微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)在有機(jī)藥物合成中的應(yīng)用研究

＊趙梅紅

（石家莊科技職業(yè)學(xué)院 河北 050000）

引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展，作為藥物合成技術(shù)的組成部分，微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)也取得一定的應(yīng)用成果，尤其是在有機(jī)藥物合成方向。相對(duì)于以往的有機(jī)藥物化學(xué)合成方法，微生物轉(zhuǎn)化方法具有生產(chǎn)高效、生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化、生產(chǎn)成本低、反應(yīng)條件適宜等優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)有機(jī)藥物合成領(lǐng)域合理應(yīng)用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)成為必然趨勢(shì)，微生物轉(zhuǎn)化在有機(jī)藥物合成方向的應(yīng)用的分析研究，為微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用提供了更為明確的方向，有助于微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究應(yīng)用，從而促進(jìn)有機(jī)藥物合成的進(jìn)一步發(fā)展。

1.微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的應(yīng)用研究

微生物轉(zhuǎn)化主要是利用微生物體系產(chǎn)生的酶作為催化劑，對(duì)有機(jī)化合物底物的某個(gè)特定結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行改造，使其成為具有更具應(yīng)用價(jià)值、結(jié)構(gòu)相似的新化合物，實(shí)現(xiàn)有機(jī)合成的一種方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，微生物轉(zhuǎn)化方法主要利用微生物體內(nèi)的酶進(jìn)行有機(jī)化合物合成，具備高效的生物催化效率以及選擇性好、易于反應(yīng)等突出特點(diǎn)?；谖⑸镒陨韽?qiáng)大、高效的酶催化體系，微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)被應(yīng)用于解決傳統(tǒng)化學(xué)合成方法難以解決的化合物合成問題，同時(shí)被廣泛應(yīng)用于制藥行業(yè)，為現(xiàn)代有機(jī)藥物合成提供新方法和新手段。

2.微生物反應(yīng)的主要影響因素

微生物反應(yīng)實(shí)際上是以酶作為主要內(nèi)容的催化反應(yīng)，與其他酶反應(yīng)類似，在微生物反應(yīng)過程中受到多種因素的影響，酶含量、底物、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、pH等都會(huì)對(duì)微生物反應(yīng)的實(shí)際生產(chǎn)效果產(chǎn)生影響。由此，在微生物反應(yīng)進(jìn)行過程中，需要控制好這些因素，防止其對(duì)有機(jī)化合物合成的干擾。

（1）酶含量。隨著反應(yīng)中酶含量的上升，增加底物分子與酶發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)，所以在一定范圍內(nèi)，酶含量越高，有機(jī)化合物的合成率也越高。但是如果酶的含量繼續(xù)增加，目的產(chǎn)物的濃度繼續(xù)上升，考慮到微生物的復(fù)雜體系，可能會(huì)將底物轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌衔?，亦或者將目的化合物進(jìn)一步生成為其他物質(zhì)。因此，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，要綜合考慮各種因素，盡可能提高目的化合物的合成率。

（2）底物。隨著底物濃度的增加，目的產(chǎn)物也繼續(xù)增加。但是，通常情況下，底物不是微生物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的物質(zhì)，甚至較高的濃度會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生一定的毒害作用，所以需要平衡底物濃度和產(chǎn)物濃度的關(guān)系，確定酶含量與底物濃度的最佳配比，太低的底物濃度會(huì)造成酶的浪費(fèi)，過高的底物濃度會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)。通過兩者間的最佳配比，使有機(jī)藥物合成獲得最高的效益。

（3）反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度是影響微生物生長(zhǎng)繁殖和酶活性的重要因素，在一定程度上，隨著溫度的上升，酶活性逐漸增強(qiáng)，反應(yīng)速率加快，如果超過一定溫度界限，微生物生長(zhǎng)和酶活性都會(huì)受到抑制，因此，應(yīng)該選擇適宜溫度條件進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。

（4）反應(yīng)時(shí)間。微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)實(shí)質(zhì)是酶催化反應(yīng)，如果反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成微生物衰退、酶失去活力，如果反應(yīng)時(shí)間過短則反應(yīng)不充分并造成原料的浪費(fèi)。最佳反應(yīng)時(shí)間依據(jù)反應(yīng)類型、微生物生長(zhǎng)速度、酶活性、底物毒性而定，不同反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間不同。

（5）pH。pH對(duì)微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)也具有重要影響，不同pH影響微生物生長(zhǎng)和酶活性，在適宜的pH范圍下，同時(shí)其他反應(yīng)條件也適宜，較為容易得到較好的轉(zhuǎn)化率，超過這個(gè)范圍不僅抑制酶活性，也會(huì)影響微生物生長(zhǎng)。

3.微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)在有機(jī)藥物合成中的應(yīng)用

(1)在天然藥物合成中的應(yīng)用

由于天然藥物中的天然活性成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在利用化學(xué)手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造時(shí)，改造效果差且極易發(fā)生副反應(yīng)生成其他物質(zhì)，微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)在天然藥物合成中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以為研發(fā)新藥、提高藥物藥效、降低藥物不良反應(yīng)提供新方法和新手段。

①紫杉醇的微生物轉(zhuǎn)化。紫杉醇是一類存在于紅豆杉的根、葉和樹皮的具有抗腫瘤效果的二萜類化合物，是一種新型抗腫瘤藥物，由于它的臨床治療較好、毒副作用低的特點(diǎn)，受到廣大患者的青睞。然而由于紅豆杉生長(zhǎng)緩慢且稀少，其中紫杉醇含量也很低，限制了紫杉醇進(jìn)一步開發(fā)和廣泛應(yīng)用。微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)是以紫杉醇結(jié)構(gòu)類似物為原料，通過生物酶的催化作用將其轉(zhuǎn)化成紫杉醇的合成前體，從而使紫杉醇產(chǎn)量大幅度提高，縮短合成物分離純化流程，為解決紫杉醇原料問題提供了一個(gè)新思路和新方法。有關(guān)研究者通過進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵工藝，利用植物內(nèi)微生物將紫杉醇前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為紫杉醇，使紫杉醇的合成效率提高[2]。

②大豆異黃酮的微生物轉(zhuǎn)化。異黃酮是屬于黃酮類的植物次生代謝產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)類似于雌激素，可以在一定程度上改善更年期患者的綜合癥狀；是一種強(qiáng)抗氧化劑，起到延緩衰老的作用；預(yù)防癌癥和心腦血管疾病的發(fā)生。從人們的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，以糖苷形式存在的大豆異黃酮，在人體吸收過程中會(huì)轉(zhuǎn)化成分子量小、人體更易吸收的大豆異黃酮苷元，提高生物利用率。目前，制藥工業(yè)上主要利用酸解法和酶解法等生產(chǎn)大豆異黃酮苷元，其中酶解法是將大豆異黃酮糖苷經(jīng)過β-葡萄糖苷酶的催化作用，將其轉(zhuǎn)化為大豆異黃酮苷元，與大豆異黃酮糖苷相比，大豆異黃酮苷元的生物活性大大提高。

③木脂素的微生物轉(zhuǎn)化。木脂素是一類由苯丙素氧化聚合形成的植物次生代謝產(chǎn)物，具有抗菌和抗病毒的功能，在臨床和食品方向被廣泛應(yīng)用。但是目前木脂素生產(chǎn)通過從植物中化學(xué)提取，生產(chǎn)含量低、生產(chǎn)成本高，限制了其應(yīng)用前景。合成生物學(xué)和生物工程的發(fā)展，使微生物法生產(chǎn)木脂素成為可行之路，已有研究者通過大腸桿菌以丁香酚或阿魏酸為底物合成重要前體物質(zhì)松柏醇，利用釀酒酵母將阿魏酸從頭合成松柏醇等，通過較好的底物轉(zhuǎn)化率實(shí)現(xiàn)較高的松柏醇產(chǎn)量，隨后兩分子的松柏醇通過酶的催化作用合成松脂素，節(jié)省分離純化步驟，為木脂素工業(yè)化生產(chǎn)提供了新途徑[3]。

(2)在甾體藥物合成中的應(yīng)用

甾體類化合物是一類在自然界普遍存在的多環(huán)萜類化合物，例如動(dòng)物膽固醇、皮質(zhì)醇等腎上腺激素、孕酮等性激素以及植物谷甾醇等，這些化合物具有抗腫瘤、抗病、提高生育能力等特殊作用。目前，甾體類藥物作為臨床應(yīng)用量的第二大藥物，其生產(chǎn)主要是通過對(duì)天然化合物改造，但是在實(shí)際運(yùn)用化學(xué)手段進(jìn)行改造過程中，具有合成步驟繁瑣、藥物獲得率低、生產(chǎn)成本高昂等特點(diǎn)，在甾體類藥物生產(chǎn)中應(yīng)用微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)使生產(chǎn)更為便捷，節(jié)省生產(chǎn)成本。醋酸可的松經(jīng)過微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成醋酸波尼松，后者的抗炎活性大大提高，前者經(jīng)歷的C1,2脫氫反應(yīng)普遍存在于重要甾體類藥物的生產(chǎn)過程中，例如地塞米松、倍他米松、氫化潑尼松等腎上腺激素。氫化潑尼松及其同系物的工業(yè)生產(chǎn)是利用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)甾體類藥物的典型案例，氫化潑尼松具有調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)、消除炎癥、抗過敏的功效，主要用于治療免疫系統(tǒng)疾病，比如風(fēng)濕病以及系統(tǒng)性紅斑狼瘡等[4]。

(3)在其他有機(jī)藥物合成中的應(yīng)用

中藥經(jīng)過微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)處理后，不僅可以除去中藥中的大分子有害物質(zhì)，降低中藥不良反應(yīng)，還可以提高人體的吸收效率，增強(qiáng)中藥藥效，這為中藥的應(yīng)用和生產(chǎn)開辟了新的空間和領(lǐng)域。甘草次酸作為甘草中重要有效成分，雖然含量很低，但具有類似腎上腺皮質(zhì)激素樣的作用以及擁有消炎、抗利尿、抗過敏等功效，然而利用傳統(tǒng)化學(xué)方法，水解甘草酸提取甘草次酸，得到的甘草次酸產(chǎn)量有限且容易產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物。利用微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化甘草不僅能提高甘草次酸的含量，降低中間反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，提高甘草的藥效。利用微生物體內(nèi)β-葡萄糖醛酸酶的生物催化作用以甘草酸為原料催化生成甘草次酸，得到的甘草次酸具有更強(qiáng)的抗炎、解毒等生物活性，藥物藥效提升顯著。

除此之外，微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于抗生素藥物的工業(yè)生產(chǎn)中，利用微生物合成新青霉素以及頭孢霉素等抗生素，通過微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)成功合成有效的有機(jī)抗生素藥物。與此同時(shí)，在同一種微生物中，可以利用其多種酶催化不同反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物底物進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)。相信，隨著相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)在有機(jī)藥物合成領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越加普遍，已經(jīng)是降低有機(jī)藥物生產(chǎn)成本的重要措施之一。

4.小結(jié)

在20世紀(jì)50年代，已出現(xiàn)在有機(jī)藥物合成過程中利用微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的實(shí)例，隨著技術(shù)革命的興起，微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)已成為重要的藥物合成技術(shù)之一，尤其是在有機(jī)藥物合成領(lǐng)域。微生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)已經(jīng)成為有效手段，用于解決傳統(tǒng)化學(xué)合成方法產(chǎn)生的生產(chǎn)效率低、副產(chǎn)物多、提取純化復(fù)雜等一系列問題，它的合成效率高、反應(yīng)溫和、生產(chǎn)成本低廉等特性，越來越受到有機(jī)藥物合成領(lǐng)域的青睞。通過將微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在有機(jī)藥物生產(chǎn)行業(yè)有效應(yīng)用，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)物的獲得率，降低生產(chǎn)成本，提高有機(jī)藥物藥效，進(jìn)而造福廣大患者和消費(fèi)者。