關(guān)于作者
中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)副團(tuán)長；中國科學(xué)院微生物研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院研究生院教授；中國生物工程學(xué)會(huì)繼續(xù)教育工作委員會(huì)主任、工業(yè)與與環(huán)境委員會(huì)委員，中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會(huì)工業(yè)生化委員會(huì)委員，中國微生物學(xué)會(huì)酶與酶工程委員會(huì)委員。主要從事酶學(xué)、酶工程、基因工程和生化工程研究。
話說青霉素九：青霉素的孿生兄弟
孫萬儒
2011年09月19日
很早以前就發(fā)現(xiàn)，在青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素時(shí)，發(fā)酵液中多多少少的還同時(shí)有與青霉素類似的另一種抗生素，頭孢霉素。它們在結(jié)構(gòu)上有許多相似之處，均由類似的母核與側(cè)鏈組成。不同之處不僅側(cè)鏈結(jié)構(gòu)有差別，母核也有差別。青霉素母核上的五元環(huán)在頭孢霉素母核上為六元環(huán)。猛看上去它們很相象，是一對孿生兄弟。
在青霉菌發(fā)酵時(shí)，在合成的開始階段青霉素和頭孢霉素有共同的前體，不久出現(xiàn)分支，在分支點(diǎn)上，有一個(gè)重要的“調(diào)節(jié)閥門”，叫做擴(kuò)環(huán)酶，將青霉素母核的五元環(huán)擴(kuò)大成六元環(huán)，再走下去合成的是頭孢霉素；如果不擴(kuò)環(huán)，直接走下去進(jìn)入了青霉素合成。 一般情況下，擴(kuò)環(huán)酶量很少，因此，在青霉素發(fā)酵液中頭孢霉素的量也很少。
現(xiàn)在人們想到，能不能對青霉素和頭孢霉素合成途徑中的分路閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓它合成青霉素就全都是青霉素，而不產(chǎn)生頭孢霉素；讓它合成頭孢霉素，就全部合成頭孢霉素，不就可以進(jìn)一步提高它們的產(chǎn)量嗎。
現(xiàn)在利用基因工程方法就可以做到。將擴(kuò)環(huán)酶基因克隆到青霉素生產(chǎn)菌里，加大擴(kuò)環(huán)酶基因數(shù)量，使它產(chǎn)生更多的擴(kuò)環(huán)酶，相當(dāng)于將“調(diào)節(jié)閥門”打開。同時(shí)利用基因工程方法，將臨近擴(kuò)環(huán)酶下游的，流向青霉素合成的基因消除或“關(guān)閉”，使代謝合成青霉素的流向，全部流向頭孢霉素的合成，就將原來生產(chǎn)青霉素的菌種改造成為生產(chǎn)頭孢霉素的菌種。同樣，如果將青霉素生產(chǎn)菌的擴(kuò)環(huán)酶基因消除，相當(dāng)于將合成頭孢霉素的合成流關(guān)閉，菌種在發(fā)酵過程中就不會(huì)再有頭孢霉素的產(chǎn)生，既可進(jìn)一步提高青霉素的產(chǎn)量。這也就是現(xiàn)在所說的，利用基因工程方法改變代謝途徑的代謝工程。
利用發(fā)酵法生產(chǎn)的頭孢霉素C在臨床上使用的很少，因?yàn)樗寞熜Р皇呛芰钊藵M意?，F(xiàn)在發(fā)酵法生產(chǎn)的頭孢霉素主要是作為原料，將側(cè)鏈切掉，獲得頭孢霉素母核(7-ACA)，然后再接上一個(gè)新的側(cè)鏈，生產(chǎn)半合成頭孢霉素。頭孢霉素母核的生產(chǎn)可以使用化學(xué)方法，也可以使用酶工程方法。因?yàn)榕c青霉素的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不同，頭孢霉素C的側(cè)鏈?zhǔn)前被核?，使用青霉素?；覆荒軌驅(qū)⑵淝邢?，必須使用另外兩種酶：D-氨基氧化酶和GL-酰化酶聯(lián)合作用將側(cè)鏈切下來，才能得到頭孢霉素母核，這種方法已經(jīng)在我國研究成功。
依據(jù)這個(gè)思路，人們將D-？氨基酸氧化酶和GL-?；竷蓚€(gè)基因同時(shí)克隆到能夠生產(chǎn)頭孢霉素C的菌種中，使用這個(gè)工程菌進(jìn)行發(fā)酵，可以在發(fā)酵液中積累頭孢霉素C的母核7-ACA。但是，因?yàn)樵贒-氨基酸氧化酶催化氧化側(cè)鏈時(shí)會(huì)產(chǎn)生過氧化氫，它是個(gè)強(qiáng)氧化劑，會(huì)使細(xì)胞和酶受到破壞，因此，產(chǎn)量不高?，F(xiàn)在人們又在考慮將能夠破壞過氧化氫的過氧化氫酶基因也克隆到上述工程菌中，有可能解決這個(gè)問題。
另外，不久前從微生物中找到了頭孢霉素C酰化酶，它可以直接將頭孢霉素C的側(cè)鏈切下，獲得頭孢霉素母核。然后使用化學(xué)或酶法合成半合成頭孢霉素。
現(xiàn)在，為了生產(chǎn)半合成頭孢霉素，人們利用化學(xué)法進(jìn)行擴(kuò)環(huán)，將青霉素G變成頭孢霉素，因?yàn)閭?cè)鏈與青霉素G相同，使用青霉素酰化酶將側(cè)鏈切下來，生產(chǎn)一種稱為7-ADCA的頭孢霉素母核，然后用于合成半合成頭孢霉素。這種方法已經(jīng)用在工業(yè)上大量生產(chǎn)氨芐頭孢霉素和羥氨芐頭孢霉素，并在醫(yī)院里大量使用。由于它們比半合成青霉素更能夠耐受胃酸，因此可以口服，使用更方便。它的過敏反應(yīng)低，抗菌譜廣，病菌的耐藥性小，在臨床上得到廣泛應(yīng)用。
在青霉菌發(fā)酵時(shí)，在合成的開始階段青霉素和頭孢霉素有共同的前體，不久出現(xiàn)分支，在分支點(diǎn)上，有一個(gè)重要的“調(diào)節(jié)閥門”，叫做擴(kuò)環(huán)酶，將青霉素母核的五元環(huán)擴(kuò)大成六元環(huán)，再走下去合成的是頭孢霉素；如果不擴(kuò)環(huán)，直接走下去進(jìn)入了青霉素合成。 一般情況下，擴(kuò)環(huán)酶量很少，因此，在青霉素發(fā)酵液中頭孢霉素的量也很少。
現(xiàn)在人們想到，能不能對青霉素和頭孢霉素合成途徑中的分路閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓它合成青霉素就全都是青霉素，而不產(chǎn)生頭孢霉素；讓它合成頭孢霉素，就全部合成頭孢霉素，不就可以進(jìn)一步提高它們的產(chǎn)量嗎。
現(xiàn)在利用基因工程方法就可以做到。將擴(kuò)環(huán)酶基因克隆到青霉素生產(chǎn)菌里，加大擴(kuò)環(huán)酶基因數(shù)量，使它產(chǎn)生更多的擴(kuò)環(huán)酶，相當(dāng)于將“調(diào)節(jié)閥門”打開。同時(shí)利用基因工程方法，將臨近擴(kuò)環(huán)酶下游的，流向青霉素合成的基因消除或“關(guān)閉”，使代謝合成青霉素的流向，全部流向頭孢霉素的合成，就將原來生產(chǎn)青霉素的菌種改造成為生產(chǎn)頭孢霉素的菌種。同樣，如果將青霉素生產(chǎn)菌的擴(kuò)環(huán)酶基因消除，相當(dāng)于將合成頭孢霉素的合成流關(guān)閉，菌種在發(fā)酵過程中就不會(huì)再有頭孢霉素的產(chǎn)生，既可進(jìn)一步提高青霉素的產(chǎn)量。這也就是現(xiàn)在所說的，利用基因工程方法改變代謝途徑的代謝工程。
利用發(fā)酵法生產(chǎn)的頭孢霉素C在臨床上使用的很少，因?yàn)樗寞熜Р皇呛芰钊藵M意?，F(xiàn)在發(fā)酵法生產(chǎn)的頭孢霉素主要是作為原料，將側(cè)鏈切掉，獲得頭孢霉素母核(7-ACA)，然后再接上一個(gè)新的側(cè)鏈，生產(chǎn)半合成頭孢霉素。頭孢霉素母核的生產(chǎn)可以使用化學(xué)方法，也可以使用酶工程方法。因?yàn)榕c青霉素的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)不同，頭孢霉素C的側(cè)鏈?zhǔn)前被核?，使用青霉素?；覆荒軌驅(qū)⑵淝邢?，必須使用另外兩種酶：D-氨基氧化酶和GL-酰化酶聯(lián)合作用將側(cè)鏈切下來，才能得到頭孢霉素母核，這種方法已經(jīng)在我國研究成功。
依據(jù)這個(gè)思路，人們將D-？氨基酸氧化酶和GL-?；竷蓚€(gè)基因同時(shí)克隆到能夠生產(chǎn)頭孢霉素C的菌種中，使用這個(gè)工程菌進(jìn)行發(fā)酵，可以在發(fā)酵液中積累頭孢霉素C的母核7-ACA。但是，因?yàn)樵贒-氨基酸氧化酶催化氧化側(cè)鏈時(shí)會(huì)產(chǎn)生過氧化氫，它是個(gè)強(qiáng)氧化劑，會(huì)使細(xì)胞和酶受到破壞，因此，產(chǎn)量不高?，F(xiàn)在人們又在考慮將能夠破壞過氧化氫的過氧化氫酶基因也克隆到上述工程菌中，有可能解決這個(gè)問題。
另外，不久前從微生物中找到了頭孢霉素C酰化酶，它可以直接將頭孢霉素C的側(cè)鏈切下，獲得頭孢霉素母核。然后使用化學(xué)或酶法合成半合成頭孢霉素。
現(xiàn)在，為了生產(chǎn)半合成頭孢霉素，人們利用化學(xué)法進(jìn)行擴(kuò)環(huán)，將青霉素G變成頭孢霉素，因?yàn)閭?cè)鏈與青霉素G相同，使用青霉素酰化酶將側(cè)鏈切下來，生產(chǎn)一種稱為7-ADCA的頭孢霉素母核，然后用于合成半合成頭孢霉素。這種方法已經(jīng)用在工業(yè)上大量生產(chǎn)氨芐頭孢霉素和羥氨芐頭孢霉素，并在醫(yī)院里大量使用。由于它們比半合成青霉素更能夠耐受胃酸，因此可以口服，使用更方便。它的過敏反應(yīng)低，抗菌譜廣，病菌的耐藥性小，在臨床上得到廣泛應(yīng)用。