今天我们介绍的是贵比黄金的青霉素是怎样变得比水还便宜的。在19世纪以前微生物细胞工厂主要用于食品的的改造。进入20世纪，微生物细胞工厂开始生产甘油、柠檬酸、乳酸和丙酮等工业原料。20世纪30年代，微生物细胞工厂生产了一种重要的产品—维生素C，到了20世纪40年代，诞生了微生物细胞工厂最重要的产品之一—青霉素。1928年，苏格兰生物学家Alexander Fleming在青霉菌的分泌物中发现了青霉素。
他本身不是研究霉菌的，是研究细菌的。细菌生长在培养基上，越长越多最后会形成一层菌苔。
图上黄色的部分就是细菌形成的菌苔。他发现在青霉菌的周围细菌无法生长，形成一个一个透明圈。他意识到青霉菌分泌的一样东西到培养基中导致细菌无法生长。于是他对青霉菌的分泌物进行了纯化，最后得到了青霉素。
1938年，澳大利亚的病理学家Howard Florey与英国生化学家Ernst Boris Chain等人合作研究青霉素抵抗细菌感染作用。他们在小鼠中证明了青霉素可以有效的抵抗细菌的感染。然后他们进行了第一次人体实验，虽然第一次人体实验失败了，但最终还是获得了成功。这个失败的原因，稍后就会讲到。由于这三个人在青霉素发现和应用中的重大贡献，他们分享了1945年的诺贝尔生理学奖。
我们来看看青霉素是如何生产青霉素的。合成青霉素的原材料是氨基已二酸、半胱氨酸、缬氨酸。整个合成途径需要3个酶的参与。相比而言化学法合成的青霉素就要麻烦多了，成本又高昂。生物合成效率远远高于化学合成。这是为什么呢？因为青霉素是青霉菌用来杀死环境中其他细菌的争夺养分的一种利器。在你死我活的微生物世界中，青霉菌就靠这招在进化中活了下来。这必须是一个非常高效的合成过程。这是化学合成无法比拟的。所以目前几乎所有的青霉素都是由青霉菌来生产的。但是青霉素有一个致命的问题，那就是产量太低。我们刚刚说了Florey和Chain第一次人体治疗实验失败了。其实治疗刚开始的时候青霉素的效果非常好，患者的病情已经开始好转。但是由于青霉素的产量太低。Florey手上的青霉素很快用完。到了最后他们不得不从患者的尿液中提纯青霉素后继续使用，坚持了5天终于弹尽粮绝，患者病情再次恶化，最后去世。所以说失败的原因并不是青霉素效果不好，而是剂量不够。到了1942年3月，美国利用青霉素成功治愈了第一位患者。但每天20万单位的用量，用去了全美青霉素产量的一半。因此说青霉素产量的不足已经成为制约青霉素发展的最大瓶颈。
怎么让青霉菌生产更多的青霉素呢？提高青霉素包括其他微生物细胞工厂的产品产量的两大关键：
①优化内因：提高菌株自身的生产能力。
20世纪40年代这时候连遗传物质是DNA都没有搞清楚，所以没有办法像现在一样利用基因工程来有目的的改造基因。青霉菌当时只能用人工的方式来筛选。
②优化外因：优化培养条件和生产工艺。
对于青霉素生产工艺的优化为之后的微生物细胞工厂的工业化生产树立了标杆，奠定了基础。
我们先来看看外因。1941年Florey和他实验室的另外一位科学家Heatly来到了美国伊利诺斯州的美国北部地区研究所与Andrew J. Moyer一起合作研究怎样提高青霉素的产量。
为什么要来美国呢？可不要忘记当时的时代背景。1941年盟军和法西斯正处于白热化·的状态。如果这个时候把研究放在英国，保不齐哪天就被德国的飞机给炸飞了。所以要找一个安全的地方。北部研究所位于美国中部，远离战火同时这里拥有世界上最大的玉米田可以为微生物的发酵提供足够的原料。几位科学家对青霉素对青霉素的发酵工艺进行了诸多的优化。
玉米浸出液是一种玉米加工时的副产品。科学家发现把它放到青霉菌的培养基中青霉菌可以长得更好。相当于是个变废为宝的方法。另外一个重要改变就是用乳糖替换培养基中的葡萄糖。这其中的道理我们稍后会讲到。通过这些改变他们把青霉素的产量由2个单位每毫升提升到了20个单位每毫升。在1943年之前，因为生产青霉素菌株都来源于同一个祖宗。那就是Fleming首次发现青霉素时所用的菌株。
美国为了寻找能够更高效的生产青霉素的的菌株费尽了心思。在北部研究所的科学家只要在家里、田地里看到了青霉菌都会拿回来试一下。1943年，科学家们终于发现了一个新的菌株。该菌株的青霉素产量比Fleming的菌株高上百倍。但是科学家对此还不满足。他们采用X射线和紫外线对菌株进行诱变。这些射线会对DNA造成损伤。它就会引起基因的改变。在一般条件下，绝大多数的突变都是没有意义的。有的突变甚至会降低青霉素的产量。但是会有极少数的突变会提高青霉素的产量。事实证明这招很管用。科学家通过诱变将青霉素的产量提高了750倍。介绍完内因和外因。我们再来看看社会需求对生物技术发展的推动。时至二战如果一方得到一种促进伤员康复的药物将极大的提高作战能力。这也使得国家对于青霉素的需求极为迫切。
美国政府要求包括惠氏、默克、辉瑞、施贵宝等各大药物公司都全力生产青霉素。通过上述合力从实验室到公司，青霉素的生产规模得到了大力的提升。从一开始的1L培养瓶（1%产率）到最后38吨发酵罐（80%~90%产率）青霉素的产量有了火箭般的蹿升。到1942年6月美国生产的青霉素只够治疗10个人。1943年5月之前，美国生产了400个人剂量的青霉素。1944年6月，美国为盟军诺曼底登陆准备了230万人剂量的青霉素。产量的上升伴随着价格的下降。1942年的时候青霉素无价。到1943年20美元/人剂量。1946年55美分/人剂量。现在5元人民币/人剂量。青霉素的工业化生产技术的发展使贵比黄金的青霉素最终卖得和水一样便宜。青霉素作为人类历史上第一种抗生素具有深远意义。青霉素使得二战中盟军的死亡率减少了12%~15%。自青霉素问世以来，挽救了至少6000万人的性命。对于青霉素的深入研究，开启了对于其他抗生素的发掘和使用。青霉素的生产为工业化发酵技术提供了标准化的流程，推动了微生物产业的发展。
接下来我们就来看看青霉素的生产流程。这是一张标准流程图。
很复杂。所以我们换一张卡通流程图来解释一下。
生产青霉素的第一步是准备培养基。培养基就是微生物的食物，它的食物要包括碳原（糖），也就相当于我们吃的米饭，氮源也就相当于我们吃的肉，第三个是无机盐。青霉素生产所需的的氮源是玉米浸出液。玉米浸出液是玉米加工的副产品，玉米被泡在50~60℃的二氧化硫溶液中，用于软化果粒，便于后期加工。浸泡过的溶液就是玉米浸出液。这其中含有大量的氨基酸、维生素和矿物质。这为青霉菌提供了优质的氮源和无机盐。接着说碳原，一般来说微生物最喜欢的碳原都是葡萄糖。可是我们刚才提到了Andrew Moyer等人发现用乳糖来替代葡萄糖就可以大幅度的提升青霉素的产量。这是为什么呢？青霉菌虽然可以生产青霉素，但这是一件很耗费能量的事。如果说环境中存在足够多的葡萄糖，青霉菌的策略就是抓紧繁殖，不需要生产青霉素。因此葡萄糖会抑制青霉素的生产。但如果周围出现了其他细菌来抢葡萄糖，葡萄糖水平下降。青霉素就开始生产了。把这些和它抢的家伙干掉。所以说青霉素的生产是一个经典的负反馈的过程。青霉菌通过感受葡萄糖的浓度来调节青霉素的产量，在保障能量的合理利用的前提下杀死竞争对手。我们再来看看乳糖，乳糖可以替代葡萄糖作为碳原。乳糖不会抑制青霉素的合成，青霉菌在发现周围没有葡萄糖的情况下觉得肯定有其他细菌在偷吃，所有就拼命的生产青霉素来杀死这些细菌，但实际上这些细菌并不存在。多生产出来的青霉素都变成了我们人类的产品。下一个步骤就是对培养基进行灭菌。灭菌是利用高压和热来杀死培养基中的所有生命体。基本原理跟我们的高压锅差不多。所以工业上的灭菌装置看上去就是个大号的高压锅。为什么要灭菌呢？灭菌可以保证青霉菌是培养基中唯一的生物。青霉菌就可以在不受其他生物干扰的情况下生长。你可不希望在养羊的时候混进一只狼吧？
第三步是准备种子液。微生物在生长过程中会分泌一些物质来促进自身的生长。如果在起始培养基中微生物浓度过低。就会导致这种促生长物质的浓度过低，不能促进生长。所以我们不能直接把一丁点的青霉菌接到38吨的发酵罐里。现在先把微生物接种在少量的培养基里面。这就叫做种子液。然后，种子液里的微生物浓度比较高。它可以生长的比较快。当微生物生长到一定浓度之后，再转移到大量的培养基中生长。接着逐步增加培养基的量，最终达到工业级的生产规模。通过这种接力式的接种方式可以保证培养液中培养物质的浓度，可以明显的缩短培养周期。
接下来就是发酵了。青霉菌在发酵罐中生产青霉素。发酵罐要对温度、压力、PH、补料、铁离子进行实时监控。目的在于提供青霉素生产的最佳环境。一般这个过程持续4~5天。现在发酵罐的规模也越来越大。最大的可以达到100吨。在生产过程中，青霉菌将青霉素释放到培养液中。在发酵完成之后，首先就是要将菌体去除，常用的方式是过滤。图中展示的就是一个真空过滤装置。
随后要对培养基中的青霉素进行提纯。这里利用青霉素在不同溶液中溶解度不同的特性。青霉素在酸性条件下容易溶解于有机溶剂。将培养液的PH调至酸性，采用醋酸丁酯和戊酯等溶剂进行萃取。
水相中的青霉素就跑到有机相中去了。
下一步是离心。将含有青霉素的有机溶剂与水溶液分开。这个时候青霉素还不算太纯。所以还要利用水溶液和有机溶剂对青霉素进一步萃取。
最后获得溶解在有机溶剂中的高纯度青霉素。这个时候再把溶液调节至碱性，青霉素的溶解度下降，晶体析出，用离心机经晶体分离出来。
最后一步是干燥。结晶获得的青霉素中含有大量的水分。在大型干燥器中，利用热空气将青霉素吹起，去除其中的水分。不过温度不能太高否则就容易造成青霉素的失活。这就是青霉素的工业生产流程。这套流程为微生物细胞工厂产品的生产树立了标杆。
