生物药未来发展的催化剂——原料酶的工艺优化及质控

以当下极为火热的mRNA赛道为例，mRNA疫苗的研发与生产需要用到一系列的单酶，包括用于模板转录的T7 RNA聚合酶、用于加帽加尾修饰的牛痘病毒加帽酶、2''-O-甲基转移酶、Poly(A)加尾酶等。这些酶在mRNA疫苗工业化生产中，对于mRNA的稳定表达具有重要影响。在细胞治疗中的基因编辑技术, 需要用到Cas9、Cas12a等Cas酶进行CRISPR基因编辑系统的位点切割，这些酶会影响基因编辑的效力和精确性。在干细胞的培养中，采用干细胞活化酶可以促使干细胞的大量生长。

总体而言，酶作为一种高效催化剂，已经在生物制药的多个细分领域发挥重要作用，并且随着合成生物学的兴起，酶的应用前景将会更加广阔。

目前，已知能利用酶与微生物进行的转化反应有60余种，因此，酶工程技术已成为新药开发和改造传统制药工艺的重要手段。酶工程技术主要是指通过基因工程菌、酶分子修饰、酶定向进化、发酵等生物、化学技术来产生目的酶或者提升酶的性能、产量等符合实际应用的需求。国内外有诸多学者基于药物对生物机体的复杂作用，利用酶来研究、设计和开发药物，并且这一技术在开发和设计新药品时展现出良好的效果。基于至今用于商业规模生产的工业酶数量依然有限，引入人工智能算法和大量分子生物学底层创新工具，以及运用高度自动化设备，正在推动生物酶制造行业的发展。

比如对于酶的生产，发酵法是目前工业生产的主流方法，其是指在人工控制的条件下，利用微生物培养来获得人们所需要的酶。发酵法产酶的主要优点是微生物生长繁殖快、生长周期短、产量高且可以进行大规模培养。因此，筛选优良的产酶菌种以及优化合适的产酶条件有利于缩短生产周期，提高酶的质量和产量。通常一个优良的产酶菌要求繁殖快，产酶量高，能在便宜的底物上生长良好，产酶性能稳定，菌株不易退化。对于产酶菌株的筛选，可以采用自然界的产酶菌株，或者通过基因组筛选出特定酶基因进行分子克隆构建酶工程菌，或者通过酶的定向进化即通过对酶基因进行多轮突变和表达并筛选出特定的酶工程菌。这三种方式都需要重复筛选大量的多样性克隆库，因为符合要求的克隆都是极其稀少的，因此筛选的整个过程需要花费大量的时间和人力。丹纳赫生命科学旗下美谷分子仪器的Qpix 400系列高通量微生物筛选系统，可以自动吸取样品并均匀涂布到琼脂平板，通过大小、外形、间距、颜色、荧光、酶水解圈等条件对克隆进行筛选，并自动化挑取克隆到孔板，还可以自动化进行克隆库的复制、重排等操作，大大提高克隆的筛选速度并节省时间。

而产酶条件的优化通常需要进行培养基的优化，如调整培养基中的碳源、氮源、无机盐等成份的比例和浓度；培养条件调控，包括温度、pH值、培养时间、初始菌液浓度等的调节；有时候还需要添加辅助物质如酶诱导剂、共诱导剂等促进酶的合成和分泌。丹纳赫生命科学旗下贝克曼库尔特生命科学的BioLector-XT微型生物反应器可一次进行48个样品的平行培养，并可在线监测生物量、pH值、溶氧（DO）和各种荧光分子或蛋白质的荧光强度，同时还能结合微流控芯片技术实现各培养孔独立的pH控制和补料分批培养，并可放大工艺，非常适用于DoE环境下的菌株筛选和小试期间的培养工艺优化，继而为微生物的高质量放大培养提供指导。

例如，对大肠杆菌表达T7聚合酶生产用酵母营养素和诱导时间的筛选，采用了7种酵母营养素和6个诱导时间在Biolector上进行培养以及生物量和产量的在线分析，获得了产量更高的酵母营养素培养基和更佳的诱导条件。

随着酶越来越多地用于创新药物的生产，对酶的质控也提出了更高的要求。从法规层面来看，酶有按照生物制品来进行质控管理的趋势。我国2020版药典第一次收录了无动物源性重组胰蛋白酶的质量标准，胰蛋白酶在生物制品生产过程中是一种重要的生物原材料。该标准在USP39新增附录“<89>药品生产用辅料--酶”部分也被收录。

丹纳赫生命科学旗下SCIEX的毛细管电泳PA 800 Plus制药分析系统采用激光诱导荧光检测器以及CE-SDS的电泳模式（CGE-LIF），可对mRNA制备过程中的酶进行纯度质控。mRNA合成过程使用的酶的浓度比较低，通常只有0.1-0.5 mg/ml，且盐浓度较高，需要一种高灵敏度的蛋白纯度检测方法。CGE-LIF搭配P503染料，具有样品前处理简便、检测灵敏度高等特点。

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