抗生素在基因工程药物生产中的应用

周伟 范杰 杨玉红 夏焕章 阚国仕 徐艳 陈红漫 王媛媛

摘要：基因工程药物在目前医药市场所占的比例越来越大。在基因工程药物生产的过程中，抗生素在某些环节起到了不可或缺的作用。本文就抗生素在基因工程药物生产中的应用进行总结。

关键词：抗生素；基因工程药物；工程细胞

基金项目：2016年沈陽农业大学教学项目“《生物技术制药》跨校修读学分课程教学模式的研究与实践”（ 2016-189），“生物工程专业创新创业教育与学生综合素质提升的研究与实践”（2016-161）；辽宁省教育厅“省级工程人才培养模式改革试点专业——生物工程”，GZ201340

中图分类号： R915 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.04.046

自20世纪80年代以来，现代生物技术的飞速发展，特别是分子克隆、基因重组以及生物工程和细胞大规模培养等关键技术的突飞猛进，已经有越来越多的生物技术药物进入临床应用，成为防病、治病药物的一个重要部分。当前生物技术药物正赶超传统化学制药，逐渐成为现代医学所依靠的重要药物来源，是当今最活跃和发展最迅速的领域。据1998年美国药学会统计，美国FDA已批准了56种生物技术医药产品上市，其中绝大多数为基因工程药物。此外，还有200多种基因工程药物正在进行临床试验，其中至少有1/5的产品将可能在今后十年内上市[1]。

基因工程药物主要是指利用重组DNA技术，将生物体内生理活性物质的基因在细菌、酵母、动物细胞或转基因动植物中大量表达生产的新型药物。基因工程药物生产的基本流程是：将目的基因用DNA重组的方法连接在载体上，然后将载体导入靶细胞（微生物、哺乳动物细胞或人体组织靶细胞），使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质提纯及做成制剂，从而成为基因工程类药物苗。在基因工程药物研究和生产的各个环节中，抗生素发挥了不可替代的作用。本文以基因工程药物研发和生产的流程为线索，探讨抗生素在基因工程药物生产中的作用。

1 基因工程菌的构建

1.1 宿主细胞的选择和培养

基因工程中基因高效表达是指外源基因在某种细胞中的转录、翻译、所有加工过程和表达活动。在外源基因表达的过程中宿主菌的选择事关重要，根据国家药典（2015版）规定，常用的宿主细胞主要由有两大类，第一类为原核细胞（大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、链霉菌等）；第二类为真核细胞（酵母、丝状真菌等）[2]。作为宿主，勿庸置疑会对外源基因的表达产生一定的影响。每一个宿主细胞都像一个微观的小工厂，按照细胞固有的程序完成“你给它们安排的生产任务”。为了解决细胞培养过程中出现的污染问题，宿主细胞本身可以具有选择标记，常用的方法如抗生素标记等。但需要注意的是，为了构建工程菌株过程中的筛选过程，要求宿主细胞与载体所携带的抗性标种类不同，便于后期双抗培养基的配置及阳性克隆的筛选[3]。

1.2 载体中抗性筛选标记

载体是指在基因工程重组DNA技术中将目的基因转移至受体细胞的一种能自我复制的DNA分子。基因工程中用于选择的筛选标记一般在载体上，在基因工程意义上来说，它是重组DNA载体的重要标记，合适的筛选标记基因及其相应的筛选剂是转基因成功的关键，供重组DNA的鉴定和选择[4]。

标记基因种类多种多样，主要包括抗性基因、颜色反应基因、代谢缺陷型互补基因和一些其他具有明显性状表型有关的基因。其中抗性基因，尤其抗生素标记基因（如抗卡那霉素基因、抗氨苄青霉素基因、抗新霉素基因），因抗生素分子更小、反应更灵敏的特点是目前最普遍使用的标记基因[5]。例如以基因克隆中普遍使用的载体pBR322为例，该载体含有两种抗生素抗性基因作为选择标记基因：氨苄青霉素抗性基因（AmpR）和四环素抗性基因（TetR），TetR基因内部含有限制酶等酶切位点。将外源DNA分子和载体构建为重组子，并转化至大肠杆菌细胞后，接种至含有氨苄青霉素的培养基。经过培养，含有载体的大肠杆菌因具有抗氨苄青霉素的表型，在培养基上可形成菌落，而不含有载体的大肠杆菌则不能生长。

2 基因工程细胞（菌株）的发酵过程

目的基因经稳定转染导入受体细胞后，需经过一系列筛选和扩增，获得稳定、高效表达的目的蛋白的工程细胞（菌）株。进行工业化大规模发酵生产时，也是外源基因高效表达目的蛋白的过程。工程细胞（菌）株大规模培养的基本条件和优化设计及控制中添加适当种类和浓度的抗生素对外源基因的高效表达至关重要。

2.1 培养工程细胞（菌株）的器皿消毒

细胞培养成功与否的关键之一是防止微生物的污染。这里除了操作者必须具有很强的无菌观念、严格按照无菌规程进行操作之外，所有培养用的器材和液体都必须进行严格的消毒灭菌处理[5]。除了物理消毒法外，常常会用到抗生素对各种培养器皿进行消毒。常用到的抗生素包括青霉素、链霉素、卡那霉素、庆大霉素等，但各种抗生素的用量差别很大。

2.2 工程细胞（菌株）发酵液中添加抗生素

在工业化大规模发酵工程细胞的过程中，往往会在发酵液中有目的地加入抗生素，其原因如下：

保证基因工程菌的稳定性：基因工程菌在传代过程中经常出现质粒不稳定的现象，质粒不稳定分为分裂不稳定和结构不稳定。在提高质粒稳定性的方法中的选择压力法，就是在培养基中加入抗生素，它也是工程菌培养中提高质粒稳定性的常用方法[6]。含有抗药性基因的重组质粒转入宿主细胞，基因工程菌就获得了抗药性。发酵时在培养基中加入适量的抗生素可以抑制质粒丢失菌的生长，消除重组质粒分裂不稳定的影响，从而提高发酵生产率。

协助形成细胞壁缺陷：在培养基中加入青霉素、甘氨酸或丝裂霉素 C 等因子，便可破坏或抑制细胞壁中肽聚糖的结构或其合成受到抑制，但还不至于造成细菌死亡，细胞壁有缺陷的细胞，对渗透压敏感，容易破裂，为胞内代谢目的产物的分离纯化提供了便利条件。

防止培养过程中出现其他杂菌污染：抗生素可以通过影响杂菌细胞壁合成（青霉素类和头孢菌素类）、影响杂菌细胞膜渗透性（多粘菌素和短杆菌素）、干扰蛋白质的合成（福霉素类、氨基糖苷类、四环素类和氯霉素）、抑制核酸的转录（萘啶酸和二氯基吖啶）等方式抑制杂菌的出现。需要注意的是，在某些生产过程中即使存在杂菌污染，也不需要添加抗生素。因为当微生物制药过程中微生物的数量的增加及代谢物的积累，形成的环境已经不再适合其他微生物的生长，会主动抑制杂菌。

3 合理使用抗生素

过度使用抗生素的危害是多方面的，对细菌来说，会产生耐药性，也就是说过多的使用抗生素会使细菌对其产生抵抗力，从而使抗生素的抗菌作用减弱或消失[7]。抗生素使用过多是否对我们所需要的药物有一定影响？对基因工程药物的合成、制备和分离是否有影响？以上问题都是未知的。除此之外，抗生素引发的毒性反应更不可忽视，因此，在基因工程药物生产过程中合理利用抗生素，规避使用抗生素带来的一些问题，也是我们将来的研究方向。

参考文献

[1]郭行彦.基因工程药物的分离与纯化方法[J].国外医学：抗生素分册，1994（07）：261-267.

[2]国家药典委员会.中国人民共和国药典[M].北京：化学工业出版社，2015.

[3]匡光伟，孙志良，陈小军，等.四环素类抗菌药物的降解研究[J].农业环境科学学报，2007，26（05）：1744-1788.

[4]朱保泉，生物制药技术[M].北京：化学工业出版社，2004：46-102.

[5]夏焕章，熊宗贵，等.生物技术制药[M].高等教育出版社，2006：140-162.

[6]陈兆坤，胡昌勤，等.头抱菌素类抗生素的降解机制[J].国外医药：抗生素分册，2004，25（06）：219-265.

[7]崔浩.抗生素的细菌耐药性：酶降解和修饰[J].国外医药：药学分册，2006，33（01）：34-36.

作者简介：周伟，在读本科生，研究方向：生物技术制药。

通讯作者：王媛媛，博士，讲师，研究方向：生物工程的教学和科研。