空间微生物制药的机制与发展趋势

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空间微生物制药的机制与发展趋势

随着我国载人航天事业的发展，2020 年将建立我国空间站。空间站体现了多学科交叉和整

合，对国家安全、空间防御和空间生命科学研究起着至关重要的作用，其最终目标是利用太空

资源服务于全人类。

太空环境异常复杂，给人类提供了一个在地面上根本无法模拟的条件，预示着太空实验特别是

生物实验将出现地面上无法实现的结果。由于太空的特殊环境，太空育种具有明显的优势和重

要的意义。当前，我国载人航天事业的蓬勃发展，为空间生物制药提供了难得的实验平台，利

用太空特殊的理化环境对微生物进行诱变，然后结合地面筛选，得到生物制药产量和质量显着

提高的药物制备工程菌及免疫原性和安全性增强的疫苗菌株，具有重要的经济和社会意义。

1 空间微生物制药的含义

外层空间，又称外太空、宇宙空间，简称空间、外空或太空，指的是地球大气层及其他天体之

外的虚空区域。与真空有所不同的是，外层空间含有密度很低的物质，以等离子态的氢为主。

其中还有电磁辐射、磁场等。理论上，外层空间可能还包含暗物质和暗能量。国际航空联合会

定义在 100 km 的高度为卡门线，为现行大气层和太空的界线定义。目前的载人航天活动主要

集中在距地面 500 km 以内的近地球轨道上[1]. 空间环境十分复杂，具有地面环境中所不具备的

一些特殊环境因素，包括微重力、高真空、强辐射、弱磁场、极端温差等特点[2].空间微生物

制药是将代谢物可用于制药工艺的微生物搭乘宇宙飞船、返回式卫星或高空气球送到太空，利

用太空特殊的环境诱变作用，使微生物产生变异，并在其返回地面后进行培育、筛选，最终获

得生产性能优良的微生物菌种的育种新技术。

2 空间微生物制药的发展现状

生物技术药物主要有蛋白质、核酸、糖类、脂类等，主要采用生物合成的方法进行生产。生物

合成技术发展很快，目前全世界的医药制品很多是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药

物时，它不仅比化学合成简便，而且有更高的产量和活性。生物合成技术的关键是要获得性能

优良的菌种、细胞株或动植物品种。太空环境存在着极端的物理条件，是一种地球上无法比拟

的特殊诱变源，它可造成细菌的生长、生物学性状以及遗传代谢等方面发生一系列不可捉摸的

变化。具有有益的变异多、变幅大、稳定性好等特点[3].

利用这些地面上难得的环境条件，可进行许多地面上难以进行的科学实验，生产地面上难以生

产的特殊材料、昂贵药品和工业产品等。已有不少文献报道通过对各种微生物进行太空诱变及

筛选后，得到次级代谢产物明显提高且其遗传性保持稳定的高产菌株[4].

目前在空间制药研究方面国外以美国居多。1984 年，美国航天教育处太阳能辐射研究中心将黑

曲霉放置在太空长期飞行器中，于 1990 年取回，进行发酵，发现单宁酸酶产生率及活性大幅

度提高。 1996 年，美国科研人员将棕黑腐质霉送入太空 10 d 后，发现单孢菌素的产量由地面

的（8.2±2.2）μg 增加到（23.8±3.3）μg[5].

2001 年美国航天飞行任务STS -80 搭载的褶（皱）链霉菌在天空飞行 17 d 后抗生素放线菌素

D 产量由地面菌株的 0.47 μg/mL 提高到 1.02 μg/mL[6]. 这些菌一旦应用于药物生物合成工艺生

产，有望提高药物的产量。据称，美国已选出 20 种价值 140 万~3000 万美元/g 的药物，并准

备投入空间生产，预计在不久的将来就将会形成一个价值约 600 亿美元的空间制药业[7].

我国的空间生命科学研究在制药领域特别是生物制药领域刚刚起步，但也取得了一些成就。如

方晓梅等[8] 研究发现，弗氏链霉菌经太空搭载后，泰乐菌素的产量提高了 91.5%;中国科学院

遗传所搭载的棘孢小单孢菌（M.echionopora），其庆大霉素效价增高了 27%~37%[9].2011 年本

研究团队通过神舟八号飞船将工程菌大肠埃希菌送入外太空飞行 17 d 返回后发现 α1b 干扰素的

产量明显提高[3]. 在神舟十号飞船的微生物搭载实验中，本研究团队发现，经太空诱变育种

15 d 后，可分泌赖氨酸肽链内切酶的产酶溶杆菌产量提高了 17.2%~40.2%, 发酵周期缩短了48

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摘要：

空间微生物制药的机制与发展趋势随着我国载人航天事业的发展，2020年将建立我国空间站。空间站体现了多学科交叉和整合，对国家安全、空间防御和空间生命科学研究起着至关重要的作用，其最终目标是利用太空资源服务于全人类。太空环境异常复杂，给人类提供了一个在地面上根本无法模拟的条件，预示着太空实验特别是生物实验将出现地面上无法实现的结果。由于太空的特殊环境，太空育种具有明显的优势和重要的意义。当前，我国载人航天事业的蓬勃发展，为空间生物制药提供了难得的实验平台，利用太空特殊的理化环境对微生物进行诱变，然后结合地面筛选，得到生物制药产量和质量显着提高的药物制备工程菌及免疫原性和安全性增强的疫苗菌株，具有重...

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