分享毕赤酵母细胞工厂构建及药物合成应用

毕赤酵母细胞药物合成
王波 2022-12-15
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蔡孟浩
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a、巴斯德毕赤酵母发现历史:
 
最早是在1920年的时候,法国科学家第一次发现了这种类型的酵母。1956年美国科学家Herman Phaff在加州的一个橡树里,分离到了4株酵母的菌株。上个世纪60年代,日本科学家Koichi Ogata发现能以甲醛作为唯一碳源的酵母就称之为甲醛酵母。1970年代,美国Phillips Petroleum Company成功开发了培养基及方法用巴斯德毕赤酵母高密度培养生产饲料用单细胞蛋白(SCP)。
 
1980年代初,Phillips Petroleum Company 与 Salk Institute Biotechnology/Industrial Associates Inc.(SIBIA)开始联合开发毕赤酵母表达系统
 
SIBIA公司的研究人员Ellis等1985年首次成功分离了甲醇氧化酶(AOX1)基因及其启动子,这个启动子也是目前在我们行业领域内包括制药、食品、农业等做表达系统里面最常用的非常强的启动子体系。1985年,Jim Cregg等首次报道用巴斯德毕赤酵母作为宿主表达外源蛋白成功。
 
1995年,Yuzo Yamada等将其重新归类于新属 Kormagataella。2005年,Cletus P Kurtzman将Komagataella分类于多个种,原来的巴斯德毕赤酵母随即被重新鉴定为其实是两个种。
 
b、巴斯德毕赤酵母特性:
 
首先它密高密度生长,能支撑它能够产生足量的蛋白。从工业的应用角度,培养基很简单,下游的分离纯化是非常方便,发酵工艺也很成熟,发酵放大的整体也非常方便。从遗传的角度,整合型表达,外源基因遗传稳定。具有蛋白磷酸化、糖基化等翻译后修饰功能和高效、严谨的启动子系统,不管它在细胞内去生产蛋白,还是把蛋白分泌到细胞外,都有非常强的表达能力,可以用于不同的需求。巴斯德毕赤酵母是应用最为广泛的外源蛋白真核表达系统。
 
c、巴斯德毕赤酵母在不同领域的应用:
 
首先巴斯德毕赤酵母它已经被美国的FDA认定为一般认可安全菌株,它可以用于药品和食品重组表达领域的应用,所以这也是非常有利的认定,可以拓展它的应用范围。毕赤酵母官网介绍,已经有5000多个外源蛋白,70多个商业化产品,300多个工厂许可证,20多个治疗用生物制品。
 
毕赤酵母现在有20多个上市的药物,特别是在2020年2月,丹麦的灵北公司第一次报道了FDA获批的抗偏头痛药物,这个药物是一个单克隆抗体。单克隆抗体绝大部分是用动物细胞的方式来生产,这次获批后引起了酵母领域的轰动,单克隆抗体完整分子可以用酵母形式来生产。
 
第二个引起广泛关注的上市获批的产品,在食品领域用毕赤酵母产生了大豆血红蛋白,用于人造肉里,让它具备肉味。
 
其实很多产物合成的路径也打通,这就意味着这个酵母它可以很好地去利用廉价的甲醛碳源,合成一系列的大分子酶,复杂结构的生物材料,还有一些化学品,包括一些大宗的药物分子等。因为甲醇它本身也有很高的还原度,整体的还原程度要比葡萄糖多出50%,这对于小分子化合物的合成是非常有利的。
 
从大宗的食品和生物药的制造,它如果用甲醇,呈现的劣势就更加明显一些,但是如果我们把它用到化工领域,大宗的化学品,一些生物基材料,包括大宗的原料药的分子等,它的成本优势、还原度、来源广泛的优势就体现的会更多。所以我们要根据具体情况进行分析。
 
d、毕赤酵母在食品和生物药领域存在的问题:
 
首先甲醇其实是易燃易爆的化学品,在大规模应用的时候涉及到防爆设计问题。第二个它从调控机制上是不太清楚的,它实际上对细胞本身而言还是有一些毒性的。从另外一个角度上,它整体的改造和调控非常困难。
 
e、毕赤酵母新型表达系统的设计:
 
基于这些问题,我们希望把它改造成能够按照我们人为的想法和模式更容易控制的新的表达体系。
 
一代系统里可以实现无甲醇的体系。一代系统,我们虽然实现了无甲醇,但是它实际上表达能力上还是没有野生型的高,又做了一系列的改造。
 
二代系统,无甲醇强诱导型底盘,用了很典型的合成生物学的遗传线路设计的理念,把它的转录因子还有启动子做了一系列的改造,从而通过人工招募的方式,来启动外源基因的表达。突破了甲醇启动子的碳源阻遏,实现灵活调控。
 
二代系统依旧存在一个问题,把它表达能力的上限提高提到了很高的水平,但实际上把它渗漏表达的底线也给它拉升了。这对宿主不友好的蛋白,菌在生长的时期,产物已经在合成了,这样菌就会长不起来,整个发酵过程就会失败。
 
三代系统,自定义信号强诱导底盘。
 
从合成生物学整个领域上,它有非常大的想象空间,也有巨大的开发潜力。不管是在学术领域,还是在真正的产业界里,其实它都会有非常大的空间。

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