微生物发酵的定义指利用适当的微生物，在特定环境下将原料通过一定代谢方式转变为人类所需的目的产物的过程。在制药领域，通过发酵能获得大量由微生物分泌的次级代谢物，这些富含生物活性的代谢产物恰能用于疾病治疗。从生化角度来看，发酵主要指微生物对碳水化合物的酶促分解和利用。由于微生物具有较高的比表面积，支持高代谢率和各种生化反应，而且仅依赖廉价的碳氮资源就能生产高价值的化合物，可谓是一座天然宝藏。
一般而言，微生物遗传特性的差异与发酵条件决定了产物的质量与产量。制药行业通常使用的微生物包括原核生物，例如大肠杆菌，金黄色葡萄球菌等细菌。事实证明大肠杆菌是最重要的微生物之一，生产药物既高效又经济。原核生物中的链霉菌（例如，链霉菌属，放线菌属）也是常用菌种，如灰色链霉菌能生产抗生素链霉素。真核生物中，丝状真菌（如黑孢菌属、曲霉属）和酵母菌（例如酿酒酵母和巴斯德毕赤酵母）也成功应用于制药工艺。其中巴斯德毕赤酵母兼具原核生物生长特性和真核细胞的PTM（蛋白翻译后修饰）特征，如今已广泛应用在疫苗、抗体片段、激素、细胞因子、基质蛋白和生物仿制药等生产领域。数据显示，迄今被发现的天然化合物大概100多万种，其中生物活性化合物22500种，45%由放线菌产生，38%来自真菌，17%由细菌产生。
按照微生物发酵的环境不同，微生物发酵的形式可分为好氧发酵技术、厌氧发酵技术以及兼性厌氧发酵技术等。此外根据不同的发酵工具，微生物发酵还可分为以下四类：密闭发酵、敞口发酵、浅盘发酵及深层发酵（图1）。发酵技术的关键要素是菌株选择和优化、培养基和流程设计，最后是扩大规模以最大程度地提高生产率，下游工艺利用各种技术从稀发酵液中提取、浓缩和纯化最终产物。
值得注意的是，当发酵量大于10L时，就要采取必要的生物安全措施，尤其是当使用第二级危险群微生物（RG2）时，必须启用大型生物安全二级（BSL2-LS）密闭设施和特殊操作程序。因为产物还可能有毒性和危险性，所以回收和纯化时务必做好充足的化学/生化设施准备，配备处理高活API（HPAPI）的隔离器。
图1. 微生物菌种发酵罐
Source：网络
为什么制药业对小小的微生物“格外恩宠”？因为部分有机分子结构非常复杂，可能包含诸如手性、立体选择性或独特的共轭双键系统等结构，单纯依靠化学合成不仅需要大量技术研发、耗时且成本高昂，所以采用发酵技术就成为明智之举。目前大量有价值的医药产品，包括抗生素、氨基酸、酶、酶抑制剂、核苷酸、维生素、有机酸、疫苗和多糖等，都能通过微生物发酵产生，该技术已成为医药制造不可或缺的重要技术（表1）。
表1. 微生物药物举例
Source：Recent trends in pharmaceutical biotechnology
随着基因重组技术发展，微生物还能按需“定制化”生产。1970年代，人类开发出用于大规模生产的工业化菌株，能大幅提高产量，例如微生物发酵产生的重组蛋白药物、疫苗和单抗等生物制品，预估当时市场规模已达150亿美元。据BCC Research，全球蛋白质药物市场已超500亿美元，年均增长率将近4%，未来将有200余种上市蛋白类药物用于治疗糖尿病、癌症、呼吸系统疾病、心血管疾病和炎症等疾病。面对庞大的市场需求，微生物发酵生产蛋白的趋势将有增无减，迎来新高潮（表2）。
表2. 微生物发酵生产蛋白
Source：Recent trends in pharmaceutical biotechnology
回顾重组蛋白和抗体技术演变史，早在10年前，FDA/EMA就批准了150余种蛋白重组药物，其中一半以上是通过细菌或酵母菌发酵而来。之后随着细胞培养系统的出现，科研人员眼光逐渐转向哺乳动物系统以生产更大分子的蛋白和抗体，如今新一代的结构更复杂的小型分子药横空出世，如ADC、生物联接体、抗体片段或小肽片段和其他分子支架等，让人们的目光重新聚焦于微生物发酵平台，并重点开发新型基因工程微生物菌株，让微生物研发重回舞台。
与萌芽的新潮技术不同，利用微生物发酵的制药技术早已成熟，市场规模庞大，增长前景广阔。其实相比细胞培养，微生物发酵处理时间更短且培养基成本更低，通过基因工程改造能产生高浓度生物分子，表达量远超哺乳动物细胞（表3）。据报道，全球四个制药巨头，包括AbbVie，GSK，Sanofi和Eli Lilly，都应用微生物和哺乳动物细胞生产产品，而绝大多数其他公司（如默克公司和拜耳公司）则依赖微生物体系。
表3. 微生物发酵与哺乳动物细胞表达比较
Source: Production of pharmaceutical compounds through microbial fermentation
据Transparency market research，2016年全球微生物发酵总市场规模达14,938亿美元，2025年预计扩增到24,475亿美元，从2017年到2020年年复合增长率为5.7%，全球市场份额排名依次是北美地区、欧洲、亚太地区、拉丁美洲和中东及非洲地区（图2）。其中2017年微生物制药市场规模约1000亿美元，且以6%的年复合增长率稳步增长。预计2020年，微生物发酵产生的蛋白类药物将从如今440亿美元增加到600亿美元，肽激素市场将从180亿美元上升到280亿美元，疫苗市场规模也将从10亿美元递增到190亿美元。
图2. 全球微生物发酵市场规模
Source: Transparency market research
微生物发酵制药行业的快速增长也带动了CDMO领域的发展。在现阶段，北美地区的CDMO行业依然占主导地位，2018年其CDMO市场占全球总份额的40%。而伴随全球CMO/CDMO产业不断向新兴市场国家倾斜的趋势，未来医药研发生产外包服务的市场格局也将迎来新的发展机遇。
参考链接：
//www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/largegut/ferment.html
//wenku.baidu.com/view/69511eeedcccda38376baf1ffc4ffe473268fd51.html
//www.lonza.com/custom-manufacturing/biological-manufacturing/microbial-fermentation.aspx
//www.pharmasalmanac.com/articles/the-renaissance-of-microbial-fermentation
//www.zionmarketresearch.com/report/microbial-fermentation-technology-market
//www.biovectra.com/capabilities/microbial-fermentation/
