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随着生物科学的不断发展,生物转化(Biotransformation)逐渐应用于天然产物的研究中.其中所用的生物转化体系有微生物转化和植物细胞组织培养转化.微生物转化是利用细菌,霉菌等微生物体系的酶对外源性底物进行结构修饰所发生的化学反应.微生物种类繁多(10万种以上),分布广,繁殖快,易变异,对自然环境的变化有极强的适应能力,含酶丰富,同时也具有产生一些新型酶和特异性酶的巨大潜力,作为生物转化体系具有独特的优势.生物转化反应主要有氧化,还原,酯化,水解,缩合,聚合,水合,环化,苷化等反应.应用于不同化学反应的微物主要有霉菌(常用于氧化反应,还原反应,水解反应),细菌(脱氢反应,环化反应,酯化反应,水解反应,碳一碳键切断反应),酵母菌(还原反应,水解反应).鉴于微生物转化产品其形成过程更接近或等同于自然界,FDA将这类产品列入天然产品,这为生物转化及天然发酵产物的市场化提供了一个很好的软环境.我国在生物转化及天然药物发酵方面开展的工作不多,但已取得了一些成绩,有了一些积累.继续开展和加强这方面的研究将对药学,功能(保健)食品学及天然美容护肤品的研制与开发产生深远的影响,也将由此衍生出一系列创新性的高效产品.
微生物对天然药物的生物转化主要分为对中药中某种单一有效成分的转化和对中药的全成分转化.
1 微生物对天然药物中单一有效成分的生物转化
微生物对中药的单一有效成分的转化是将中药的某一特定有效成分提取出来,经微生物转化后,寻找新的化合物,然后对新化合物的药理筛选来确定转化是否有益,国内外对这方面的研究较为深入,早在1952年Peterson等利用黑根酶在孕酮11位上导入一个α-羟基,使其转化为11α一羟基孕酮,使孕酮合成皮质酮仅需三步反应,且收率高达90%,从而使可地松问世,使体内微量的各类甾体激素能够成为临床治疗药物;10-羟基喜树碱与喜树碱相比同样具有较好的抗肿瘤作用,但毒性大大降低,有研究表明可以利用微生物转化反应将喜树碱转化为10一轻基喜树碱;LiLi Ning等用小克银汉霉对雷公藤内酯进行了生物转化,转化产物共分出4个新化合物,对人肿瘤细胞株都有细胞毒活性.青蒿素是1971年从药用植物黄花蒿中分到的一个具有过氧桥的倍半萜类化合物,具有快速,高效,低毒的抗疟活性.许多科研工作者都试图通过结构改造,提高药物疗效,以提高青蒿素的资源利用率.研究人员从18个菌种中筛选出一个能够催化转化青蒿素,双氢青蒿素和蒿甲醚的菌株,并对培养基进行了优化,使主产物的转化率达到了56%以上.规模化制备的转化结果:从发酵产物中分离得到了16个转化产物并鉴定了其中14个结构,其中10个为新化合物.这14个转化产物中除一个为羰基化产物外,其余13个都是羟基化产物,极性都大于底物.这些化合物都是用化学方法无法制备的.以人参皂甙为原料,从野山参生长的土壤中分离筛选菌种,利用这些菌种对总皂苷进行了发酵,制备了具有抗肿瘤,抗血栓等强生物活性的稀有人参皂甙,其中Rg3的转化率达到了3% -5%,Rh2的转化率也达到了1%-2%.作为天然药物发挥药效活性的物质基础,天然活性成分往往含量低,结构复杂,合成困难.如紫杉醇,三尖杉酯碱,喜树碱,美登木素等含量都在万分之几或更低.从野生植物中寻找原料难以满足工业生产的需要.人工栽培也存在着成本高,周期长,产量难以保证等问题.其实,植物中不可能仅含有一种活性成分,往往还有一些生源关系相近或结构类似的化合物.利用生物转化技术把这些类似物转化成高活性的目标化合物即可大大提高生物资源的利用率,从而保护我们赖以生存的自然环境.例如喜树(珙桐科Nyssaceae)中含有喜树碱,羟基喜树碱,去氧喜树碱,甲氧基喜树碱等多种结构类似的生物碱.喜树碱为抗癌药物,对小鼠脑瘤22,艾氏癌,大鼠吉田肉瘤等有明显的抑制作用.其中10-羟基喜树碱对艾氏腹水癌,腹水肝癌,肉瘤137和180,宫颈癌14和大鼠瓦克瘤256有不同的抑制作用,对腹水型肿瘤的作用更为显著.同喜树碱相比,10-羟基喜树碱以疗效好,毒性低较为常用,但含量仅为万分之几.在喜树的总生物碱中喜树碱为主要成分,10-羟基喜树碱仅占十万分之二,依靠从天然资源中提取则费时,费力,浪费资源.研究发现利用曲霉等多种微生物能将喜树碱定向转化成10-羟基喜树碱,为解决资源问题闯出了新路.迄今为止尚未对喜树的各用药部位,尤其是抗癌活性很强的果实进行过生物发酵研究(液体或固体发酵),相信开展这方面的工作可能会有除10-羟基喜树碱含量增高之外的新发现.因为发酵过程会使喜树碱及其类似物发生很大改变,从而产生新的药理活性.再如抗癌活性成分美登木素是从卫矛科美登木属植物中分到的低毒性大环内酰胺类的抗癌物质,在体内外都有极强的抗癌活性,对S180,Lewis肺癌等均有疗效.云南西双版纳地区的傣族群众用美登木来治疗各种痈疡肿毒,包括肝,肺,胃肠癌肿,乳腺小叶增生及肝硬化等起得了较好的防治效果.美登木素还能抑制微小管蛋白的聚合,或使已聚合的微小管解聚,使细胞阻滞在有丝分裂的中期.美登木素这一方面的作用与另一个抗癌活性成分紫杉醇的作用机理很相似.但由于美登木素的天然资源十分有限,为了扩大药源有人对其生源途径进行了研究.从其菌根菌及内生菌的发酵产物中不仅发现了一些美登木素的类似或前体物而且还发现了一个类似物的抗癌活性远远超过了美登木素.这一结果为通过工业化发酵来生产抗癌药物展示了光明的前景.利用菌根菌及内生菌来转化美登木中的美登木素前体物或类似物将为这一重要抗癌植物药的研究揭开新的篇章.
2 微生物对天然药物的全成分生物转化
目前,一些中药具体的活性成分和其作用机制还不是很清楚,有些成分是口服后经过人体内消化酶的作用,体内微生物的代谢后才起作用,有些中药是多个成分协同起作用,仅仅采用对单一有效成分的转化研究对中药的生物转化来说有其不利的一面.不利于有效成分还不十分清楚的中药,也不适于一些靠复合成分起作用的中药,也不利于将中药中的一些无活性的前体转化后形成活性成分.所以有些学者提出不以特定成分为转化目标的中药转化研究,即微生物对中药的全成分转化,然后通过药理筛选模型来确定转化前后药效的变化是否有益,进而研究转化产物能否应用于治疗实践,较为适合中药的实际情况.这一方法的实质是通过对活性组份中不同成分的变化与活性强度消长关系的分析来确定某种转化是否有益.且中药的全成分转化有起独特的优点,中药中大多含有多糖,苷类等可为微生物生长时提供营养物质,而微生物在利用这些营养物质时可将这些物质转变成新的物质,而微生物则可能在这些中药的诱导下产生有疗效或对人体有益的物质,也可能在中药作用下微生物代谢产生次级代谢产物,而次级代谢产物中可能含有疗效或对人体有益的物质,另外还可以通过对中药中有毒成分的转化,起到解毒的作用.
中药的全成分生物转化古已有之,通过发酵炮制中药即为中药的全成分转化,如神曲,沉香曲,淡豆鼓,半夏曲,红曲,麦芽等都是通过发酵而制作的药物.虫草(蝙蝠蛾幼虫经虫草菌感染),僵蚕(家蚕经白僵菌感染)也都可以算做发酵产物.通过发酵微生物会将药物的成分分解,转化为新的成分,形成了新组合型的天然化合物群使药物的功能疗效发生改变[1,16].Kikuchi从僵蚕中分离到4个具有4-0-甲基葡萄糖结构单元的芳香化合物,据推测,他们是植物,昆虫,微生物相互作用的产物.白僵菌能转化不同的有机化合物,将羟基引入底物而产生相应的醇衍生物,氧化双键产生一个环氧化物或二醇.用白僵菌来进行β-4-0-甲基糖基化已被广泛用于含酚羟基的底物的生物转化.研究表明这4个芳香化合物都由白僵菌转化桑叶的前体化合物而形成.
又如虫草菌菌丝体的发酵产物.药理及临床研究发现虫草菌菌丝体的发酵产物同天然虫草的生理活性差异不大.在有的指标方面比如抗氧化上还强于天然虫草.天然虫草的生理活性物质主要为虫草多糖,虫草菌素及虫草酸,而虫草菌菌丝体的发酵产物中除了上述的几类活性成分外可能还含有一些天然虫草中不具有的微量物质,正是这些微量成分使菌丝体发酵产物在有的活性方面优于天然虫草.又如灵芝多糖及松茸多糖都有抗肿瘤活性,前者在450 mg/kg・d剂量时抑瘤率为85.6%,而后者在150 mg/kg・d剂量时抑瘤率为88.1%.但灵芝与松茸多糖的混合物抑瘤率最高只有77%,剂量为150mg/kg・d.而灵芝与松茸的混菌共酵多糖剂量为300mg/kg・d时抑瘤率高达89.2%.这一结果的原因可能是由于混菌共酵中产生了新的有效多糖活性成分及高生理活性成分增加所致.微生物发酵在有毒药物的研究方面也蕴藏着极大的潜力.例如菜籽饼,棉籽饼经过微生物发酵后可以脱去有毒物质,从而用来饲喂牲畜.在天然药用植物中很多都是毒性与疗效并存的品种.比如毛茛科的植物乌头,雪上一支蒿,瑞香科的植物狼毒等等.如何开展这些天然毒药的发酵研究将成为云南中医学院在科学研究方面的一个新生长点.生物转化及天然药物的发酵研究是一块充满机遇与挑战的研究热土.随着它的发展与成熟将会为天然药物的生产与市场开拓出片新的天地来.我国是天然药物生产和应用大国.随着生物技术的迅猛发展.我们有责任和义务将这些新技术引入到天然创新药物的研究设计中,在各个环节都注重新技术的应用进而研创出具有自主知识产权,有中国药物研究特色的创新药物及各种天然高效的活性产物.
3 结语
我国在生物转化和生物催化技术等现代生物工程技术应用方面与西方发达国家有20年的差距,集中体现在研究的生物转化反应类型和原始创新项目较少.以中药为出发点,充分发挥中药的优势,应用现代生物技术开展中药的全成分转化研究,辅之以药理筛选,对形成具有自主知识产权的新药具有极其广阔的前景,该种研究思路是一般化学转化所无法完成的,能在短时间内形成具有中国特色的生物转化研究体系,也是中药现代化的重要途径.我国有悠久的中药用药历史,也有丰富的生物资源,两者有机的结合,必将为中药资源开发推向新的阶段,促进中药新的发展.