氨甲酰妥布霉素高产菌株选育及其发酵特性研究.docx

氨甲酰妥布霉素高产菌株选育及其发酵特性研究【摘要】 目的 筛选氨甲酰妥布霉素高产菌株并稳定其发酵效价。方法 以黑暗链霉菌Ts228为出发菌株，经自然分离，UV诱变结合耐自身代谢产物处理，采用琼脂块法并结合摇瓶发酵来筛选高产菌，获得了Tt49新菌株。以摇瓶发酵考察生长特性，罐上发酵绘制代谢曲线。结果 效价提高了倍，妥布霉素含量高达%。该菌株生长周期仅4d，传代稳定。种龄18h左右，接种量10%。按照代谢曲线图进行调控，发酵罐的产抗水平达5865u/ml。结论 自然分离与诱变相结合，是黑暗链霉菌选育的有效途径。出发菌株经UV诱变和耐受驯育，发酵效价显着提高。溶氧是妥布霉素发酵生产中的重要调控因子。【关键词】 黑暗链霉菌； 氨甲酰妥布霉素； 深层发酵； 抗生素 ABSTRACT Objective Screening a high and stable mutant strain fromTs228 for CTB (carbamoyltobramycin) production. Methods A parent strain (Ts228) was isolated by natural selection, then treated by UV, and cultured on plate containing tobramycin. Finally, a high yield mutant Tt49 was obtained through several cyclic screening. Its productivity was detected in flask and the curves of typical fermentation were processed in 50L fermenter. Results A mutant strain Tt49 was cultured. Its fermentation titre increased to 5869u/ml which wastimes higher than the parent strain Ts228, and the component ratio of tobramycin comes up to %. The fermentation course of Tt49 only need 4 days. The 18hseed mycelium and 10% W/V of inoculation were used. Conclusions The combination of natural selection and UV was a useful method for tobramycin fromDissolved oxygen is an important parameter in fermentation condition. KEY WORDS ; Tobramycin; Fermentation; Antibiotics 氨甲酰妥布霉素(carbamoyltobramycin)是黑暗链霉菌(Streptomyces tenebrarius)经深层发酵产生的尼拉霉素复合物5组分，经酸或碱催化水解得到妥布霉素(tobramycin)。妥布霉素是临床上广泛使用的第二代氨基糖苷类抗生素，主要作用于细菌30S核糖体亚基，抑制菌体蛋白质的合成，广泛应用于败血症、中枢神经感染及新生儿的脓毒症等1，总有效率达85%以上。妥布霉素与其它抗生素联合使用，不仅可增强抗菌活性，还可扩大抗菌范围。此外，妥布霉素对第八对脑神经的耳毒性比新霉素、庆大霉素低。由于发酵效价不稳定，分离纯化困难，生产成本居高不下，销售价格昂贵，影响其普及使用。 有关妥布霉素的研究活动一直很活跃，从生产菌株的改良到代谢途径的揭示，再到合成基因簇的克隆等各方面均有。沈阳药科大学采用紫外线和亚硝基胍结合耐受处理筛选妥布霉素产生菌2，3；丹麦科研人员利用碳标记实验考查代谢产物的通量，发现黑暗链霉菌在生长阶段ED途径活跃4，但未阐明安普霉素、卡那霉素B和妥布霉素的分歧代谢途径；韩国研究者于2004年从黑暗链霉菌ATCC17920中分离到妥布霉素生物合成基因簇5，有望给妥布霉素的生产带来质的飞跃，但阐明各个基因的功能并将其运用于工业化生产仍需一段过程。本文从菌种选育和工艺优化两方面进行研究，稳定并提高了妥布霉素工业化生产，取得了实效。 1 材料与方法 实验材料 菌种 黑暗链霉菌(Streptomyces tenebrarius)Ts228；枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)CMCC(B)63501，本实验室保藏菌。 培养基(%) 斜面：葡萄糖，蛋白胨，氯化钾，FeSO47H2O ，磷酸氢二钾，硫酸镁，琼脂，pH自然；种子：葡萄糖，玉米淀粉，黄豆饼粉，硫酸镁，磷酸二氢钾，氯化钾，CaCl2 ，pH自然；发酵：葡萄糖，玉米粉，黄豆饼粉，硫酸铵，硫酸镁，碳酸钙，硫酸锌，玉米淀粉，豆油，。 仪器 生化培养箱(LRH250A)；220r/min摇瓶机(自制)；15L种子罐和50L发酵罐(上海国强生化工程装备有限公司)；台式离心机(TGL16G)。 妥布霉素标准品和生测培养基：中国生物制品检定所。 分析方法 发酵效价采用生物检定法6；组分检测用薄板层析6和HPLC法7。菌丝浓度测定，取发酵液10ml，3000r/min离心10min，去上清液后的固体物作为相对菌丝浓度。其它项目(总糖、还原糖、氨基氮等)均采用工业化常规分析法8。 2 结果与讨论 自然分离 出发菌株黑暗链霉菌Ts228主产尼拉霉素2，4和5三个组分，菌落较大，孢子乳白，生测效价为3260u/ml。该菌株的单孢子悬液经自然分离获得白色和淡黄色两类菌落，琼脂块法检测菌落的抑菌效果。结果显示白色菌落抑菌活性高于淡黄色菌落，具备较好的生产潜力；淡黄色菌落在多次测定中抑菌活性均较低，参照文献9认为该菌落形态为退化株，不宜做出发菌。对白色菌落进行多次分离纯化，获得一比出发菌株提高%，编号为Tn17的高产菌株。 紫外诱变处理 取Tn17菌株，制作单孢子悬液，分别在30W紫外灯下照射10、30、50、70和90s，然后分离单菌落，进行琼脂块初筛，摇瓶发酵复筛，结果见表1。 由表1可见，经紫外照射效价均有所提高。随着照射剂量的增加，死亡率渐次升高，正变率降低，负变率升高。其中50s为最宜剂量，致死率为%，正变率为%，负变率为%，最高增幅为%，此高产菌株编号为Tv204。 表1 Tn17紫外线照射时间与突变率的关系 耐自身代谢产物的分离筛选 依据高效价具有高抗性，高抗性不等于高效价的原则，利用抗自身代谢产物对抗生素产生菌进行选育是提高抗生素产量的有效手段。在培养基上加入不同剂量的妥布霉素，发现随着剂量的增大，菌株因进行适应调整，生长速度减慢，死亡率增大。Tv204菌株在10004000u/ml的平板上均可生长，最宜剂量为3000u/ml，此时生长周期为5d，菌落形态无明显变异。经耐受处理获得效价提高%的高产菌株，编号为Tt49。 菌株Tt49生长特性考察 (1)斜面优质孢子培养时间的确定 优质孢子的界定，用肉眼观察或显微镜观察都难以作出判断。界定优质孢子还是以斜面培养时间结合摇瓶发酵效价的方法，考察它们的相关性。为此设计了在其它条件相同的情况下，取不同培养时间的斜面进行摇瓶发酵，以发酵效价最高所对应的斜面培养时间作为界定斜面优质孢子培养时间的准则。经反复考察，斜面培养96h最好，结果见表2。 (2)传代对生产力稳定性的影响 菌株传代是否稳定是决定能否进入工业化生产的关键，为了考察所筛选菌株的传代稳定性，对Tt49菌株连续传代，第1代斜面Fl，第2代斜面F2，第3代斜面F3，第10代斜面F10，分别进行摇瓶发酵。经测定，Tt49菌株各子代发酵效价均落在48005300u/ml，波动较小，可以认为是稳定的。 (3)冷藏对稳定性的影响 为了考察冷藏对斜面孢子稳定性的影响， 将置于4冰箱保存不同时间的 表2 斜面孢子培养时间对效价的影响 由表3可见，斜面在冰箱保存7d内，对发酵效价影响不大；保存时间12d以上，不仅对种子的菌丝形态(镜检)，而且对发酵效价均有明显的影响。因此建议采取低温干燥予以保存，生产斜面以新鲜为宜。种子特性考察 (1)种龄的确定 种龄控制不当，影响菌种生产能力的发挥。移种过早，潜伏期较长，甚至长不起来，即使生长了也容易衰老；移种太晚，种子走向衰老，不利于发酵和合成抗生素。为此，考察了种子培养时间对发酵效价的影响，借此来确定合理的菌龄，结果见表4。 由表4可以看出，移种时间控制在1620h，对效价无太大影响，总效价均在4800u/ml以上。18h(，菌浓10%)移种，发酵效价最高，此时种子液颜色转黄，出现挂壁现象，镜检菌丝粗壮，分支多，染色深。当接种时间延长到24h时，种子菌丝开始变细、变长，空胞逐渐增多，发酵效价反而有所降低。由表4数据还可以看出，种子的菌丝浓度高不等于种子质量好，22h的种子浓度达12%，但最终发酵效价不高， 因此，表3 冷藏时间对生产力的影响 把握好合适的菌龄是把握好发酵的关键之一。 (2)接种量的确定 接种量的多少，决定了产生菌在发酵开始的生长繁殖速度和潜伏期的长短，同时也影响其最终产抗生素的水平，因此，确定菌龄之后，对接种量进行考察。将培养18h的种子按不同接种量(1%，3%，5%，8%，10%，15%)接入发酵瓶(40ml/250ml)，37，250r/min摇床培养110h，考察接种量对发酵效价的影响，结果显示接种量10%时发酵效价最高。 (3)溶氧对发酵效价的影响 溶解氧对妥布霉素发酵至关重要10，11。菌体在自身生长、繁殖及合成次级代谢产物的过程中都需要一定量的氧气。溶氧过低，影响菌体的生长和产物的合成，特别是影响糖的代谢；但过大的溶氧量导致菌丝疯长，对生产不利。妥布霉素发酵中黑暗链霉菌的生长是为了达到一定的菌密度，以便在分泌期有 紫外诱变结合耐受处理是筛选氨甲酰妥布霉素高产菌株的有效手段。本研究通过此获得比出发菌株增产180%的高产菌株Tt49，发酵水平达5865u/ml。高产菌株Tt49斜面生长周期4d，传代稳定，可冷藏7d，种龄18h，接种量10%。溶解氧对于黑暗链霉菌的深层发酵至关重要，发酵罐上可通过改变搅拌转速和改变通气量来改变溶氧浓度。 根据溶氧曲线，优化发酵工艺，获得一套较适合氨甲酰妥布霉素高产菌株Tt49的代谢曲线特性图。按照该曲线特性图进行调控，可使抗生素生产水平接近于摇瓶的生产水平，充分发挥了菌株的抗生素生物合成潜力，达到了较为理想的效果。 【参考文献】 1 李家斌，赵凤培. 硫酸妥布霉素治疗急性细菌性痢疾J. 中国抗生素杂志，1997，22(2)：159160. 2 杨文锋，夏焕章，苏显英. 氨甲酰妥布霉素高产菌株的诱变选育J. 沈阳药科大学学报，2006，23(1)：5759.3 刘晓辉，熊宗贵，吴建梅，等. 单组分妥布霉素产生菌的选育J. 沈阳药科大学学报，2002，19(3)：214217.4 Borodina I, Scholler C, Eliasson A, et al. Metabolic network analysis of Streptomyces tenebrarius, a Streptomyces Species with an active EntnerDoudoroff Pathway J. App Environ Microbiol,2005,71(5):22942302.5 Kharel M K, Basnet D B, Lee H C, et al. Isolation and characterization of the tobramycin biosynthetic gene cluster from Streptomyces tenebrarius J. FEMS Microbiol Lett,2004,230(2):185190.6 中华人民共和国卫生部药典委员会编. 中华人民共和国药典(二部)S. 北京：化学工业出版社,2005：附录7074.7 杨茂俊，吴章秀. 高效液相色谱法分析国产妥布霉素及有关物质J. 中国抗生素杂志，1996，22(增刊)：7276.8 陈钧鸣，徐玲娣编. 抗生素工业分析M. 北京：中国医药科技出版社，1991：108111.9 洪文荣，石贤爱，程骥，等. 多因子处理黑暗链霉菌微型化理性筛选J. 中国抗生素杂志，2001，26(6)：426439.10 许学书，方夏虹，俞俊棠. 妥布霉素发酵中的二次生长J. 中国抗生素杂志，2001，26(1)：3234.