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今天我們介紹的是貴比黃金的青霉素是怎樣變得比水還便宜的。在19世紀以前微生物細胞工廠主要用于食品的的改造。進入20世紀，微生物細胞工廠開始生產甘油、檸檬酸、乳酸和丙酮等工業(yè)原料。20世紀30年代，微生物細胞工廠生產了一種重要的產品—維生素C，到了20世紀40年代，誕生了微生物細胞工廠最重要的產品之一—青霉素。1928年，蘇格蘭生物學家Alexander Fleming在青霉菌的分泌物中發(fā)現了青霉素。 
他本身不是研究霉菌的，是研究細菌的。細菌生長在培養(yǎng)基上，越長越多最后會形成一層菌苔。
圖上黃色的部分就是細菌形成的菌苔。他發(fā)現在青霉菌的周圍細菌無法生長，形成一個一個透明圈。他意識到青霉菌分泌的一樣東西到培養(yǎng)基中導致細菌無法生長。于是他對青霉菌的分泌物進行了純化，最后得到了青霉素。
1938年，澳大利亞的病理學家Howard Florey與英國生化學家Ernst Boris Chain等人合作研究青霉素抵抗細菌感染作用。他們在小鼠中證明了青霉素可以有效的抵抗細菌的感染。然后他們進行了第一次人體實驗，雖然第一次人體實驗失敗了，但最終還是獲得了成功。這個失敗的原因，稍后就會講到。由于這三個人在青霉素發(fā)現和應用中的重大貢獻，他們分享了1945年的諾貝爾生理學獎。
我們來看看青霉素是如何生產青霉素的。合成青霉素的原材料是氨基已二酸、半胱氨酸、纈氨酸。整個合成途徑需要3個酶的參與。相比而言化學法合成的青霉素就要麻煩多了，成本又高昂。生物合成效率遠遠高于化學合成。這是為什么呢？因為青霉素是青霉菌用來殺死環(huán)境中其他細菌的爭奪養(yǎng)分的一種利器。在你死我活的微生物世界中，青霉菌就靠這招在進化中活了下來。這必須是一個非常高效的合成過程。這是化學合成無法比擬的。所以目前幾乎所有的青霉素都是由青霉菌來生產的。但是青霉素有一個致命的問題，那就是產量太低。我們剛剛說了Florey和Chain第一次人體治療實驗失敗了。其實治療剛開始的時候青霉素的效果非常好，患者的病情已經開始好轉。但是由于青霉素的產量太低。Florey手上的青霉素很快用完。到了最后他們不得不從患者的尿液中提純青霉素后繼續(xù)使用，堅持了5天終于彈盡糧絕，患者病情再次惡化，最后去世。所以說失敗的原因并不是青霉素效果不好，而是劑量不夠。到了1942年3月，美國利用青霉素成功治愈了第一位患者。但每天20萬單位的用量，用去了全美青霉素產量的一半。因此說青霉素產量的不足已經成為制約青霉素發(fā)展的最大瓶頸。怎么讓青霉菌生產更多的青霉素呢？提高青霉素包括其他微生物細胞工廠的產品產量的兩大關鍵： ①優(yōu)化內因：提高菌株自身的生產能力。 20世紀40年代這時候連遺傳物質是DNA都沒有搞清楚，所以沒有辦法像現在一樣利用基因工程來有目的的改造基因。青霉菌當時只能用人工的方式來篩選。 ②優(yōu)化外因：優(yōu)化培養(yǎng)條件和生產工藝。 對于青霉素生產工藝的優(yōu)化為之后的微生物細胞工廠的工業(yè)化生產樹立了標桿，奠定了基礎。 我們先來看看外因。1941年Florey和他實驗室的另外一位科學家Heatly來到了美國伊利諾斯州的美國北部地區(qū)研究所與Andrew J. Moyer一起合作研究怎樣提高青霉素的產量。
為什么要來美國呢？可不要忘記當時的時代背景。1941年盟軍和法西斯正處于白熱化·的狀態(tài)。如果這個時候把研究放在英國，保不齊哪天就被德國的飛機給炸飛了。所以要找一個安全的地方。北部研究所位于美國中部，遠離戰(zhàn)火同時這里擁有世界上最大的玉米田可以為微生物的發(fā)酵提供足夠的原料。幾位科學家對青霉素對青霉素的發(fā)酵工藝進行了諸多的優(yōu)化。
玉米浸出液是一種玉米加工時的副產品?？茖W家發(fā)現把它放到青霉菌的培養(yǎng)基中青霉菌可以長得更好。相當于是個變廢為寶的方法。另外一個重要改變就是用乳糖替換培養(yǎng)基中的葡萄糖。這其中的道理我們稍后會講到。通過這些改變他們把青霉素的產量由2個單位每毫升提升到了20個單位每毫升。在1943年之前，因為生產青霉素菌株都來源于同一個祖宗。那就是Fleming首次發(fā)現青霉素時所用的菌株。 
美國為了尋找能夠更高效的生產青霉素的的菌株費盡了心思。在北部研究所的科學家只要在家里、田地里看到了青霉菌都會拿回來試一下。1943年，科學家們終于發(fā)現了一個新的菌株。該菌株的青霉素產量比Fleming的菌株高上百倍。但是科學家對此還不滿足。他們采用X射線和紫外線對菌株進行誘變。這些射線會對DNA造成損傷。它就會引起基因的改變。在一般條件下，絕大多數的突變都是沒有意義的。有的突變甚至會降低青霉素的產量。但是會有極少數的突變會提高青霉素的產量。事實證明這招很管用。科學家通過誘變將青霉素的產量提高了750倍。介紹完內因和外因。我們再來看看社會需求對生物技術發(fā)展的推動。時至二戰(zhàn)如果一方得到一種促進傷員康復的藥物將極大的提高作戰(zhàn)能力。這也使得國家對于青霉素的需求極為迫切。
美國政府要求包括惠氏、默克、輝瑞、施貴寶等各大藥物公司都全力生產青霉素。通過上述合力從實驗室到公司，青霉素的生產規(guī)模得到了大力的提升。從一開始的1L培養(yǎng)瓶（1%產率）到最后38噸發(fā)酵罐（80%~90%產率）青霉素的產量有了火箭般的躥升。到1942年6月美國生產的青霉素只夠治療10個人。1943年5月之前，美國生產了400個人劑量的青霉素。1944年6月，美國為盟軍諾曼底登陸準備了230萬人劑量的青霉素。產量的上升伴隨著價格的下降。1942年的時候青霉素無價。到1943年20美元/人劑量。1946年55美分/人劑量?，F在5元人民幣/人劑量。青霉素的工業(yè)化生產技術的發(fā)展使貴比黃金的青霉素最終賣得和水一樣便宜。青霉素作為人類歷史上第一種抗生素具有深遠意義。青霉素使得二戰(zhàn)中盟軍的死亡率減少了12%~15%。自青霉素問世以來，挽救了至少6000萬人的性命。對于青霉素的深入研究，開啟了對于其他抗生素的發(fā)掘和使用。青霉素的生產為工業(yè)化發(fā)酵技術提供了標準化的流程，推動了微生物產業(yè)的發(fā)展。接下來我們就來看看青霉素的生產流程。這是一張標準流程圖。
很復雜。所以我們換一張卡通流程圖來解釋一下。
生產青霉素的第一步是準備培養(yǎng)基。培養(yǎng)基就是微生物的食物，它的食物要包括碳原（糖），也就相當于我們吃的米飯，氮源也就相當于我們吃的肉，第三個是無機鹽。青霉素生產所需的的氮源是玉米浸出液。玉米浸出液是玉米加工的副產品，玉米被泡在50~60℃的二氧化硫溶液中，用于軟化果粒，便于后期加工。浸泡過的溶液就是玉米浸出液。這其中含有大量的氨基酸、維生素和礦物質。這為青霉菌提供了優(yōu)質的氮源和無機鹽。接著說碳原，一般來說微生物最喜歡的碳原都是葡萄糖?？墒俏覀儎偛盘岬搅薃ndrew Moyer等人發(fā)現用乳糖來替代葡萄糖就可以大幅度的提升青霉素的產量。這是為什么呢？青霉菌雖然可以生產青霉素，但這是一件很耗費能量的事。如果說環(huán)境中存在足夠多的葡萄糖，青霉菌的策略就是抓緊繁殖，不需要生產青霉素。因此葡萄糖會抑制青霉素的生產。但如果周圍出現了其他細菌來搶葡萄糖，葡萄糖水平下降。青霉素就開始生產了。把這些和它搶的家伙干掉。所以說青霉素的生產是一個經典的負反饋的過程。青霉菌通過感受葡萄糖的濃度來調節(jié)青霉素的產量，在保障能量的合理利用的前提下殺死競爭對手。我們再來看看乳糖，乳糖可以替代葡萄糖作為碳原。乳糖不會抑制青霉素的合成，青霉菌在發(fā)現周圍沒有葡萄糖的情況下覺得肯定有其他細菌在偷吃，所有就拼命的生產青霉素來殺死這些細菌，但實際上這些細菌并不存在。多生產出來的青霉素都變成了我們人類的產品。下一個步驟就是對培養(yǎng)基進行滅菌。滅菌是利用高壓和熱來殺死培養(yǎng)基中的所有生命體?；驹砀覀兊母邏哄伈畈欢唷Ｋ怨I(yè)上的滅菌裝置看上去就是個大號的高壓鍋。為什么要滅菌呢？滅菌可以保證青霉菌是培養(yǎng)基中唯一的生物。青霉菌就可以在不受其他生物干擾的情況下生長。你可不希望在養(yǎng)羊的時候混進一只狼吧？
第三步是準備種子液。微生物在生長過程中會分泌一些物質來促進自身的生長。如果在起始培養(yǎng)基中微生物濃度過低。就會導致這種促生長物質的濃度過低，不能促進生長。所以我們不能直接把一丁點的青霉菌接到38噸的發(fā)酵罐里?，F在先把微生物接種在少量的培養(yǎng)基里面。這就叫做種子液。然后，種子液里的微生物濃度比較高。它可以生長的比較快。當微生物生長到一定濃度之后，再轉移到大量的培養(yǎng)基中生長。接著逐步增加培養(yǎng)基的量，最終達到工業(yè)級的生產規(guī)模。通過這種接力式的接種方式可以保證培養(yǎng)液中培養(yǎng)物質的濃度，可以明顯的縮短培養(yǎng)周期。
接下來就是發(fā)酵了。青霉菌在發(fā)酵罐中生產青霉素。發(fā)酵罐要對溫度、壓力、PH、補料、鐵離子進行實時監(jiān)控。目的在于提供青霉素生產的最佳環(huán)境。一般這個過程持續(xù)4~5天?，F在發(fā)酵罐的規(guī)模也越來越大。最大的可以達到100噸。在生產過程中，青霉菌將青霉素釋放到培養(yǎng)液中。在發(fā)酵完成之后，首先就是要將菌體去除，常用的方式是過濾。圖中展示的就是一個真空過濾裝置。
隨后要對培養(yǎng)基中的青霉素進行提純。這里利用青霉素在不同溶液中溶解度不同的特性。青霉素在酸性條件下容易溶解于有機溶劑。將培養(yǎng)液的PH調至酸性，采用醋酸丁酯和戊酯等溶劑進行萃取。水相中的青霉素就跑到有機相中去了。 下一步是離心。將含有青霉素的有機溶劑與水溶液分開。這個時候青霉素還不算太純。所以還要利用水溶液和有機溶劑對青霉素進一步萃取。
最后獲得溶解在有機溶劑中的高純度青霉素。這個時候再把溶液調節(jié)至堿性，青霉素的溶解度下降，晶體析出，用離心機經晶體分離出來。
最后一步是干燥。結晶獲得的青霉素中含有大量的水分。在大型干燥器中，利用熱空氣將青霉素吹起，去除其中的水分。不過溫度不能太高否則就容易造成青霉素的失活。這就是青霉素的工業(yè)生產流程。這套流程為微生物細胞工廠產品的生產樹立了標桿。
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