一种新型的集成藻酸盐固定生物系统，结合脉冲进料和细胞回收技术，利用罗克福尔青霉菌（Penicillium roqueforti）实现免疫抑制剂麦考酚酸的半连续生产

《Process Biochemistry》：A Novel Integrated Alginate-Immobilized Biosystem with Pulse Feeding and Cell Recycling for Semi-Continuous Production of the Immunosuppressant Mycophenolic Acid by Penicillium roqueforti

　　

El-Sayed R. El-Sayed|Mohamed A. Taha|Aliaa A. Elshamy|Gharieb S. El-Sayyad

植物研究部门，核研究中心，埃及原子能局，开罗，埃及

摘要

麦角酚酸是一种具有重大药用价值的真菌代谢产物。在本研究中，使用Penicillium roqueforti GM1013菌株，通过固定化及补料策略来提高麦角酚酸的产量。该菌株通过将新鲜菌丝体包裹在藻酸钙珠中实现固定化，并利用响应面方法优化了关键固定化参数。在优化的固定化条件下，预测的最大麦角酚酸浓度与实验值（3.25 ± 0.76 mg/L）非常接近，这证实了模型的准确性。此外，还研究了Tween 80、甘氨酸和甲硫氨酸作为补料的策略，通过摇瓶发酵进行了10天的实验。四脉冲补料策略（第2天至第5天）产生了最高的麦角酚酸含量（5.87 ± 0.92 mg/L）和生产力，优于批量添加和其他补料方案。延迟的四脉冲补料（第3天至第6天）虽然提高了产量，但最终含量较低（4.92 ± 0.67 mg/L）。最后，通过珠子循环使用实现了半连续生产，在八个周期内总麦角酚酸产量达到30.64 mg/L，尽管由于菌株老化，生产力逐渐下降。总体而言，本研究表明，结合固定化优化与控制补料是提高麦角酚酸产量和工艺效率的有效方法。

引言

麦角酚酸（MPA）是一种具有巨大医学价值的真菌多酮类化合物，因为它是一类广泛使用的麦角酚酸衍生物药物的活性成分。在临床上，麦角酚酸是免疫抑制治疗的核心成分，其主要作用机制是抑制次黄嘌呤单磷酸脱氢酶[1]，从而限制从头合成鸟苷酸的过程，并选择性抑制活化淋巴细胞[2]。除了移植医学外，基于麦角酚酸的疗法仍在多种免疫介导的疾病中进行评估和应用[3]，这导致其长期需求保持高位，使得供应可靠性成为重要的科学问题[2]。同时，丝状真菌仍然是生物活性化合物的重要来源[4]，其中麦角酚酸等重要代谢产物的研究仍具有重要的科学意义，因为它们的调控机制、细胞组织结构及其生产力尚未完全应用于工业生产[5]。

从生产角度来看，真菌尤其是Penicillium属的物种，仍然是天然且历史上的主要麦角酚酸来源[6]。与全合成化学方法相比，真菌发酵提供了更可行的替代方案，通常需要的苛刻试剂较少，且更易于实现生物基规模化生产[7]。然而，即使是相同的真菌种类，不同菌株之间的麦角酚酸产量也存在较大差异，这取决于生物合成基因簇的完整性和表达情况[8]。过去十年中，多项研究通过使用改良菌株和基于统计学的培养基/工艺优化方法来提高真菌的生产力[9]、[10]、[11]。尽管如此，大多数工艺改进仍主要针对自由生长的菌株而非固定化菌株[12]、[13]。固定化为控制这种物理状态提供了一种实用的方法[14]。

从广义的生物加工角度来看，固定整个细胞可以增加有效生物量密度，简化生物量与培养液的分离，实现多次循环利用[15]，并使连续或半连续发酵成为可能[16]。对于丝状真菌而言，固定化还可以解决限制次级代谢产物发酵的特定问题，例如不受控制的菌体形态、剪切敏感性[18]、培养液粘度[19]以及下游澄清难度[20]。对于麦角酚酸而言，这些优势尤为重要，因为次级代谢过程与生长阶段、氧气传递及局部营养梯度密切相关[16]。然而，尽管有大量证据表明固定化对生物催化有益，但关于麦角酚酸的系统性评估在近期文献中仍然有限。

部分摘要

真菌菌株

Penicillium roqueforti GM1013是一种来自我们先前研究的突变菌株，其麦角酚酸（MPA）产量有所提高[21]。该突变体是通过伽玛射线诱变从亲本Penicillium roqueforti AG101中获得的。亲本菌株是根据其麦角酚酸生产能力分离和鉴定的[22]。该菌株在常规传代培养（每两个月一次）后保存于-4°C条件下。

GM1013菌株的固定化操作已经完成

结果与讨论

麦角酚酸是一种具有重要药用价值的生物活性次级代谢产物，因此开发高效的生产策略成为当前研究的重点。本研究中通过真菌发酵合成麦角酚酸，因为丝状真菌是这种宝贵化合物的天然且可靠的生产者[27]、[28]、[29]。然而，发酵产量可能受到真菌生长变化和营养供应情况的影响

本研究表明，固定化和补料策略是提高Penicillium roqueforti GM1013菌株麦角酚酸产量的关键工具。响应面方法优化表明，藻酸浓度、氯化钙浓度和生物量装载量对麦角酚酸的形成有显著影响。补料实验清楚地表明，补料方式与总补料量同样重要

不适用。

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究系的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2601）。

Aliaa A. Elshamy：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、概念设计。Mohamed A. Taha：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、概念设计。Gharieb S. El-Sayyad：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法学研究、资金筹措、数据分析、概念设计。El-Sayed R. El-Sayed：撰写 – 审稿与编辑

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不适用。

不适用。

无利益冲突。

研究主题：E.R.E.; 研究概念设计：E.R.E.和G.S.E.; 方法学：E.R.E.、M.A.T.和G.S.E.; 数据采集：E.R.E.、M.A.T.、A.A.E.和G.S.E.; 数据分析与解释：E.R.E.、M.A.T.、A.A.E.和G.S.E.; 手稿起草：E.R.E.和G.S.E.; 手稿最终修订：E.R.E.、M.A.T.、A.A.E.和G.S.E.; 所有作者均同意最终版本的手稿。