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综述

抗生素是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。现临床常用的抗生素有微生物培养液中提取物以及用化学方法合成或半合成的化合物，目前已知天然抗生素不下万种。抗生素品种繁多，主要分为两大类：ß-内酰胺类和非ß-内酰胺类。目前国内抗生素药物的生产工艺路线主要为生物发酵酶化提取合成工艺，即以玉米、黄豆等为原料，加工成淀粉、糖、豆油等含碳、氮化合物，以此为菌种提供营养，通过微生物转化的方式，制取头孢菌素、青霉素工业盐等核心中间体，并进一步生产合成抗生素药物。

抗生素耐药性机制

细菌具有显著的遗传可塑性,这使得它们能够应对多种环境威胁,包括能够危害其生存的抗生素分子的存在。从进化的角度来看,细菌使用两种主要的遗传策略来适应抗生素的“攻击”,一是基因突变产生抗性,这通常与化合物的作用机制有关；二是通过基因的水平转移获得编码抗性相关物质的外源 DNA。

在抗生素发酵生产过程中，需要对效价、总糖、氨基氮、菌浓（OD）等过程指标进行监测及控制，各项参数的变化会引起菌体内部代谢流路的变化，最终影响产品的产量和质量。目前温度、溶氧、PH、风量等这些参数都已经实现了在线监测和控制。效价、总糖、氨基氮、菌浓（OD）这些指标都是取样送化验室检测，时效性较低且浪费人力物力，发酵过程如同黑箱，严重制约发酵过程控制实现自动化。近红外分析技术可以在线实时检测效价、总糖、氨基氮、菌浓（OD）等过程指标，高效打开发酵过程黑箱，助力企业实现工业4.0。

2.1基因突变

在这种情况下,源自易感细菌群体的部分细菌中关于影响药物活性的基因发生突变,从而在环境中存在抗菌物质的情况下保持个体的存活,并且在抗生素的选择作用下耐药性细菌的比例逐渐增高。

2.2水平基因转移

通过基因转移获得外源DNA 物质是细菌进化的重要驱动力之一,也通常是导致抗生素耐药性发展的原因。一般来说,细菌主要通过三种主要策略获取外部遗传物质:

1.转化:将死亡细菌裸露的 DNA 转移到受体细菌；

2.转导:通过噬菌体转移基因；

3.接合: 通过细菌之间的接触转移基因。

临床上的抗性细菌只有少数如肺炎链球菌能够通过插入裸露的外源DNA 进行基因交换。对大多数细菌而言,利用重要的移动遗传元件(MGE)质粒作为载体进行基因交换的过程无疑更加高效，其在临床相关的抗生素耐药菌的产生和传播中起着至关重要的作用。

对抗抗生素耐药性的发展前景

对抗抗生素耐药性,总的来说可以归为 3 种方法:①减少抗生素的使用,并保护现有的药物。②开发新的抗生素。开发新的抗生素需要找到药物作用的新靶点,相对而言投入更大，且不可避免地会继续产生对新抗生素的耐药性。③不使用抗生素来治疗感染的治疗策略。近年来由于耐药性的发生，噬菌体治疗也逐步进入研究者的视线。

3.1抗生素复合物治疗

在抗生素耐药性演变过程中,经常会发生附带敏感性的现象。附带敏感性指的是在一种药物的进化诱导下出现对另一种药物的敏感性。各种抗药性机制,包括靶标基因突变以及影响药物吸收和流出的机制,都容易诱发附带敏感性。抗生素附带敏感性的存在已经被广泛证实,根据一项研究,74% 的实验室进化出的抗性系显示出对一种或多种药物的敏感性增强。关于附带敏感性的机制了解仍处于早期阶段，Nichol、等的研究证实了在第一种药物使用之后,第二种药物确实可以随机地表现出增加的易感性或增加的耐药性，并且通过靶向和全基因组测序,证实遗传差异是这种差异反应的驱动因素。

3.2开发新抗生素

为应对抗生素耐药性的挑战，全球也在不断进行新抗生素的开发。新抗生素的开发离不开新的药物作用靶点的发现，而进化上保守的毒力因子可以是候选治疗靶标或疫苗抗原。Yamaguchi等调查了对人类健康构成很大威胁的 16 种肺炎球菌的胆碱结合细胞表面蛋白(CBP)的进化选择性压力,发现在相当大的负选择下，CbpJ 在密码子总数中具有最高的密码子率。

体外和体内试验表明，Cbp.J 通过逃避嗜中性粒细胞的杀伤作用而成为肺炎球菌肺炎的致病因子。CbpL 的缺乏在较小的选择性压力下也引起了类似的趋势，但是在小鼠鼻内感染中没有显示出明显差异。因为在负选择压力下氨基酸残基区域不改变,靶向这些区域的药物不太可能通过自然突变促进耐药性的发展。因此,这一靶标可能会有助于新抗生素的开发。

3.3噬菌体治疗

噬菌体在自然界中丰富存在,能够有效杀死细菌。据估计，它们在某些环境中每天都在促进大约细菌质量的 20% 的周转率。在抗生素发现之前,噬菌体曾用于治疗和预防人类和动物传染病。而在青霉素发现之后,噬菌体疗法在抗生素到来的时代已经很大程度上被取代。如今在广泛的抗生素耐药性的背景下,噬菌体疗法又重新引起了人们针对多种耐药细菌以噬菌体疗法作为辅助或替代抗生素疗法的兴趣。由于对噬菌体的遗传、结构、功能和生态特征等方面研究的深入和基因工程技术的进步,已经开始了合成噬菌体的设计,这大大拓宽了噬菌体疗法的广度，因此,在多种疾病中噬菌体疗法的应用也在不断发展。

发酵在线近红外分析应用简介

近红外光谱(NIR)属分子振动光谱，是基频分子振动的倍频和组合频。主要是含氢基团X-H键(X为C、O、N、S等)的特征信息。近红外光谱分析技术具有快速、高效、无需样品预处理等优势，是非常理想的在线监测技术。

在发酵领域使用在线分析技术可创造以下价值：

a. 在保证产品质量的前提下以最低原料投入量生产，节约原料成本。

b. 提高产品的质量稳定性和产品美誉度，带来额外的市场和超额收益。

c. 预警染菌等异常情况，及时干预，降低损失。

d. 预测发酵终点，节约电能及蒸汽成本。

e. 连接DCS，自动实时补糖，间接提高企业收益。

f. 减少检测频度和取样频度，降低劳动强度，节约劳动力。

g. 节约实验室检测成本，减少分析设备耗材使用。

4.1瑞谱分析在线近红外产品简介

DA-7G是瑞谱分析正式发布的最新一代在线近红外分析仪。该款仪器的核心光谱仪部分集成了TE制冷控温512元线性InGaAs阵列检测器，光谱分辨率和灵敏性有了很大提升，并且沿用了非接触、大光斑的设计路径。基于DA-7G产品，最新开发的软硬件平台，对核心的光路设计、芯片控制系统和制冷控温模块均进行了优化设计，提升了仪器的稳定性和一致性，更加适配于恶劣工业现场的使用。DA-7G在线近红外分析仪致力于更好地应用于低含量成分的在线分析。

瑞谱分析DA-7G在线近红外分析仪在发酵过程在线检测优势在于大光斑+非接触测量，很好地解决了发酵生产的一些客观要求。例如，高达10cm直径的测量光斑可以有效克服发酵液中的气泡以及杂质干扰。非接触测量很好地解决了发酵过程无菌的要求。同时远离灭菌过程的高温环境提高了设备使用寿命。实时多指标检测，对生产工艺优化，生产及化验工作量减少，自动化水平提升等都起到了真正的帮助。

DA-7G图片

4.2效果示例

近红外模型的创建是实现在线近红外分析的前提和基础，近红外模型的效果好坏直接决定在线近红外分析仪能否准确检测成分参数含量。

评价近红外模型效果的两个重要参数：RMSE（预测标准偏差）和R2（决定系数，相关系数R的平方）。RMSE越小，表明近红外模型的检测准确度越高，检测误差越小。R2越大，表明近红外模型区分Y值高低大小的能力越强，但R2也取决于Y值的变化范围，若Y值变化变化范围较小，R2可能相对应的较小，但近红外模型的预测性能依然很好。此外，模型的主因子数（Factor）影响模型预测的稳定性，即预测的重复性，因子数应该在一定范围内（不超过10），因子数越大，模型的稳定性越差。

以在线近红外仪器采集的近红外光谱为X（自变量），以化验室实验室近红外仪器分析的参考值为Y变量（因变量），采用PLS（偏最小二乘法），创建抗生素发酵液中效价和糖含量模型。