達托霉素菌種16SrRNA基因序列分析和遺傳穩定性檢驗

李愛鋒

摘 要：近幾年來，達托霉素需求量猛增，作為次級代謝產物，由于結構比較復雜，達托霉素的產量極低。通過各種方法選育達托霉素高產菌株，保證種子批的遺傳穩定性，對于提高達托霉素生產質量和產量，降低生產成本具有重要意義。大量試驗表明，達托霉素在培養與保存過程中，可能會因培養液、保存環境等產生變異，從而降低甚至失去其在臨床醫學上較高的應用價值，而研發性能穩定、耐藥菌抑制效果更好的達托霉素，對達托霉素菌種進行培養與篩選，獲得質量好的菌種，降低菌種遺傳變異的機率，改良達托霉素的生產工藝和提升達托霉素的產量就必須要對達托霉素菌種的16SrRNA基因序列開展分析并對其遺傳穩定性進行檢測。立足筆者工作實際，本文致力于對恒瑞醫藥的原輔料達托霉素菌種實施檢驗，確定恒瑞醫藥提供的菌種的遺傳穩定性，為達托霉素的生產工藝優化與產量提升提供支持。

關鍵詞：達托霉素;16SrRNA基因序列;遺傳穩定性

1.前言

臨床醫學中，耐萬古霉素糞腸球菌、耐萬古霉素金黃色耐甲氧西林金黃色葡萄球菌以及耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等是目前在醫院中傳播速率較快，致死率較高的病原體，由于抗生素濫用問題越來越普遍，細菌耐藥性不斷增強，采用普通抗生素對這些細菌的滅殺作用效果甚微，一旦發生感染，患者病情難以控制，最終很有可能導致患者因感染加深而病情加深，甚至不治。達托霉素是一種新型環脂肽抗生素，主要用于治療耐藥革蘭氏陽性菌造成的感染，能夠快速殺死絕大多數的細菌，不易受到其他抗生素所產生的交叉耐藥性的影響，市場前景一片廣闊，被譽為制劑簡單、對耐藥菌抑制效果良好、毒素作用小抗生素之一。

2013年，達托霉素在美國上市，被批注能用于治療皮膚結構感染與復雜皮膚感染，如皮膚潰瘍和術后切口感染，以及革蘭陽性菌引起的各種嚴重感染，其中就包括了對甲氧西林敏感的右側心內膜炎，菌落獲得性肺炎和VRE感染。其副作用較小，安全性頗高，被臨床醫學界譽為耐藥菌感染的最后一道防線。

據有關數據顯示，2016年，達托霉素的全球銷量超過了20億美元。同年，我國食品藥品監督總局批準華東醫藥和恒瑞醫藥生產達托霉素，學術研究界及醫藥行業致力于研究達托霉素的工業批量生產方法，就目前而言，發酵法依然是達托霉素生產中最為重要的方法，但菌種培養過程中，很可能由于外界因素的變化而影響達托霉素的遺傳穩定性，所以，對菌種實施16SrRNA基因序列分析和遺傳穩定性檢驗是必要的。

2 達托霉素的概述

2.1達托霉素的結構

達托霉素是一種由玫瑰孢鏈霉菌發酵而來的環脂肽結構的新型抗生素，臨床上屬于脂蛋白抗生素，達托霉素分子由連接到一個環狀 13 - 氨基酸肽的 N - 末端色氨酸上的癸酰基側鏈構成。

達托霉素天然存在于土壤腐生營養玫瑰孢鏈霉菌發酵液中的，生物醫學領域采用各種方法提取而來，作為玫瑰孢鏈霉菌經過發酵產生一組脂多肽混合物，色氨酸N的末端含有不同長度的脂肪鏈，是人類發現的第一個脂肪類抗生素。

化學分子式是C72H101N17O26，分子量為1620.67，精確質量為1619.71，熔點在202-204oC之間。被作為醫藥中間體，應用于臨床醫學中，注射試劑呈現為微淺黃色或黃色的晶體粉末，較易溶解于水，在堿性溶液和酸性溶液中可大量溶解，也較易溶解于小分子的有機溶劑中。

2.2達托霉素的作用機制

關于達托霉素的具體作用機制，目前并沒有較為權威的定論，就目前的研究結果而言，僅能證明達托霉素是一種Ca2+依賴性抗生素，與其他類型抗生素的作用機制有明顯的差別，達托霉素雖不能穿透細胞膜，但在與Ca2+結合之后，達托霉素將以非共價鍵的形式結合到細胞膜蛋白上，細胞膜上的達托霉素結合蛋白成為其作用靶位，達托霉素親脂尾部在細胞膜上起到了“離子通道”的作用，能夠阻礙細菌細胞壁中脂類物質的生物合成，從破壞細菌的細胞膜，導致內容物溢出，而達到細菌深度滅殺的效果，因此，最大限度的避免了細菌瘋狂繁殖而導致的炎癥反應。達托霉素良好的耐藥性正源于其特殊的作用機制，生物制藥公司的試驗階段，沒有發現達托霉素對其他類型的抗生素有不利影響，臨床實驗階段，也并未發生達托霉素于其他類型抗生素的交叉耐藥問題。

臨床試驗表明，達托霉素溶于水后非常穩定，在室溫條件下可保存長達7天，但在酸堿性發生變化時，達托霉素也較為容易變性，這種變性是不可逆的[4]，從目前的應用效果來看，因各種原因引起的耐藥在臨床實驗中是較為罕見的。

2.3達托霉素的生產

目前，用于治療威脅身體系統乃至生命的革蘭氏陽性菌所造成的各種感染的達托霉素的生產，有三種方法：微生物發酵法、生物合成法和化學合成法。

微生物發酵是目前應用中最重要的方法，采用較多的為前體誘導法，在玫瑰孢鏈霉菌發酵的過程中，添加癸酸，令達托霉素的前體A21978C通過酰化作用，與癸酸產生連接，合成最終的達托霉素。實驗表明，加入癸酸使得達托霉素的產量獲得了大幅提升。但在實際生產中，利用天然發酵的方法來生產達托霉素，產量顯然無法滿足市場需求，研究學者開始探索達托霉素培養基，采用激光誘變、代謝網絡分析等工藝，提升達托霉素的產量，效果顯著。

化學合成法要突破氨基酸單體的來源過少的問題，由于達托霉素結構中含有非蛋白氨基酸和D型氨基酸，大量學者要需要繞過疑難問題，繞過國外專利保護，突破性的進行合成，雖然我國徐紅巖和欽傳光采用不同方法合成了達托霉素，但由于的操作復雜、成本較高的問題，目前還未能實現工業批量生產。

生物合成法的探索，國內研究學者投入了巨大精力，達托霉素是一種非核糖體合成的抗生素，研究學者解決了達托霉素合成基因簇的結構與功能，并且利用對遺傳基因簇的遺傳性操作，試圖尋找出比達托霉素更具優勢的衍生物，由于還處于研究試驗階段，也未實現工業化生產。

3.達托霉素批的16SrRNA基因序列分析和遺傳穩定性檢驗

3.1 實驗材料

3.1.1 菌種

由江蘇恒瑞醫藥股份有限公司提供的樣品MS-1，原輔料達托霉素種子批。

3.1.2 主要培養基、試劑及緩沖液配置

2升LB培養基的配制：分別稱取氯化鈉（AR）20.0克，胰化蛋白胨（CP）20.0克，酵母抽提物（CP）10.0克于2升潔凈干燥的刻度燒杯中，加入約1.8升蒸餾水，用玻璃棒攪拌至溶解均勻，再用蒸餾水定容至2.0 升。

磷酸鹽母液配方：340mmol/L KH2PO4/1.44 mol/L K2HPO4的溶液4.62g的磷酸二氫鉀和25.08g磷酸氫二鉀（32.86g K2HPO4.3H2O）溶在足量的水中，使終體積為100ml。

Platinum R TaqDNA聚合酶、緩沖液體系、定制引物均由LifeTechnologiesTM提供;TA克隆使用的是TAKARA的pMDTM18-TVectorCloningKit;基因組DNA提取試劑盒，凝膠回收試劑盒，質粒小抽試劑盒均由上海碩美生物提供。

3.1.3 培養基分裝滅菌處理

將配好的培養基溶液分裝于專用試劑瓶內，蓋緊瓶蓋后再將瓶蓋擰松一圈（防止高壓下瓶子爆裂），并在瓶蓋外包上鋁箔紙。同批培養基若有不同種類，標注特別標識。

把裝有培養基的試劑瓶放入滅菌鍋內滅菌，設定滅菌溫度為121攝氏度、時間為20分鐘、壓力控制在0.1-0.15MPa。滅菌完畢后，從滅菌鍋中取出試劑瓶，將其冷卻至室溫（不燙手便可）后，將瓶蓋擰緊，放入冰箱中冷藏備用。

3.1.4 培養基加入抗生素處理

實驗前，分別在上述已經冷卻的培養基中加入一定體積的AMP/KAN儲備液，配成AMP/KAN抗生素培養基。

其它抗生素培養基在實驗過程中加入，在無抗性的培養基中加入一定體積的儲備液，具體添加儲備液濃度、加藥量、加水量、加乙醇量、培養基中儲備液加入量如下表所示。

儲備液的配制溶劑為乙醇（AR）或去離子水，自行保存管理，放置于冰箱冷凍室進行保存，保存期限為六個月。

3.1.5 實驗儀器

采用ABI9700型PCR儀進行PCR擴增，使用ABI3730XL型DNA測序儀進行測序。

3.2 16SrRNA基因序列分析試驗方法

3.2.1 試驗步驟

按照以下的方法步驟，開展16SrRNA基因序列分析：

第一步 根據目的序列設計并合成16s序列，引物序列如下圖;

第二步 按試劑盒說明操作，從提供的菌體中提取出基因組DNA;

第三步 以提取的模板和設計的引物進行PCR反應，2%瓊脂糖凝膠電泳檢測產物;

第四步 產物直接測序，雙向引物測通，同時進行TA克隆;

第五步 TA克隆測序結果出來后與產物結果進行比對，是否一致;

第六步 對測序結果進行Blast，并展示結果。

3.2.2 結果與數據分析

（1）鑒定結果

鑒定結果如圖1所示（圖a為DL2000標準maker，圖b為pcr產物跑膠鑒定結果及與maker的對比），電泳跑膠結果顯示片段大小在1500bp左右，與16S rRNA序列理論大小一致。

（2） 樣品MS-1測定序列

樣品MS-1測定序列如下表所示：

（3）Blast結果

通過NCBI網站進行數據比對， Blast結果如下表所示：

3.3 遺傳穩定性檢測試驗方法

3.3.1 試驗步驟

按照以下的方法步驟，開展遺傳穩定性檢測試驗：

第一步 根據目的序列設計并合成特異引物，引物序列如下表;

第二步 按試劑盒說明操作，從提供的菌體中提取出基因組DNA;

第三步以提取的模板和設計的引物進行PCR反應，2%瓊脂糖凝膠電泳檢測產物;

第四步產物可以直接測序，雙向引物測通，同時進行TA克隆;

第五步TA克隆測序結果出來后與產物結果進行比對，是否一致;

第六步對測序結果進行Blast，并展示結果。

3.3.2 結果與數據分析

（1）鑒定結果

鑒定結果如圖2所示（圖a為DL2000標準maker，圖b為pcr產物跑膠鑒定結果及與maker的對比）： 電泳跑膠結果顯示片段大小在700bp左右，與分析遺傳穩定性的特征序列理論大小一致。

（2）樣品MS-1測定序列

樣品MS-1測定序列如下表所示：

（3）Blast結果

NCBI網站進行數據比對，結果如下表：

結論：目的條帶明顯，大小在600-700bp左右，與Streptomyces 菌株同源性最高為99%。

4.結論與討論

測得16S rRNA序列與Streptomyces 菌株同源性最高為99%，NCBI網站進行數據比對，Streptomycessp同源性達到99.86%。表明江蘇恒瑞醫藥股份有限公司提供的樣品MS-1，原輔料達托霉素種子批是能夠穩定表達和傳代的菌株，可用于醫藥工業批量生產中。

參考文獻：

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