导读：中国科学院邓子新院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》年第5期刊发《微生物药物产业现状与发展趋势》，系统分析了我国微生物药物产业发展现状，梳理了微生物种质资源利用、优良菌种筛选和发酵工艺优化、菌株工程化改造、新型微生物药物创制等技术趋势，助力我国破解产业瓶颈、加速产业升级。文章指出，我国现代微生物药物产业已经具备了坚实的资源和技术基础，但与国际领先水平有一定的差距，针对产业面临的机遇与挑战，从建立统筹创新的微生物医药大科学装置、加强微生物药物基础研究和技术自主研发、构建战略性人才引育系统、形成体系化产业激励*策等4个方面提出了发展建议。
前言
微生物是地球上最庞大的物种资源和基因资源库，微生物在其生命活动过程中产生的生理活性物质及其衍生物形成的代谢产物库在医疗健康领域发挥着巨大的作用。人类利用微生物及其代谢产物治疗疾病已有数千年历史。年青霉素的发现是微生物药物发现的历史性突破，伴随着青霉素的商业化开启了天然产物发现的*金期，也极大地改变了天然产物的研究方向。因其巨大的生物多样性、独特的结构及其可变性、相应的生物活性和可用性，微生物来源的商用药物数量远超过植物等其他来源。近一半的畅销药物是天然产品或其衍生物，充分证明了微生物药物在治疗疾病、开发药物等方面的重要性。
然而近年来日益严重的病原生物抗药性、新型疾病的发生、节能减排、高产需求等，都迫切地呼唤新药物、新机理、新菌株、新工艺等药物创新和高效制造。20世纪90年代以来，合成生物学、组学等学科技术的飞速发展推动微生物药物产业进入崭新阶段。
从微生物药物产业链来看，基因工程和组学技术对微生物菌种的系统性改造，生物信息学、合成生物学等技术方法助力新药的发现和开发以及复杂药物的高效创制，有助于实现产业的源头创新；发酵工艺的改进和新工艺的应用可实现微生物药物产业下游的产能提升。目前，我国已具备较为完整的微生物药物产业链，也拥有一批规模化的产业集团和基地。
本文将在梳理分析我国微生物药物产业现状的基础上，展望微生物药物技术的发展趋势，在加强重大科学装置、合理前沿布局、强化人才培育和储备、优化资金保障和*策激励方面提出建议，期望有助于我国未来微生物药物产业的发展和布局。
微生物产业发展现状
（一）我国微生物药物产业的发展历程
我国是微生物制药生产大国，产品以抗生素类药物、特别是原料药为主，总体而言产业处于全球价值链低端，在国际上处于追赶状态。
“十一五”期间，国家将生物产业提升到产业立国的高度，国家发展和改革委员会、科学技术部先后批准建立国家生物产业基地和火炬计划特色生物产业基地近40个，微生物药物产业进入加速发展阶段。在*策的连续支持和引导下，到年，形成了以长江三角洲、环渤海地区为发展核心，珠江三角洲、东北等区域集聚的生物医药产业空间格局。
“十二五”期间，生物产业被确立为国家第三大战略性新兴产业。各省市分别推进出台支持生物产业迅速发展的相关*策，如《关于促进上海生物医药产业发展的若干*策规定》《广州市生物产业发展引导资金管理暂行办法》等。在多种药物在华专利相继过期的背景下，*策红利持续体现，我国微生物药物产业实现了跨越式发展，基本形成环渤海、长江三角洲、粤港澳大湾区等三个大型生物医药集聚区。其中，长江三角洲地区基础研究和产业技术创新能力突出，国际交流程度高，拥有最多的跨国生物医药企业。环渤海地区教育和临床资源丰富，产业人力资源储备充足，产业链基础优势较强。粤港澳大湾区市场体系成熟，流通体系发达，三地联通，对外辐射能力较强。同时，东北，中部地区的河南、湖北，西部地区的四川等地在龙头企业的带领下也形成了区域特色快速发展的产业格局。
（二）抗感染类药物是我国市场销售主体，增长平稳持续
根据药物综合数据库（PDB）显示，我国抗生素总产量世界第一，在青霉素、链霉素和四环素等原料药生产上拥有绝对优势，新品种研发能力不断提高，已在数十个产品上打破了欧美技术和市场垄断，百余品种实现产业化，形成了一批规模化的产业集团和完整的产业链。行业在经历了一个低谷期后，作为医药市场的重点产品，刚性需求巨大，国内市场叠加国外市场，仍将推动抗生素市场规模持续增长。
1.β-内酰胺类
抗生素市场中β-内酰胺类份额最大，既包括原料药，也包括中间体，其中头孢菌素和青霉素类分别占世界抗生素市场的25%和20%。20世纪80年代，我国青霉素工业快速发展，后因产能过剩进入低谷。近10年来，头孢类抗生素成为抗感染药物的主力品种，发展十分迅速，头孢孟多酯、头孢呋辛钠等新品种层出不穷，30余个头孢品种成为临床常用药。7-氨基头孢烷酸（7-ACA）、6-氨基青霉烷酸（6-APA）和7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA）等作为头孢类药物阿莫西林的核心中间体，也是当今国际抗生素市场的主角。总体来看，行业产能过剩较为严重，行业壁垒逐渐增高，“限抗”“限排”*策促进产能出清，龙头企业规模优势凸显，并正向下游发展。主要生产企业有健康元药业集团股份有限公司、石药控股集团有限公司、联邦制药国际控股有限公司等。
2.氨基糖苷类
氨基糖苷类抗生素是最早开发上市的抗生素之一，是作为治疗革兰氏阴性菌导致的严重感染的首选药物，在临床中有着不可替代的作用，如能有效抑制结核菌繁殖的链霉素，20世纪50年代初上市后很快就成为国际医药市场的畅销产品。继链霉素及其衍生物之后，庆大霉素、新霉素、核糖霉素、卡那霉素、奈替米星、紫苏霉素、巴龙霉素以及我国自主开发的小诺霉素和依替米星等近20种氨基糖苷类产品相继开发上市，使氨基糖苷类成为抗生素家族成员最多的一类产品，但不可逆的耳肾*性和日益严重的耐药性极大地限制了该类抗生素的应用和推广。为了进一步拓展氨基糖苷类抗生素的临床应用，寻找抗耐药、低*性的衍生物已成为氨基糖苷类开发的重点。国内主要企业有三峡制药有限公司、只楚药业有限公司、华北制药股份有限公司、长征药业股份有限公司等。
3.大环内酯类
大环内酯类目前主要有三代，第一代有红霉素及其酯类衍生物，第二代有阿奇霉素、克拉霉素和罗红霉素等，使用范围广，耐药性逐渐显现，第三代有泰利霉素、喹红霉素等，*性作用偏大。我国是半合成红霉素原料药的世界最大生产国和出口国，由于该类药物缺乏新品的支撑，也受其他抗菌药物市场的不断冲击，近几年国际需求几近饱和。但大环内酯类药物在慢性呼吸疾病的抗菌治疗中仍有重要价值。
4.四环素类
四环素类抗生素是一类具有菲烷母核的广谱抗生素，广泛应用于细菌、支原体、衣原体和立克次氏体引起的感染。我国是全球最大的四环素生产国和主要出口国，万得（Wind）数据库显示，每年我国四环素衍生物及其盐国内供大于求，产量60%以上出口海外市场。随着耐药菌的不断出现、四环素牙等不良反应和新型抗生素的诞生，四环素类药物一度淡出临床应用。欧美对我国该类产品的进口需求虽大，实际用于产业链低端，被大量用作动物生长促进剂。—年，欧盟“禁止抗生素作为饲料添加剂”的法令出台，对我国药企出口造成了巨大影响。年辉瑞等公司研发了第三代四环素替加环素、依拉环素等新的畅销药品，带动了我国四环素原料药新一轮出口热。经过几轮波动，我国的万吨级四环素发酵基地主要位于西部地区，代表企业有宁夏启元药业有限公司、华北制药股份有限公司、四川制药股份有限公司等。而江苏、浙江等东部省市曾经盛行的四环素生产线早已改产经济价值更高的药品。
5.林可酰胺类
林可酰胺类抗生素目前种类较少，主要包括林可霉素、天青素以及克林霉素等半合成抗生素。我国从20世纪80年代开始大规模生产林可霉素，在菌种多年选育和优化的基础上，产量大幅提高，目前已超过7g/L。林可霉素市场需求量持续保持在一个较高水平上，且近年市场发展迅速，年均增长约为10%，价格也持续上涨，国内由四家生产企业主导，其中河南南阳普康居于全球龙头，另有天方药业有限公司、海翔药业股份有限公司（收购）等。目前，林可霉素国内的生产水平约在~U/mL，而国外已达U/mL左右，差距巨大，因此，为增强林可霉素的国际市场竞争力，提高产量等问题亟需解决。
（三）抗肿瘤类药物市场稳定增长，新产品异*突起
肿瘤是我国乃至全球范围内导致人类死亡的重要疾病之一，寻找有效的抗肿瘤药物和治疗方法一直是研究热点。年全球抗肿瘤药物市场规模为亿美元，前五年复合增长率为7.96%，虽然相比于前十年年均15%以上的速度有所减缓，但仍然显著高于全球药物市场的平均增长率。在我国肿瘤药市场中，近半数市场被进口药瓜分。实施抗癌药物零关税，加速推出国内药企仿制药，加强研发自主创新产品，有利于减轻癌症患者及家庭的治疗成本，化解民生痛点。
在肿瘤治疗领域，寻找细胞*性改良的药物仍然是发现现代抗癌药物的一条重要路线。许多重要的商业化新药是从天然来源或由天然化合物结构修饰而成，或是以天然化合物为模型、经人工设计合成的新化合物。在现已发现的治疗癌症的近种小分子药物中，约三分之一直接来源于天然产物或是其衍生物，包括多糖类、蒽环类、有机酸酯类、萜类、生物碱类、大环内酯类及烯二炔类等，多种已在临床肿瘤治疗中发挥了极其重要的作用。这些抗生素类肿瘤治疗药在肿瘤药物市场中占有重要地位，是肿瘤治疗市场中不可或缺的产品。近年来，随着新型抗肿瘤药物的陆续上市，抗肿瘤抗生素类药物市场增速逐年降低，市场份额大幅萎缩。国内抗生素类肿瘤治疗药物主要品种包括非核糖体肽类、芳香聚酮类、异源表达生物碱类等，如放线菌素D、博来霉素（BLM）、多柔比星（ADM）、吡柔比星（THP）、表柔比星（E-ADM）等。主要企业包括恒瑞医药股份有限公司、绿叶制药有限公司、海正药业股份有限公司等。
（四）酶抑制剂需求与市场规模同步持续增长
酶也是一类重要的药物作用靶标。20世纪60年代初，梅译滨夫提出了酶抑制剂的概念，认为在微生物有机体内酶及其抑制剂是共存的，拓展了新抗生素筛选的思路，引导了许多新筛选模型与方法的建立，开创了从微生物代谢产物中寻找其他生理活性物质的新时代。已上市的酶抑制剂药物主要以受体、酶、离子通道和核酸为作用靶点。微生物产生的酶抑制剂可来源于微生物的初级代谢或次级代谢，研究最多的是放线菌，也是产生微生物药物最多的类群，其中最重要的是链霉菌属；细菌、真菌也是酶抑制剂的重要药源微生物。除了筛选分离传统药源菌外，研究人员的注意力已逐渐集中到海洋微生物、极端微生物等新类群。我国对酶抑制剂的研究起步较晚，企业生产以仿制药为主，如华东医药的α糖苷酶抑制剂阿卡波糖等。
（五）免疫抑制剂三大品种市场稳定增长
免疫抑制剂是对机体的免疫反应具有抑制作用的药物，主要用于防止器官移植中的排斥反应和抑制某些自身免疫性疾病的进展等。微生物酵解生产的主要品种有环孢菌素CsA类、他克莫司、雷帕霉素及其衍生物SDZ-RAD等。我国免疫抑制剂市场主要存在十多种药物，以他克莫司、吗替麦考酚酯以及环孢素为主。从总量上看，三大免疫抑制剂在最近5年持续稳定增长，实现了7.95%的复合增长率，市场容量仍有提升空间。从细分药品来看，目前三种药品的市场均呈现“原研发厂商+1~2家国产厂商”的竞争格局，华东医药股份有限公司在其中处于国产厂商的绝对优势地位，占有国内免疫抑制剂市场合计27%的市场份额，与诺华集团、罗氏集团、安斯泰来制药集团三大原研发厂商合计市场份额超过80%。
微生物药物技术的发展趋势
（一）新型发酵工艺提升微生物药物产能
在工业上，复杂结构的微生物药物往往难以通过化学方法合成或不易于实现产业化，而利用微生物细胞工厂发酵、大量合成目标产物则是一种高效经济的方法。发酵工艺是整个微生物药物生产工艺的中心环节。
1.固定化细胞技术
在常用的液体发酵过程中，微生物细胞首先在“非合成生长期”形成抗生素合成所需的酶类，组成抗生素“生产线”，随后基于酶催化反应的可循序性，实现精确调控并产生大量的抗生素。在实际发酵过程中，存在菌株易迅速退化的问题。
在酶固定化基础上发展起来的固定化细胞发酵技术是消除以上不利因素的一种解决方案。所谓固定化细胞就是利用物理化学等因素将细胞限制在一定的空间界限内，细胞保留催化活性并能在较长时间内被反复或者连续使用，在抗生素生产领域具有巨大的应用潜力，特别适用于高效生产分泌到培养液中的抗生素。与传统液体发酵相比，固定化细胞技术有许多优点，如可使用柱式生物反应器连续性流动发酵、可利用固定化材料增加细胞密度、控制微生物细胞的非合成生长期和密度、不需要额外添加酶反应辅因子等，从而降低成本、提高产量。
目前，已经成功利用固定化细胞技术生产的微生物药物有青霉素G、头孢菌素C、氨卞青霉素、杆菌肽、头霉素、杀念菌素和达托霉素等抗生素。如乳酸链球菌肽（Nisin）是由乳酸链球菌生产的具有重要经济意义的多肽类抗生素，具有抑制革兰氏阳性菌的活性，被作为食品添加剂广泛使用。以玉米浆和酵母提取物为培养基的传统液体发酵，进入发酵后期，培养基呈酸性，Nisin释放到胞外的过程受到明显抑制，导致后续合成近乎停滞。利用聚丙烯酰胺、琼脂、凝胶、多聚糖等载体固定乳酸链球菌细胞，可以使发酵液连续流动，避免了酸性环境对菌株的抑制，大大延长细胞的半衰期，保持了单细胞活力，实现了产量的大幅提升。
固定化细胞技术具有潜力，但也存在自身瓶颈，还需提高发酵过程中物质的传递效率、改良固定化方式、优化载体、提高产品提取效率等。另外，虽然该技术成功案例很多，但是真正公布全部技术细节的很少，相关生产工艺被牢牢控制在国外几家知名企业手中，难以被复制，因此需要加强基础研究，自主开发先进的固定化细胞技术工艺，打破技术壁垒，推动我国微生物药物生产提高到国际先进水平。
2.连续发酵新型工艺
分批发酵是现代发酵工业中大多数产品采用的方式。在分批发酵过程中，微生物的生长速度随时间而发生规律性变化，但随着发酵时间延长，营养成分不断减少，菌种老化和代谢产物受抑制等问题严重。连续发酵是在一个开放的系统内，以一定的速度向发酵罐内连续供给新鲜培养基的同时，将含有微生物和代谢产物的培养液以相同的速度从发酵罐内放出，从而使发酵罐内的液量维持恒定，培养物在相对恒定的状态下生长和代谢。
定量代谢组学可用定量描述生命体系的数学模型描述复杂的动力学行为，实现对系统的预测、设计以及优化，将其与连续发酵工艺相结合，能实现自动控制各参数维持在一定水平，保持低基质浓度，有利于提高设备的利用率和单位时间的产量，优化工业发酵过程，实现数字化、高效化控制。多维度的优化理论已经成功用于青霉素、红霉素、氯四环素、重组人血清蛋白和疟疾疫苗等工业生物过程的优化与放大。Douma等人在以葡萄糖为限制性碳源的恒化培养过程中，发现青霉素的合成能力与异青霉素N合成酶的活性呈较好的线性关系，由此建立了基因表达调控模型，成功地描述了补料分批发酵过程青霉素的合成与比生长速率的动态关系，不足之处在于没有涉及胞内氨基酸、磷酸糖、糖醇等组分和能量代谢动力学信息。
发酵过程中代谢物浓度变化时间在几十秒甚至秒级，需要快速取样与高效可靠分析，获得某个时刻真实可靠的代谢物浓度信息。代谢组学技术能够准确提供生物体系应对基因或者环境扰动的反馈信息。因此，与发酵工艺串联的开发快速取样和代谢产物检测装置，可减少或者避免样品处理过程中的变化，以快速抽滤和滤饼冲洗取代传统的离心分离也可减少和避免胞内代谢物的渗漏，有效减少损失。
（二）基因工程及组学技术系统性改造微生物
现代基因工程与基因组学引领的多组学技术的综合应用极大地促进了微生物药物及其先导物的发现和研究，有望显著缩短药物发现和前期开发时间，降低药物研发和生产成本。对微生物“细胞工厂”中天然产物代谢途径进行调控，不仅可以合成新型复杂化合物，也可以生产植物或其他来源的活性化合物。中国医学科学院与沈阳同联集团合作，在螺旋霉素产生菌中整合有异源酰化酶基因，共同开发出国家一类新药可利霉素，年6月获批上市，是国内外唯一一个实现产业化的利用基因工程技术获得的“杂合抗生素”。
机器学习也促进了高通量微生物组的性能提升。年合成生物学初创公司Zymergen公开了高通量（HTP）微生物基因组工程平台，基于计算机软件算法驱动，集成了分子生物学、自动化以及先进的机器学习流程，通过短时间内构建大量不同基因型的菌株，测试产生大量数据，并对上述数据进行自动化机器学习，并依靠多次迭代学习加以分析从而构成完善的HTP遗传设计库。该平台具有任意宿主的兼容性，因此适用于调节、改善任意微生物宿主性能。
发酵产率是微生物药物研究和开发的一个主要挑战。常规的工业高产菌种选育采用反复诱变加筛选，逐步提高菌株的发酵效价。微生物基因组改组通过突变基因加基因重组，筛选并积累有益突变的组合，实现定向进化，加速经典的菌株改良进程。另外，通过基因工程系统性地改造微生物菌株，还可以改善前体和辅因子供应、消除竞争途径、增强产物外排和自身抗性。代谢组学技术可以检测中间体积累和底物供应状态，分析借鉴工业高产菌株的基因组、蛋白组、全基因组转座诱变等数据，为菌株改良提供靶标基因。随着合成生物学的发展，代谢产物/中间体人工生物传感器、自主可控调控体系的设计应用将为高产育种提供新的方法和技术。然而，细胞内代谢网络复杂，人工改造易对系统产生不利或未知影响，也可能导致细胞活性降低甚至丧失，因此对于代谢网络的认知还需要进一步深入。
（三）生物反应预测及设计实现新结构发掘
通过生物信息学对生物反应的预测，可以为新结构代谢产物的高通量和高效发掘提供便捷。放线菌强大的天然产物生物合成能力，蕴藏于基因簇中，首个全基因组测序的放线菌天蓝色链霉菌是菌株包含超过20个潜在的次生代谢物生物合成基因簇，阿维链霉菌、灰色链霉菌和卡特利链霉菌等基因组都超过了30个。Kelleher等开发基因簇全局家族分类法（GCF），将已知小分子与潜在的生物合成基因簇相关联，利用大型生物信息数据，实现了新的天然产物从无到有的发现。与链霉菌次生代谢物及其合成相关的生物信息学资源也大量涌现。例如，在线分析工具antiSMASH能够快速预测非核糖体肽类（NRPS）、聚酮类（PKS）、多糖类、细菌素类、萜类等多种典型次级代谢生物合成基因簇，现已更新至5.0版本。ClusterMine数据库则系统地收录了多个PKS/NRPS生物合成基因簇和个化合物家族。DoBISCUIT数据库侧重于维护微生物PKS基因簇的人工校正。此外，BAGEL2工具可分析多种类型的细菌素。
（四）合成生物学助力复杂化合物微生物合成
合成生物学综合酶工程、生物催化、结构生物学等多学科技术手段，对生物合成途径进行升级或再设计，发展出针对不同骨架或结构单元的生物合成与编辑策略，可对药物合成途径进行分析和设计，对微生物体系进行遗传改造和构建优化，赋予人工生物体系新的内涵和功能，实现药物的深度开发和高效生产。
1.沉默基因簇激活
在充分认识药物的生物合成基因簇及其合成途径的基础上，通过对合成基因簇的改造，有望激活微生物内大量具有合成潜力但未表达的沉默基因簇，也能够产生大量具有重要应用前景的生物活性物质。暨南大学将推测合成烟曲霉酸的基因簇中的9个基因导入米曲霉NSAR1中，并在终产物中检测到烟曲霉酸，通过生物合成途径扩大夫西地酸类抗生素的结构多样性。
2.生物元件的优化和构建
通过缺失、替换微生物细胞中PKS或NRPS的结构域，可以改变底物识别和催化特性，加上前体喂养，组合生物合成可产生许多新的衍生物分子，改善药物的水溶性、治疗指数等。Kosan公司利用PKS模块的取代置换制备红霉素、格尔德霉素和埃博霉素的类似物，得到新的微管稳定剂和Hsp90抑制剂。达托霉素是由NRPS在玫瑰链霉菌中产生的环脂肽，对耐甲氧西林的金*色葡萄球菌（MRSA）具有杀菌作用，Cubist公司通过交换NRPS模块组建的生物合成途径，产生了近百种新型达托霉素衍生物。组合生物合成的一个瓶颈是，新途径的催化效率往往显著低于野生型途径，关键酶的定向进化有望提高组合途径的适配性和效率。
3.植物源或动物源药物的微生物合成
微生物发酵平台为许多植物源性药物的生产提供了一种经济高效和可持续的植物培养和化学合成替代品。近年来，越来越多的研究采用了合成生物学技术，青蒿素、紫杉醇、丹参酮、β-胡萝卜素、红景天苷等植物源药物及其前体得以在微生物中表达，为生产来源稀缺的天然药用物质提供了一种行之有效的方法和途径。
抗疟疾药物青蒿素的商业化微生物生产是合成生物学重要的标志性成果。年Keasling团队首次在大肠杆菌中重构了青蒿素前体青蒿酸的合成途径，并将青蒿酸的产量提高了倍，后在酿酒酵母构建了青蒿素前体青蒿酸的高效合成途径，为更可控和更高效的青蒿素药物供给提供了现代工业的途径。植物生物碱，特别是苄基异喹啉类生物碱和单萜吲哚类生物碱类化合物，由于其药用价值已成为微生物生物合成的诱人目标，其合成途径已经在大肠杆菌和酵母中成功组装表达。
异喹啉生物碱和吲哚生物碱具有显著的抗肿瘤活性。在一定程度上可以利用微生物转化模拟药物在动物体内的代谢。第一个现代海洋药物曲贝替定（Et-）来自被囊动物红树海鞘，天然获得非常困难，目前则实现了由荧光假单孢菌发酵前体经半合成而大量获得。
（五）基因编辑推动微生物代谢途径的精准改造
在微生物体系中，次级代谢产物是由不同的小分子前体经顺序协作的酶催化形成，参与合成的基因通常成簇存在，由骨架结构基因、修饰基因以及调控基因组成代谢网络。对基因簇的精准编辑可以实现合成途径改造、表达精确调节、副产物降低、目标化合物增产等。
针对结构基因的微生物代谢途径精准化改造已有很多成功的实例。例如，改变抗肿瘤抗生素柔红霉素糖基4位羟基的构型，获得*副作用较低的化疗药物表柔红霉素；改变抗肿瘤抗生素小盘酰氨（来源于海洋微生物）前体肽氨基酸的组成，利用原修饰酶体系合成了与临床上使用的抗凝血剂依替巴肽类似的新型环肽类抗生素。
这些研究绕开复杂结构类似物化学合成难或工艺低效的问题，充分体现了基于理性设计的基因编辑在新药发现和发展方面的巨大潜力。值得