，進(jìn)行了多次微生物太空誘變篩選實(shí)驗(yàn)。通過回到地面后的育種，篩選新的品種和遺傳品性以選出突變的種子和微生物，從而繁殖高質(zhì)量和高產(chǎn)量的種群[1,11]。

2003年11月22日我國發(fā)射的第18顆返回式衛(wèi)星搭載了產(chǎn)出那他霉素的吉氏鏈球菌LK-22[12]。經(jīng)過18 d在軌飛行后，吉氏鏈球菌LK-22的砂狀孢子和斜狀孢子的突變率分別高達(dá)67.6%和78.3%，而相應(yīng)的存活率分別為43.1% 和3.0%。最終通過斜狀孢子繁育篩選獲得了產(chǎn)量最高的突變菌株LK-45，其產(chǎn)物那他霉素產(chǎn)量達(dá)到了地面對照組的近2倍。

1999年11月起，神舟1、3、4號(hào)飛船先后多次搭載生產(chǎn)獸用抗生素樂菌素的弗氏鏈霉菌9940S+-86升空，返回地面后篩選得到48株效價(jià)增加20%以上的菌株，其中總效價(jià)最高者較出發(fā)菌增加95%[13]。研究者認(rèn)為，弗氏鏈霉菌9940S+-86的空間誘變效應(yīng)受飛行時(shí)間影響較大，且多次搭載對抗生素產(chǎn)量變異具有累積效應(yīng)。最終選定產(chǎn)量較出發(fā)菌株提高18%的T1-156-84-23菌株投入生產(chǎn)。2002年3月25日升空的神舟3號(hào)飛船同時(shí)搭載了紅曲霉菌(代謝產(chǎn)物洛伐他汀)和地中海諾卡菌1747-64孢子(代謝產(chǎn)物康樂霉素C)進(jìn)行太空誘變實(shí)驗(yàn)，航天飛行歷時(shí)近7 d。紅曲霉菌經(jīng)過篩選后從484株菌株中獲得233株洛伐他汀含量高于地面對照的菌株，進(jìn)一步的重復(fù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)后最終獲得了11株洛伐他汀高產(chǎn)性狀穩(wěn)定的菌株[14]。同時(shí)搭載的5株地中海諾卡菌1747-64孢子經(jīng)過太空誘變、篩選后獲得了1株康樂霉素C高產(chǎn)突變菌株，其產(chǎn)量達(dá)到起始菌株的200%[15]。2011年11月1日神舟8號(hào)飛船搭載表達(dá)重組人干擾素α1b的基因工程細(xì)菌進(jìn)行了近17 d的航天飛行，經(jīng)過系列篩選并與原生菌株進(jìn)行定量對比后，最終獲得了5例高產(chǎn)菌株[16]。作者認(rèn)為，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，太空環(huán)境對于微生物誘變篩選具有獨(dú)特作用，能夠誘導(dǎo)基因突變，從而獲得高表達(dá)目標(biāo)蛋白質(zhì)的突變菌株。

4 小結(jié)

隨著人類對太空的探索活動(dòng)逐漸增多，越來越多的研究證實(shí)，微生物能夠在太空環(huán)境(具有低重力、強(qiáng)輻射等特性)中存活并進(jìn)行次級(jí)代謝。大量航天飛行實(shí)驗(yàn)和地面模擬實(shí)驗(yàn)顯示，航天飛行或者模擬微重力會(huì)影響微生物的次級(jí)代謝。這些研究中，航天飛行或模擬微重力對微生物次級(jí)代謝的作用結(jié)果和影響趨勢不盡相同，缺乏相對一致的表現(xiàn)。一方面，由于模擬微重力與真正的太空微重力不同，對微生物而言，航天飛行還具有強(qiáng)電離輻射等微重力以外的其他影響因素，這是不同類型實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致的重要原因。不同的研究選用了不同的微生物菌株，不同菌株的內(nèi)在生物學(xué)特性差異也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異[17]。另一方面，微重力或模擬微重力對次級(jí)代謝的影響，是通過影響微生物外部微環(huán)境流體力學(xué)和代謝元素轉(zhuǎn)運(yùn)間接實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)驗(yàn)采用的培養(yǎng)基必然會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表現(xiàn)[4,5]。微重力或模擬微重力引起的微環(huán)境改變，還通過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)一步影響微生物代謝反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[7]，而這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程在不同菌株或培養(yǎng)條件下也各不相同?？傊?，不同的航天飛行或模擬微重力條件下微生物次級(jí)代謝研究之間的結(jié)果差異，可能與實(shí)驗(yàn)類型、菌株、培養(yǎng)基、代謝通路的差異有關(guān)。

目前，太空微重力和模擬微重力影響微生物次級(jí)代謝的作用機(jī)制尚不完全清楚，太空微生物育種制藥仍處于無法控制誘變方向、“被動(dòng)”篩選的階段。今后的研究應(yīng)注意控制和區(qū)分實(shí)驗(yàn)當(dāng)中微生物細(xì)胞外環(huán)境影響，探索次級(jí)代謝表型變化背后的分子生物學(xué)機(jī)制和太空誘變高產(chǎn)菌株的作用通路，通過高通量平臺(tái)進(jìn)行太空制藥菌株篩選[18]。