于晴，黃婷婷，鄧子新

（上海交通大學(xué)微生物代謝國家重點實驗室，上海 200240）

一、前言

微生物是地球上最龐大的物種資源和基因資源庫，微生物在其生命活動過程中產(chǎn)生的生理活性物質(zhì)及其衍生物形成的代謝產(chǎn)物庫在醫(yī)療健康領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。人類利用微生物及其代謝產(chǎn)物治療疾病已有數(shù)千年歷史。1929年青霉素的發(fā)現(xiàn)是微生物藥物發(fā)現(xiàn)的歷史性突破，伴隨著青霉素的商業(yè)化開啟了天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)的黃金期，也極大地改變了天然產(chǎn)物的研究方向。因其巨大的生物多樣性、獨特的結(jié)構(gòu)及其可變性、相應(yīng)的生物活性和可用性，微生物來源的商用藥物數(shù)量遠(yuǎn)超過植物等其他來源 [1,2] 。近一半的暢銷藥物是天然產(chǎn)品或其衍生物，充分證明了微生物藥物在治療疾病、開發(fā)藥物等方面的重要性[3]。

然而近年來日益嚴(yán)重的病原生物抗藥性、新型疾病的發(fā)生、節(jié)能減排、高產(chǎn)需求等，都迫切地呼喚新藥物、新機(jī)理、新菌株、新工藝等藥物創(chuàng)新和高效制造。20世紀(jì)90年代以來，合成生物學(xué)、組學(xué)等學(xué)科技術(shù)的飛速發(fā)展推動微生物藥物產(chǎn)業(yè)進(jìn)入嶄新階段。

從微生物藥物產(chǎn)業(yè)鏈來看，基因工程和組學(xué)技術(shù)對微生物菌種的系統(tǒng)性改造，生物信息學(xué)、合成生物學(xué)等技術(shù)方法助力新藥的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)以及復(fù)雜藥物的高效創(chuàng)制，有助于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的源頭創(chuàng)新；發(fā)酵工藝的改進(jìn)和新工藝的應(yīng)用可實現(xiàn)微生物藥物產(chǎn)業(yè)下游的產(chǎn)能提升。目前，我國已具備較為完整的微生物藥物產(chǎn)業(yè)鏈，也擁有一批規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)集團(tuán)和基地。本文將在梳理分析我國微生物藥物產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，展望微生物藥物技術(shù)的發(fā)展趨勢，在加強重大科學(xué)裝置、合理前沿布局、強化人才培育和儲備、優(yōu)化資金保障和政策激勵方面提出建議，期望有助于我國未來微生物藥物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和布局。

二、微生物藥物產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

（一）我國微生物藥物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程

我國是微生物制藥生產(chǎn)大國，產(chǎn)品以抗生素類藥物、特別是原料藥為主，總體而言產(chǎn)業(yè)處于全球價值鏈低端，在國際上處于追趕狀態(tài)。“十一五”期間，國家將生物產(chǎn)業(yè)提升到產(chǎn)業(yè)立國的高度，國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部先后批準(zhǔn)建立國家生物產(chǎn)業(yè)基地和火炬計劃特色生物產(chǎn)業(yè)基地近40 個，微生物藥物產(chǎn)業(yè)進(jìn)入加速發(fā)展階段。在政策的連續(xù)支持和引導(dǎo)下，到2010年，形成了以長江三角洲、環(huán)渤海地區(qū)為發(fā)展核心，珠江三角洲、東北等區(qū)域集聚的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)空間格局 [4] 。“十二五”期間，生物產(chǎn)業(yè)被確立為國家第三大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。各省市分別推進(jìn)出臺支持生物產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的相關(guān)政策，如《關(guān)于促進(jìn)上海生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策規(guī)定》《廣州市生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)資金管理暫行辦法》等。在多種藥物在華專利相繼過期的背景下，政策紅利持續(xù)體現(xiàn)，我國微生物藥物產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，基本形成環(huán)渤海、長江三角洲、粵港澳大灣區(qū)等三個大型生物醫(yī)藥集聚區(qū)。其中，長江三角洲地區(qū)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力突出，國際交流程度高，擁有最多的跨國生物醫(yī)藥企業(yè)。環(huán)渤海地區(qū)教育和臨床資源豐富，產(chǎn)業(yè)人力資源儲備充足，產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)優(yōu)勢較強?；浉郯拇鬄硡^(qū)市場體系成熟，流通體系發(fā)達(dá)，三地聯(lián)通，對外輻射能力較強。同時，東北，中部地區(qū)的河南、湖北，西部地區(qū)的四川等地在龍頭企業(yè)的帶領(lǐng)下也形成了區(qū)域特色快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局[5] 。

（二）抗感染類藥物是我國市場銷售主體，增長平穩(wěn)持續(xù)

根據(jù)藥物綜合數(shù)據(jù)庫（PDB）顯示，我國抗生素總產(chǎn)量世界第一，在青霉素、鏈霉素和四環(huán)素等原料藥生產(chǎn)上擁有絕對優(yōu)勢，新品種研發(fā)能力不斷提高，已在數(shù)十個產(chǎn)品上打破了歐美技術(shù)和市場壟斷，百余品種實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，形成了一批規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)集團(tuán)和完整的產(chǎn)業(yè)鏈。行業(yè)在經(jīng)歷了一個低谷期后，作為醫(yī)藥市場的重點產(chǎn)品，剛性需求巨大，國內(nèi)市場疊加國外市場，仍將推動抗生素市場規(guī)模持續(xù)增長。

1. β-內(nèi)酰胺類

抗生素市場中β-內(nèi)酰胺類份額最大，既包括原料藥，也包括中間體，其中頭孢菌素和青霉素類分別占世界抗生素市場的25%和20%。20世紀(jì)80年代，我國青霉素工業(yè)快速發(fā)展，后因產(chǎn)能過剩進(jìn)入低谷。近10年來，頭孢類抗生素成為抗感染藥物的主力品種，發(fā)展十分迅速，頭孢孟多酯、頭孢呋辛鈉等新品種層出不窮，30余個頭孢品種成為臨床常用藥。7-氨基頭孢烷酸（7-ACA）、6-氨基青霉烷酸（6-APA）和7-氨基去乙酰氧基頭孢烷酸（7-ADCA）等作為頭孢類藥物阿莫西林的核心中間體，也是當(dāng)今國際抗生素市場的主角?？傮w來看，行業(yè)產(chǎn)能過剩較為嚴(yán)重，行業(yè)壁壘逐漸增高，“限抗”“限排”政策促進(jìn)產(chǎn)能出清，龍頭企業(yè)規(guī)模優(yōu)勢凸顯，并正向下游發(fā)展。主要生產(chǎn)企業(yè)有健康元藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司、石藥控股集團(tuán)有限公司、聯(lián)邦制藥國際控股有限公司等。

2. 氨基糖苷類

氨基糖苷類抗生素是最早開發(fā)上市的抗生素之一，是作為治療革蘭氏陰性菌導(dǎo)致的嚴(yán)重感染的首選藥物，在臨床中有著不可替代的作用，如能有效抑制結(jié)核菌繁殖的鏈霉素，20世紀(jì)50年代初上市后很快就成為國際醫(yī)藥市場的暢銷產(chǎn)品。繼鏈霉素及其衍生物之后，慶大霉素、新霉素、核糖霉素、卡那霉素、奈替米星、紫蘇霉素、巴龍霉素以及我國自主開發(fā)的小諾霉素和依替米星等近20種氨基糖苷類產(chǎn)品相繼開發(fā)上市，使氨基糖苷類成為抗生素家族成員最多的一類產(chǎn)品，但不可逆的耳腎毒性和日益嚴(yán)重的耐藥性極大地限制了該類抗生素的應(yīng)用和推廣。為了進(jìn)一步拓展氨基糖苷類抗生素的臨床應(yīng)用，尋找抗耐藥、低毒性的衍生物已成為氨基糖苷類開發(fā)的重點[6] 。國內(nèi)主要企業(yè)有三峽制藥有限公司、只楚藥業(yè)有限公司、華北制藥股份有限公司、長征藥業(yè)股份有限公司等。

3. 大環(huán)內(nèi)酯類

大環(huán)內(nèi)酯類目前主要有三代，第一代有紅霉素及其酯類衍生物，第二代有阿奇霉素、克拉霉素和羅紅霉素等，使用范圍廣，耐藥性逐漸顯現(xiàn)，第三代有泰利霉素、喹紅霉素等，毒性作用偏大。我國是半合成紅霉素原料藥的世界最大生產(chǎn)國和出口國，由于該類藥物缺乏新品的支撐，也受其他抗菌藥物市場的不斷沖擊，近幾年國際需求幾近飽和。但大環(huán)內(nèi)酯類藥物在慢性呼吸疾病的抗菌治療中仍有重要價值[7] 。

4. 四環(huán)素類

四環(huán)素類抗生素是一類具有菲烷母核的廣譜抗生素，廣泛應(yīng)用于細(xì)菌、支原體、衣原體和立克次氏體引起的感染[8] 。我國是全球最大的四環(huán)素生產(chǎn)國和主要出口國，萬得（Wind）數(shù)據(jù)庫顯示，每年我國四環(huán)素衍生物及其鹽國內(nèi)供大于求，產(chǎn)量60%以上出口海外市場。隨著耐藥菌的不斷出現(xiàn)、四環(huán)素牙等不良反應(yīng)和新型抗生素的誕生，四環(huán)素類藥物一度淡出臨床應(yīng)用。歐美對我國該類產(chǎn)品的進(jìn)口需求雖大，實際用于產(chǎn)業(yè)鏈低端，被大量用作動物生長促進(jìn)劑。2001—2003年，歐盟“禁止抗生素作為飼料添加劑”的法令出臺，對我國藥企出口造成了巨大影響。2005年輝瑞等公司研發(fā)了第三代四環(huán)素替加環(huán)素、依拉環(huán)素等新的暢銷藥品，帶動了我國四環(huán)素原料藥新一輪出口熱。經(jīng)過幾輪波動，我國的萬噸級四環(huán)素發(fā)酵基地主要位于西部地區(qū)，代表企業(yè)有寧夏啟元藥業(yè)有限公司、華北制藥股份有限公司、四川制藥股份有限公司等。而江蘇、浙江等東部省市曾經(jīng)盛行的四環(huán)素生產(chǎn)線早已改產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價值更高的藥品。

5. 林可酰胺類

林可酰胺類抗生素目前種類較少，主要包括林可霉素、天青素以及克林霉素等半合成抗生素。我國從20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模生產(chǎn)林可霉素，在菌種多年選育和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，產(chǎn)量大幅提高，目前已超過7 g/L [9] 。林可霉素市場需求量持續(xù)保持在一個較高水平上，且近年市場發(fā)展迅速，年均增長約為10%，價格也持續(xù)上漲，國內(nèi)由四家生產(chǎn)企業(yè)主導(dǎo)，其中河南南陽普康居于全球龍頭，另有天方藥業(yè)有限公司、海翔藥業(yè)股份有限公司（收購）等。目前，林可霉素國內(nèi)的生產(chǎn)水平約在6500~ 7500 U/mL，而國外已達(dá)10 000 U/mL左右，差距巨大，因此，為增強林可霉素的國際市場競爭力，提高產(chǎn)量等問題亟需解決[10] 。

（三）抗腫瘤類藥物市場穩(wěn)定增長，新產(chǎn)品異軍突起

腫瘤是我國乃至全球范圍內(nèi)導(dǎo)致人類死亡的重要疾病之一，尋找有效的抗腫瘤藥物和治療方法一直是研究熱點。2018年全球抗腫瘤藥物市場規(guī)模為1520億美元，前五年復(fù)合增長率為7.96%，雖然相比于前十年年均15%以上的速度有所減緩，但仍然顯著高于全球藥物市場的平均增長率。在我國腫瘤藥市場中，近半數(shù)市場被進(jìn)口藥瓜分。實施抗癌藥物零關(guān)稅，加速推出國內(nèi)藥企仿制藥，加強研發(fā)自主創(chuàng)新產(chǎn)品，有利于減輕癌癥患者及家庭的治療成本，化解民生痛點。

在腫瘤治療領(lǐng)域，尋找細(xì)胞毒性改良的藥物仍然是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代抗癌藥物的一條重要路線[11] 。許多重要的商業(yè)化新藥是從天然來源或由天然化合物結(jié)構(gòu)修飾而成，或是以天然化合物為模型、經(jīng)人工設(shè)計合成的新化合物。在現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的治療癌癥的近200種小分子藥物中，約三分之一直接來源于天然產(chǎn)物或是其衍生物，包括多糖類、蒽環(huán)類、有機(jī)酸酯類、萜類、生物堿類、大環(huán)內(nèi)酯類及烯二炔類等，多種已在臨床腫瘤治療中發(fā)揮了極其重要的作用 [2]。這些抗生素類腫瘤治療藥在腫瘤藥物市場中占有重要地位，是腫瘤治療市場中不可或缺的產(chǎn)品。近年來，隨著新型抗腫瘤藥物的陸續(xù)上市，抗腫瘤抗生素類藥物市場增速逐年降低，市場份額大幅萎縮。國內(nèi)抗生素類腫瘤治療藥物主要品種包括非核糖體肽類、芳香聚酮類、異源表達(dá)生物堿類等，如放線菌素D、博來霉素（BLM）、多柔比星（ADM）、吡柔比星（THP）、表柔比星（E-ADM）等。主要企業(yè)包括恒瑞醫(yī)藥股份有限公司、綠葉制藥有限公司、海正藥業(yè)股份有限公司等。

（四）酶抑制劑需求與市場規(guī)模同步持續(xù)增長

酶也是一類重要的藥物作用靶標(biāo)。20世紀(jì)60 年代初，梅譯濱夫提出了酶抑制劑的概念，認(rèn)為在微生物有機(jī)體內(nèi)酶及其抑制劑是共存的，拓展了新抗生素篩選的思路，引導(dǎo)了許多新篩選模型與方法的建立，開創(chuàng)了從微生物代謝產(chǎn)物中尋找其他生理活性物質(zhì)的新時代[12] 。已上市的酶抑制劑藥物主要以受體、酶、離子通道和核酸為作用靶點。微生物產(chǎn)生的酶抑制劑可來源于微生物的初級代謝或次級代謝，研究最多的是放線菌，也是產(chǎn)生微生物藥物最多的類群，其中最重要的是鏈霉菌屬；細(xì)菌、真菌也是酶抑制劑的重要藥源微生物。除了篩選分離傳統(tǒng)藥源菌外，研究人員的注意力已逐漸集中到海洋微生物、極端微生物等新類群[13] 。我國對酶抑制劑的研究起步較晚，企業(yè)生產(chǎn)以仿制藥為主，如華東醫(yī)藥的α糖苷酶抑制劑阿卡波糖等。

（五）免疫抑制劑三大品種市場穩(wěn)定增長

免疫抑制劑是對機(jī)體的免疫反應(yīng)具有抑制作用的藥物，主要用于防止器官移植中的排斥反應(yīng)和抑制某些自身免疫性疾病的進(jìn)展等。微生物酵解生產(chǎn)的主要品種有環(huán)孢菌素CsA類、他克莫司、雷帕霉素及其衍生物SDZ-RAD等。我國免疫抑制劑市場主要存在十多種藥物，以他克莫司、嗎替麥考酚酯以及環(huán)孢素為主。從總量上看，三大免疫抑制劑在最近5年持續(xù)穩(wěn)定增長，實現(xiàn)了7.95%的復(fù)合增長率，市場容量仍有提升空間。從細(xì)分藥品來看，目前三種藥品的市場均呈現(xiàn)“原研發(fā)廠商+1~2家國產(chǎn)廠商”的競爭格局，華東醫(yī)藥股份有限公司在其中處于國產(chǎn)廠商的絕對優(yōu)勢地位，占有國內(nèi)免疫抑制劑市場合計27%的市場份額，與諾華集團(tuán)、羅氏集團(tuán)、安斯泰來制藥集團(tuán)三大原研發(fā)廠商合計市場份額超過80%。

三、微生物藥物技術(shù)的發(fā)展趨勢

（一）新型發(fā)酵工藝提升微生物藥物產(chǎn)能

在工業(yè)上，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微生物藥物往往難以通過化學(xué)方法合成或不易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而利用微生物細(xì)胞工廠發(fā)酵、大量合成目標(biāo)產(chǎn)物則是一種高效經(jīng)濟(jì)的方法。發(fā)酵工藝是整個微生物藥物生產(chǎn)工藝的中心環(huán)節(jié)。

1.固定化細(xì)胞技術(shù)

在常用的液體發(fā)酵過程中，微生物細(xì)胞首先在“非合成生長期”形成抗生素合成所需的酶類，組成抗生素“生產(chǎn)線”，隨后基于酶催化反應(yīng)的可循序性，實現(xiàn)精確調(diào)控并產(chǎn)生大量的抗生素。在實際發(fā)酵過程中，存在菌株易迅速退化的問題。

在酶固定化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的固定化細(xì)胞發(fā)酵技術(shù)是消除以上不利因素的一種解決方案。所謂固定化細(xì)胞就是利用物理化學(xué)等因素將細(xì)胞限制在一定的空間界限內(nèi)，細(xì)胞保留催化活性并能在較長時間內(nèi)被反復(fù)或者連續(xù)使用，在抗生素生產(chǎn)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，特別適用于高效生產(chǎn)分泌到培養(yǎng)液中的抗生素。與傳統(tǒng)液體發(fā)酵相比，固定化細(xì)胞技術(shù)有許多優(yōu)點，如可使用柱式生物反應(yīng)器連續(xù)性流動發(fā)酵、可利用固定化材料增加細(xì)胞密度、控制微生物細(xì)胞的非合成生長期和密度、不需要額外添加酶反應(yīng)輔因子等，從而降低成本、提高產(chǎn)量 [14~16]。

目前，已經(jīng)成功利用固定化細(xì)胞技術(shù)生產(chǎn)的微生物藥物有青霉素G、頭孢菌素C、氨卞青霉素、桿菌肽、頭霉素、殺念菌素和達(dá)托霉素等抗生素 [17]。如乳酸鏈球菌肽（Nisin）是由乳酸鏈球菌生產(chǎn)的具有重要經(jīng)濟(jì)意義的多肽類抗生素，具有抑制革蘭氏陽性菌的活性，被作為食品添加劑廣泛使用。以玉米漿和酵母提取物為培養(yǎng)基的傳統(tǒng)液體發(fā)酵，進(jìn)入發(fā)酵后期，培養(yǎng)基呈酸性，Nisin釋放到胞外的過程受到明顯抑制，導(dǎo)致后續(xù)合成近乎停滯。利用聚丙烯酰胺、瓊脂、凝膠、多聚糖等載體固定乳酸鏈球菌細(xì)胞，可以使發(fā)酵液連續(xù)流動，避免了酸性環(huán)境對菌株的抑制，大大延長細(xì)胞的半衰期，保持了單細(xì)胞活力，實現(xiàn)了產(chǎn)量的大幅提升。

固定化細(xì)胞技術(shù)具有潛力，但也存在自身瓶頸，還需提高發(fā)酵過程中物質(zhì)的傳遞效率、改良固定化方式、優(yōu)化載體、提高產(chǎn)品提取效率等。另外，雖然該技術(shù)成功案例很多，但是真正公布全部技術(shù)細(xì)節(jié)的很少，相關(guān)生產(chǎn)工藝被牢牢控制在國外幾家知名企業(yè)手中，難以被復(fù)制，因此需要加強基礎(chǔ)研究，自主開發(fā)先進(jìn)的固定化細(xì)胞技術(shù)工藝，打破技術(shù)壁壘，推動我國微生物藥物生產(chǎn)提高到國際先進(jìn)水平。

2. 連續(xù)發(fā)酵新型工藝

分批發(fā)酵是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中大多數(shù)產(chǎn)品采用的方式。在分批發(fā)酵過程中，微生物的生長速度隨時間而發(fā)生規(guī)律性變化，但隨著發(fā)酵時間延長，營養(yǎng)成分不斷減少，菌種老化和代謝產(chǎn)物受抑制等問題嚴(yán)重。連續(xù)發(fā)酵是在一個開放的系統(tǒng)內(nèi)，以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)連續(xù)供給新鮮培養(yǎng)基的同時，將含有微生物和代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)液以相同的速度從發(fā)酵罐內(nèi)放出，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，培養(yǎng)物在相對恒定的狀態(tài)下生長和代謝。

定量代謝組學(xué)可用定量描述生命體系的數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜的動力學(xué)行為，實現(xiàn)對系統(tǒng)的預(yù)測、設(shè)計以及優(yōu)化，將其與連續(xù)發(fā)酵工藝相結(jié)合，能實現(xiàn)自動控制各參數(shù)維持在一定水平，保持低基質(zhì)濃度，有利于提高設(shè)備的利用率和單位時間的產(chǎn)量，優(yōu)化工業(yè)發(fā)酵過程，實現(xiàn)數(shù)字化、高效化控制[18]。多維度的優(yōu)化理論已經(jīng)成功用于青霉素、紅霉素、氯四環(huán)素、重組人血清蛋白和瘧疾疫苗等工業(yè)生物過程的優(yōu)化與放大。Douma等人在以葡萄糖為限制性碳源的恒化培養(yǎng)過程中，發(fā)現(xiàn)青霉素的合成能力與異青霉素N合成酶的活性呈較好的線性關(guān)系，由此建立了基因表達(dá)調(diào)控模型，成功地描述了補料分批發(fā)酵過程青霉素的合成與比生長速率的動態(tài)關(guān)系，不足之處在于沒有涉及胞內(nèi)氨基酸、磷酸糖、糖醇等組分和能量代謝動力學(xué)信息[19]。

發(fā)酵過程中代謝物濃度變化時間在幾十秒甚至秒級，需要快速取樣與高效可靠分析，獲得某個時刻真實可靠的代謝物濃度信息。代謝組學(xué)技術(shù)能夠準(zhǔn)確提供生物體系應(yīng)對基因或者環(huán)境擾動的反饋信息。因此，與發(fā)酵工藝串聯(lián)的開發(fā)快速取樣和代謝產(chǎn)物檢測裝置，可減少或者避免樣品處理過程中的變化，以快速抽濾和濾餅沖洗取代傳統(tǒng)的離心分離也可減少和避免胞內(nèi)代謝物的滲漏，有效減少損失 [20,21]。

（二）基因工程及組學(xué)技術(shù)系統(tǒng)性改造微生物

現(xiàn)代基因工程與基因組學(xué)引領(lǐng)的多組學(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用極大地促進(jìn)了微生物藥物及其先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)和研究，有望顯著縮短藥物發(fā)現(xiàn)和前期開發(fā)時間，降低藥物研發(fā)和生產(chǎn)成本。對微生物 “細(xì)胞工廠”中天然產(chǎn)物代謝途徑進(jìn)行調(diào)控，不僅可以合成新型復(fù)雜化合物，也可以生產(chǎn)植物或其他來源的活性化合物。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院與沈陽同聯(lián)集團(tuán)合作，在螺旋霉素產(chǎn)生菌中整合有異源?；富?，共同開發(fā)出國家一類新藥可利霉素，2019年6月獲批上市，是國內(nèi)外唯一一個實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的利用基因工程技術(shù)獲得的“雜合抗生素”。

機(jī)器學(xué)習(xí)也促進(jìn)了高通量微生物組的性能提升。2020年合成生物學(xué)初創(chuàng)公司Zymergen公開了高通量（HTP）微生物基因組工程平臺，基于計算機(jī)軟件算法驅(qū)動，集成了分子生物學(xué)、自動化以及先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)流程，通過短時間內(nèi)構(gòu)建大量不同基因型的菌株，測試產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化機(jī)器學(xué)習(xí)，并依靠多次迭代學(xué)習(xí)加以分析從而構(gòu)成完善的HTP遺傳設(shè)計庫。該平臺具有任意宿主的兼容性，因此適用于調(diào)節(jié)、改善任意微生物宿主性能。

發(fā)酵產(chǎn)率是微生物藥物研究和開發(fā)的一個主要挑戰(zhàn)。常規(guī)的工業(yè)高產(chǎn)菌種選育采用反復(fù)誘變加篩選，逐步提高菌株的發(fā)酵效價。微生物基因組改組通過突變基因加基因重組，篩選并積累有益突變的組合，實現(xiàn)定向進(jìn)化，加速經(jīng)典的菌株改良進(jìn)程。另外，通過基因工程系統(tǒng)性地改造微生物菌株，還可以改善前體和輔因子供應(yīng)、消除競爭途徑、增強產(chǎn)物外排和自身抗性。代謝組學(xué)技術(shù)可以檢測中間體積累和底物供應(yīng)狀態(tài)，分析借鑒工業(yè)高產(chǎn)菌株的基因組、蛋白組、全基因組轉(zhuǎn)座誘變等數(shù)據(jù)，為菌株改良提供靶標(biāo)基因。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，代謝產(chǎn)物/中間體人工生物傳感器、自主可控調(diào)控體系的設(shè)計應(yīng)用將為高產(chǎn)育種提供新的方法和技術(shù) [22]。然而，細(xì)胞內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，人工改造易對系統(tǒng)產(chǎn)生不利或未知影響，也可能導(dǎo)致細(xì)胞活性降低甚至喪失，因此對于代謝網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知還需要進(jìn)一步深入。

（三）生物反應(yīng)預(yù)測及設(shè)計實現(xiàn)新結(jié)構(gòu)發(fā)掘

通過生物信息學(xué)對生物反應(yīng)的預(yù)測，可以為新結(jié)構(gòu)代謝產(chǎn)物的高通量和高效發(fā)掘提供便捷。放線菌強大的天然產(chǎn)物生物合成能力，蘊藏于基因簇中，首個全基因組測序的放線菌天藍(lán)色鏈霉菌是菌株包含超過20個潛在的次生代謝物生物合成基因簇，阿維鏈霉菌、灰色鏈霉菌和卡特利鏈霉菌等基因組都超過了30個[23] 。Kelleher等開發(fā)基因簇全局家族分類法（GCF），將已知小分子與潛在的生物合成基因簇相關(guān)聯(lián)，利用大型生物信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了新的天然產(chǎn)物從無到有的發(fā)現(xiàn)[24] 。與鏈霉菌次生代謝物及其合成相關(guān)的生物信息學(xué)資源也大量涌現(xiàn)。例如，在線分析工具antiSMASH能夠快速預(yù)測非核糖體肽類（NRPS）、聚酮類（PKS）、多糖類、細(xì)菌素類、萜類等多種典型次級代謝生物合成基因簇，現(xiàn)已更新至5.0版本[25]。ClusterMine360數(shù)據(jù)庫則系統(tǒng)地收錄了200多個PKS/NRPS生物合成基因簇和185個化合物家族。DoBISCUIT數(shù)據(jù)庫側(cè)重于維護(hù)微生物PKS基因簇的人工校正。此外，BAGEL2工具可分析多種類型的細(xì)菌素[26]。

（四）合成生物學(xué)助力復(fù)雜化合物微生物合成

合成生物學(xué)綜合酶工程、生物催化、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等多學(xué)科技術(shù)手段，對生物合成途徑進(jìn)行升級或再設(shè)計，發(fā)展出針對不同骨架或結(jié)構(gòu)單元的生物合成與編輯策略，可對藥物合成途徑進(jìn)行分析和設(shè)計，對微生物體系進(jìn)行遺傳改造和構(gòu)建優(yōu)化，賦予人工生物體系新的內(nèi)涵和功能，實現(xiàn)藥物的深度開發(fā)和高效生產(chǎn)。

1.沉默基因簇激活

在充分認(rèn)識藥物的生物合成基因簇及其合成途徑的基礎(chǔ)上，通過對合成基因簇的改造，有望激活微生物內(nèi)大量具有合成潛力但未表達(dá)的沉默基因簇，也能夠產(chǎn)生大量具有重要應(yīng)用前景的生物活性物質(zhì)。暨南大學(xué)將推測合成煙曲霉酸的基因簇中的9 個基因?qū)朊浊筃SAR1中，并在終產(chǎn)物中檢測到煙曲霉酸，通過生物合成途徑擴(kuò)大夫西地酸類抗生素的結(jié)構(gòu)多樣性[27]。

2.生物元件的優(yōu)化和構(gòu)建

通過缺失、替換微生物細(xì)胞中PKS或NRPS的結(jié)構(gòu)域，可以改變底物識別和催化特性，加上前體喂養(yǎng)，組合生物合成可產(chǎn)生許多新的衍生物分子，改善藥物的水溶性、治療指數(shù)等。Kosan公司利用PKS模塊的取代置換制備紅霉素、格爾德霉素和埃博霉素的類似物，得到新的微管穩(wěn)定劑和Hsp90抑制劑。達(dá)托霉素是由NRPS在玫瑰鏈霉菌中產(chǎn)生的環(huán)脂肽，對耐甲氧西林的金黃色葡萄球菌（MRSA）具有殺菌作用，Cubist公司通過交換NRPS模塊組建的生物合成途徑，產(chǎn)生了近百種新型達(dá)托霉素衍生物。組合生物合成的一個瓶頸是，新途徑的催化效率往往顯著低于野生型途徑，關(guān)鍵酶的定向進(jìn)化有望提高組合途徑的適配性和效率[28]。

3.植物源或動物源藥物的微生物合成

微生物發(fā)酵平臺為許多植物源性藥物的生產(chǎn)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效和可持續(xù)的植物培養(yǎng)和化學(xué)合成替代品。近年來，越來越多的研究采用了合成生物學(xué)技術(shù)，青蒿素、紫杉醇、丹參酮、β-胡蘿卜素、紅景天苷等植物源藥物及其前體得以在微生物中表達(dá)，為生產(chǎn)來源稀缺的天然藥用物質(zhì)提供了一種行之有效的方法和途徑[29,30]。

抗瘧疾藥物青蒿素的商業(yè)化微生物生產(chǎn)是合成生物學(xué)重要的標(biāo)志性成果。2003年Keasling團(tuán)隊首次在大腸桿菌中重構(gòu)了青蒿素前體青蒿酸的合成途徑[31]，并將青蒿酸的產(chǎn)量提高了300倍，后在釀酒酵母構(gòu)建了青蒿素前體青蒿酸的高效合成途徑，為更可控和更高效的青蒿素藥物供給提供了現(xiàn)代工業(yè)的途徑。植物生物堿，特別是芐基異喹啉類生物堿和單萜吲哚類生物堿類化合物，由于其藥用價值已成為微生物生物合成的誘人目標(biāo)，其合成途徑已經(jīng)在大腸桿菌和酵母中成功組裝表達(dá)[32]。

異喹啉生物堿和吲哚生物堿具有顯著的抗腫瘤活性。在一定程度上可以利用微生物轉(zhuǎn)化模擬藥物在動物體內(nèi)的代謝。第一個現(xiàn)代海洋藥物曲貝替定（Et-743）來自被囊動物紅樹海鞘，天然獲得非常困難，目前則實現(xiàn)了由熒光假單孢菌發(fā)酵前體經(jīng)半合成而大量獲得[33]。

（五）基因編輯推動微生物代謝途徑的精準(zhǔn)改造

在微生物體系中，次級代謝產(chǎn)物是由不同的小分子前體經(jīng)順序協(xié)作的酶催化形成，參與合成的基因通常成簇存在，由骨架結(jié)構(gòu)基因、修飾基因以及調(diào)控基因組成代謝網(wǎng)絡(luò)。對基因簇的精準(zhǔn)編輯可以實現(xiàn)合成途徑改造、表達(dá)精確調(diào)節(jié)、副產(chǎn)物降低、目標(biāo)化合物增產(chǎn)等。

針對結(jié)構(gòu)基因的微生物代謝途徑精準(zhǔn)化改造已有很多成功的實例。例如，改變抗腫瘤抗生素柔紅霉素糖基4位羥基的構(gòu)型，獲得毒副作用較低的化療藥物表柔紅霉素；改變抗腫瘤抗生素小盤酰氨（來源于海洋微生物）前體肽氨基酸的組成，利用原修飾酶體系合成了與臨床上使用的抗凝血劑依替巴肽類似的新型環(huán)肽類抗生素。

這些研究繞開復(fù)雜結(jié)構(gòu)類似物化學(xué)合成難或工藝低效的問題，充分體現(xiàn)了基于理性設(shè)計的基因編輯在新藥發(fā)現(xiàn)和發(fā)展方面的巨大潛力。值得關(guān)注的是，基因編輯技術(shù)，尤其是CRISPR/Cas9相關(guān)的核心專利基本都掌握在歐美等發(fā)達(dá)國家手中，我國如在微生物藥物領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還需要開發(fā)具有獨立自主產(chǎn)權(quán)的新型核心技術(shù)[34]。

（六）高通量篩選提高創(chuàng)新藥物的研發(fā)效率

建立高通量篩選方法和技術(shù)平臺，從數(shù)以萬計的菌株突變體庫中快速獲得性能優(yōu)越的目標(biāo)菌株，在微生物藥物產(chǎn)生菌的快速進(jìn)化、特別是工業(yè)菌株篩選過程中尤為重要。

1.工業(yè)高產(chǎn)菌株篩選

微生物基因組中編碼小分子天然產(chǎn)物（次級代謝產(chǎn)物）生物合成的基因成簇排列，易于識別，可用于預(yù)測某個或某類微生物中天然產(chǎn)物生物合成的多樣性、新穎性；還可以根據(jù)特定的生物合成酶預(yù)測含有特定化學(xué)結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物，實現(xiàn)定向挖掘?；蚪M挖掘已成為小分子天然產(chǎn)物藥物發(fā)現(xiàn)的替代過程?？拱┗钚蕴烊划a(chǎn)物萊那霉素家族通過此技術(shù)發(fā)現(xiàn)了藥物新成員。

基因簇異源表達(dá)是另一種有效的天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)平臺技術(shù)。采用細(xì)菌人工染色體、Gibson組裝、轉(zhuǎn)化輔助重組、或ExoCET直接克隆等大片段基因簇捕捉技術(shù)，將完整的合成途徑克隆到系統(tǒng)性改良的微生物宿主實現(xiàn)高產(chǎn)表達(dá)，通過高通量異源表達(dá)，可進(jìn)行新化合物的分離純化和后期開發(fā)。如利用基于活性篩選的基因組挖掘方法Library expression analysis system（LEXAS）平臺技術(shù)獲得一個新型羊毛硫抗菌肽雷克肽[35]。

利用生物傳感器構(gòu)建高通量的篩選技術(shù)，通過微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)或者核糖核酸（RNA），特異性識別并響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)特定物質(zhì)，產(chǎn)生特性的信號輸出，再通過信號輸出的強弱與目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行可靠的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)物的定量檢測。液滴微流控技術(shù)的高通量篩選平臺具有良好的單細(xì)胞分離性能，可以用于單細(xì)胞培養(yǎng)、蛋白表達(dá)分析、代謝物檢測和多組學(xué)分析，可以實現(xiàn)更高通量和精度的篩選。微生物細(xì)胞生長的高通量表型篩選技術(shù)，一般是使用營養(yǎng)缺陷型菌株作為報告系統(tǒng)，可用于代謝物高產(chǎn)菌株或特定酶的篩選。

2.微生物藥物源頭的創(chuàng)新篩選

經(jīng)典的小分子藥物研發(fā)流程緩慢，主要挑戰(zhàn)是生產(chǎn)效價低、重復(fù)發(fā)現(xiàn)率高、新產(chǎn)物分離困難等。高通量技術(shù)在微生物藥物中的創(chuàng)新應(yīng)用，大大提升了新藥發(fā)現(xiàn)與制造的效率。利用高靈敏度的分離技術(shù)和高通量的活性篩選模型，可以從次級代謝產(chǎn)物中篩選到抗生素、酶抑制劑、免疫調(diào)節(jié)劑等多種候選藥物。小分子次級代謝產(chǎn)物作為先導(dǎo)化合物加以修飾，有助實現(xiàn)藥物分子的結(jié)構(gòu)衍生和具有臨床應(yīng)用價值藥物的高效制造。

目前，隨著人工智能技術(shù)在微生物領(lǐng)域的發(fā)展以及人類對于微生物各功能體系認(rèn)識的深入，以優(yōu)質(zhì)的微生物資源共享平臺為依托，建立多樣化高通量的微生物藥物篩選技術(shù)，不僅可以推動微生物藥物的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)效率，而且可以為微生物藥物的高效綠色智能制造奠定堅實的基礎(chǔ)。

四、微生物藥物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

（一）微生物藥物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇

我國微生物藥物資源豐富，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，市場潛力巨大，在國家扶持力度逐漸增大的背景下，無疑為產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展創(chuàng)造了一種良好的外部環(huán)境。新型疾病不斷涌現(xiàn)且環(huán)境問題日益突出，新型藥物創(chuàng)制和高效綠色生產(chǎn)依然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。豐富的微生物資源、微生物藥物創(chuàng)制、微生物制品為基礎(chǔ)的診斷技術(shù)都使微生物在生物醫(yī)藥領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

特別是在“雙循環(huán)”經(jīng)濟(jì)格局下，強調(diào)以國內(nèi)大循環(huán)為主體，龐大的醫(yī)藥內(nèi)需市場需要有大而高質(zhì)量的產(chǎn)業(yè)供給與其匹配。生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)支柱產(chǎn)業(yè)正在逐步吸納各項優(yōu)質(zhì)資源，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，自主創(chuàng)新能力日趨增強；新型資本活躍，加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重構(gòu)；利好政策不斷出臺，推動行業(yè)加速變革。微生物藥物產(chǎn)業(yè)將迎來重大發(fā)展機(jī)遇。

（二）微生物藥物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)

1. 新型病毒和疾病對人類健康帶來巨大威脅

自人類1898年首次發(fā)現(xiàn)病毒以來，已發(fā)現(xiàn)病毒的種類達(dá)4000多種，正在肆虐全球的新型冠狀病毒更是持續(xù)給全人類帶來重大的生命和財產(chǎn)損失。世界衛(wèi)生組織表示，這是一個面臨傳染病威脅的時代，沒有一個國家可以獨善其身。對病原體和傳染病的研究要不斷跟進(jìn)，應(yīng)對公共危機(jī)的疫苗和藥物的研發(fā)更是刻不容緩，這就凸顯構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺的重要作用。

2. 國際發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體對數(shù)據(jù)庫等資源的標(biāo)準(zhǔn)制定和掌控封鎖是潛在的重大危機(jī)

當(dāng)前生物醫(yī)藥科學(xué)領(lǐng)域主要數(shù)據(jù)資源包括美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI）、歐洲生物信息研究所（EBI）、日本DNA數(shù)據(jù)庫（DDBJ）。這些數(shù)據(jù)庫和生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)大多建于20世紀(jì)八九十年代，近年來歐美等國家和地區(qū)又啟動了新的生命大數(shù)據(jù)中心建設(shè)，從國家安全戰(zhàn)略層面提升生物醫(yī)學(xué)信息管控和生命大數(shù)據(jù)利用能力[36] 。我國一方面因?qū)倩蚪M、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)信息外漏帶來潛在風(fēng)險，另一方面面臨數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定及未來掌控數(shù)據(jù)應(yīng)用權(quán)限的話語權(quán)危機(jī)。

3. “逆全球化”背景下的產(chǎn)業(yè)鏈重塑風(fēng)險加大

在重大公共衛(wèi)生事件下，醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重要性凸顯。歐美已經(jīng)開始反思產(chǎn)業(yè)失衡的影響，美國、法國均提出將醫(yī)療供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)回本國。考慮抗生素在醫(yī)療體系發(fā)達(dá)國家中的重要作用，不能排除產(chǎn)業(yè)鏈總體回流可能。同時，中國已在去產(chǎn)能，預(yù)計在需求減緩下，行業(yè)集中度進(jìn)一步提升。因此，外向型醫(yī)藥企業(yè)在經(jīng)濟(jì)危機(jī)與逆全球化中將面臨更大的風(fēng)險與挑戰(zhàn)。

4. 科技發(fā)展與技術(shù)交流階段性“脫鉤”，發(fā)展受阻

近年來，中美“科技脫鉤”趨勢明顯，美國出臺一系列阻礙雙方人才流動，科技流通的相關(guān)政策，極大地影響了創(chuàng)新的溢出和知識的傳播。我國科技在各個方向上的交流都可能存在一定程度的障礙。只有對知識共享持開放的態(tài)度，才是在未來獲得成功的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)在微生物醫(yī)藥領(lǐng)域及時搭建一套“人才備份系統(tǒng)”。

五、對策建議

（一）統(tǒng)籌創(chuàng)新建立微生物醫(yī)藥大科學(xué)裝置

充分發(fā)揮政府在投入中的引導(dǎo)作用，增設(shè)科技支持基金。設(shè)立微生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項科技研發(fā)基金，增加科技投入，加強科技基礎(chǔ)平臺建設(shè)。組織國際領(lǐng)先的、融合型微生物相關(guān)的大科學(xué)裝置，構(gòu)建微生物菌種庫、基因和蛋白質(zhì)信息庫、生物靶標(biāo)庫、化合物庫、合成生物技術(shù)元件庫等多層級共享模式的各類資源平臺，打造資源共享服務(wù)體系，重點支持微生物菌種庫等基礎(chǔ)設(shè)施以及生物醫(yī)學(xué)資源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，建成大數(shù)據(jù)深度融合、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用深化的數(shù)據(jù)庫云平臺，具備智能分析能力的生物預(yù)測和設(shè)計能力，以大科學(xué)裝置拉動創(chuàng)新生態(tài)，實現(xiàn)微生物健康產(chǎn)業(yè)的彎道超車。

（二）加強前沿布局，搶占全球技術(shù)制高點

緊跟微生物醫(yī)藥領(lǐng)域科技前沿，孕育重大原始創(chuàng)新，匯聚國家科技力量，組織高校、科研機(jī)構(gòu)及領(lǐng)先企業(yè)研發(fā)實施重大科技研發(fā)專項。微生物天然產(chǎn)物藥效分子的源頭創(chuàng)新，圍繞微生物藥物合成功能基因挖掘、創(chuàng)新高通量菌株與代謝物分離手段、人工微生物體系設(shè)計與基因編輯、高通量生物活性評估等組織科學(xué)探索攻關(guān)，圍繞沉默基因組激活、生物大數(shù)據(jù)分析預(yù)測、單細(xì)胞圖譜等“卡脖子”技術(shù)開展聚焦攻關(guān)。

（三）加強高端人才精準(zhǔn)引育和后備人才系統(tǒng)培養(yǎng)

實施更具競爭優(yōu)勢的人才引育政策，通過人才特區(qū)專項政策和資金，為微生物藥物產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍型人才、團(tuán)隊完善保障條件，鼓勵創(chuàng)新人才實施科技成果轉(zhuǎn)化。建立和完善微生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域高級人才信息庫，大力吸引“海外智力”建立人才柔性流動機(jī)制體制，支持國家、省市級院士專家工作站，搭建產(chǎn)業(yè)人才備份系統(tǒng)。

打造更加完備的人才培養(yǎng)發(fā)展平臺，引導(dǎo)科研院校擴(kuò)大生物醫(yī)藥類本科與職業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)規(guī)模。采用“嵌入式”人才培養(yǎng)模式，通過校企共建實驗室，將人才學(xué)歷教育“嵌入”產(chǎn)業(yè)第一線，將研究生在實驗室的學(xué)習(xí)成果計入學(xué)分，加強企業(yè)博士后科研工作站建設(shè)，創(chuàng)建為企業(yè)定制高級人才的新模式。

（四）加強多元資金保障和體系化產(chǎn)業(yè)激勵政策

拓展融資渠道。整合現(xiàn)有政策資金和資金渠道，引導(dǎo)發(fā)展創(chuàng)投基金、債券基金、天使基金等，構(gòu)建多層次投資基金體系。地方政府加強對創(chuàng)新型企業(yè)開展技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)的財政配套支持，培育和扶持企業(yè)直接融資。完善風(fēng)險投資市場，鼓勵各種投資主體建立風(fēng)險投資機(jī)構(gòu)；建立補償機(jī)制，完善退出機(jī)制，鼓勵風(fēng)險投資實行靈活的產(chǎn)權(quán)流轉(zhuǎn)和交易制度。

打造更具引領(lǐng)性的國際級微生物產(chǎn)業(yè)集群。充分發(fā)揮各地方的積極性，依托現(xiàn)有生物產(chǎn)業(yè)基地、園區(qū)和集群，有步驟、有重點地推動若干生物經(jīng)濟(jì)集群建設(shè)，促進(jìn)人才、技術(shù)、資金等資源向優(yōu)勢區(qū)域集中，引導(dǎo)生物產(chǎn)業(yè)特色化、集聚化發(fā)展，使生物產(chǎn)業(yè)在地方促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮引領(lǐng)作用。