2.2微生物計量在生物制藥中的應用

微生物計量在生物制藥特別是微生物發(fā)酵制藥領域也有廣泛應用前景。微生物發(fā)酵不僅可以生產藥物例如抗菌素和維生素等，也可以生產功能食品輔料（如輔酶Q10）。但無論生產何種目標產物，微生物發(fā)酵過程都是利用其具有代謝活力的活菌作為主體的，所以生產率與有代謝活力的活菌的數(shù)量密切相關。在發(fā)酵過程中為獲得更高的產量就必須精準控制各項參數(shù)，其中活菌數(shù)量是生物過程優(yōu)化中最為關鍵的參數(shù)，尤其是活菌濃度與其狀態(tài)變化分析，可以反映細菌的生長和產物的合成代謝，是整個生物發(fā)酵過程研究的核心。

只有準確測定發(fā)酵過程中的活菌數(shù)量，才能通過嚴格控制補料速率來調整微生物密度，從而實現(xiàn)微生物的大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)。過去常用的離線測定方法包括平板計數(shù)方法、細胞干重方法和吸光度法，都需要把發(fā)酵罐打開取樣后再進行測定，頻繁的采樣測定會提高污染雜菌的風險，一旦發(fā)酵罐內產品被染菌污染，就要全部倒掉從而造成至少數(shù)百萬元甚至上千萬元的經濟損失。目前，人們已經逐步開始采用包括電容法（Electrode method）在內的在線測定方法進行發(fā)酵微生物濃度測定，然而由于光密度法和熒光法無法區(qū)分死活菌，電極法的優(yōu)勢則逐漸顯現(xiàn)。電極法主要原理是活菌具有完整細胞結構可以被極化而死菌不能。因此，在無線電頻率范圍內，有完整原生質膜的活菌像一個電容器，產生的電容值在一定范圍內與活菌濃度成正比（如圖2）。但電容法測量活菌量是一種相對測量方法，需要建立電容值和活菌數(shù)的標準曲線才能進行準確測量，因此建立這個標準曲線就顯得尤為重要。

類球紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）是微生物發(fā)酵應用中主要產輔酶Q10的微生物之一。中國計量科學研究院建立了基于流式分析技術的類球紅細菌精準測量方法。采用該方法對系列稀釋后的類球紅細菌進行定值后與采用電極法測量活菌的結果進行對比發(fā)現(xiàn)：在濃度為106～1010 cells/m L的活細胞體系中，電極法測定的電容值與流式檢測結果之間具有良好的線性關系，表明兩種檢測方法對類球紅細菌的活菌計數(shù)無顯著差異（如圖3）。此外，我們初步建立起了類球紅細菌的量值溯源傳遞體系，使得活菌在線檢測量值可以通過類球紅細菌標準物質進行溯源，并通過國內外比對達到全國甚至全球測量量值統(tǒng)一，可以實現(xiàn)不同時間、不同空間、不同操作人之間的量值復現(xiàn)和一致性。進一步在此基礎上結合同位素標記實驗研究胞內的代謝途徑通量變化優(yōu)化合成代謝網絡，建立了基于在線活菌量定量控制的新工藝，對于輔酶Q10合成速率維持及生產成本降低具有重要意義。以生產輔酶Q10的某企業(yè)為例：通過建立基于在線活菌定量測量進行生產質控的新工藝，輔酶Q10產能由原年產量350噸提升至402.5噸，提升了15%。每噸價格按2 400元計算，新增產值1.26億元；每噸利潤按700元計算，新增利潤3 675萬元。由此可見微生物計量對于生物制藥產業(yè)的質量和效益提升發(fā)揮了重要作用。

2.3微生物計量在生物安全防護性能評價中的應用

生物安全防護裝備是高等級生物安全實驗室的硬件基礎和關鍵防護屏障，生物安全柜則是生物安全防護裝備最主要防護裝備之一，其防護性能的好壞直接關系著實驗人員和所處實驗環(huán)境的安全。尤其在新冠疫情期間，生物安全柜為醫(yī)護人員和科研人員從事新冠病毒檢測筑起了“第一道防線”，因此其防護性能評價十分重要，一直以來受到了國內外的高度關注。在生物安全防護裝備性能評價方面，中國計量科學研究院經過多年的技術積累和儲備，牽頭起草了JJF1815-2020《Ⅱ級生物安全柜校準規(guī)范》和JJF 1826-2020《空氣微生物采樣器校準規(guī)范》等一系列重要儀器設備計量技術規(guī)范。其中JJF1815-2020規(guī)范中人員保護、產品保護和交叉污染保護是生物安全柜的關鍵參數(shù)，其性能評價需要使用數(shù)量準確的微生物標準物質。中國計量科學研究院采用免疫熒光標記與流式定量分析技術開發(fā)了高濃度量值微生物標準物質制備技術，并有效解決了微生物標準物質批次間差異大的難題。基于該技術中國計量科學研究院已經研制出3種不同濃度的枯草芽孢桿菌芽孢計數(shù)標準物質（見表2），并成功獲批國家一級標準物質，可以確保性能評價指示菌的量值準確、可比、可溯源，為生物安全防護裝備性能評價和消毒滅菌效果評價提供了強有力的計量技術支撐和保障。

3結論

作為計量科學的重要組成部分之一，微生物計量研究雖然起步較晚但發(fā)展非常迅速。歷經近十年的不斷探索和研究，中國計量科學研究院已經研究建立了微生物精準測量方法和計量標準，并在國際計量局物質的量咨詢委員會（CCQM）、亞太計量規(guī)劃組織（APMP）和亞洲標準物質聯(lián)合研發(fā)組織（ACRM）上積極主導微生物國際對比項目，還與菲律賓、白俄羅斯、泰國、韓國等周邊和一帶一路沿線國家開展微生物計量的培訓和交流，我國微生物計量研究在國際上的影響力已經初步顯現(xiàn)。

“微觀生命”的神奇和復雜性決定了微生物計量研究將任重而道遠，為了應對微生物復雜測量的挑戰(zhàn)，滿足國家產業(yè)和人民生命健康對微生物精準測量的需求，需要不斷向微生物計量技術廣度和深度進軍。未來，我們將繼續(xù)深入探索研究多維度微生物活性表征技術和建立微生物量值溯源體系，精準揭示微生物與人類和環(huán)境相互作用機理；繼續(xù)加大微生物計量技術成果轉化力度，促進我國生物產業(yè)的高質量發(fā)展；繼續(xù)積極推動微生物計量國際比對，實現(xiàn)微生物測量量值的全球統(tǒng)一，搶占全球微生物計量研究的制高點。

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