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中國(guó)科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)副團(tuán)長(zhǎng)；中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院研究生院教授；中國(guó)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(guó)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(guó)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(huà)說(shuō)青霉素八：魔高一尺，道高一丈
孫萬(wàn)儒
2011年09月14日在研究青霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)與藥效關(guān)系中，發(fā)現(xiàn)青霉素母核是由一個(gè)四元環(huán)與一個(gè)五元環(huán)并在一起所組成的分子活性部分，它是青霉素抗菌活性的關(guān)鍵部分，如果四元環(huán)被破壞而打開(kāi)，青霉素就失去了抗菌活性；另一部分是與之連接的側(cè)鏈。研究發(fā)現(xiàn)改變側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)，可以增加母核的穩(wěn)定性，增加耐受致病菌破壞的能力。同時(shí)還可以擴(kuò)大抗菌譜，增加耐酸性，使之可以口服，在一定程度上也可以降低過(guò)敏性。因此，通過(guò)對(duì)青霉素的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)改造，可以達(dá)到提高青霉素藥效和治療作用的目的，具有巨大的臨床應(yīng)用價(jià)值。
在以前人們是利用化學(xué)方法將用發(fā)酵產(chǎn)生的青霉素的側(cè)鏈‘切下’來(lái)，獲得母核，然后再經(jīng)化學(xué)方法給母核接上一個(gè)新的側(cè)鏈，得到的是經(jīng)過(guò)改造的‘半合成青霉素’。致病菌對(duì)經(jīng)過(guò)改裝的青霉素的破壞和耐受能力降低，容易被殺死。過(guò)去病人打一針普通青霉素要80-100萬(wàn)單位，而現(xiàn)在打半合成青霉素，如氨芐青霉素，羥氨芐青霉素，只需要20-40萬(wàn)單位，就可以達(dá)到同樣的治療效果，甚至更好。但是，用化學(xué)方法生產(chǎn)青霉素母核很困難，需要很繁雜的低溫化學(xué)反應(yīng)，一不小心，可能就會(huì)失敗，拿不到產(chǎn)品，而且使用的試劑昂貴，生產(chǎn)的青霉素母核成本很高，阻礙了半合成青霉素的發(fā)展。
上個(gè)世紀(jì)的五十年代末期，人們?cè)谖⑸镏邪l(fā)現(xiàn)了一種能夠?qū)⑶嗝顾氐膫?cè)鏈‘拆下來(lái)’得到青霉素母核的一種酶，就給它起名叫做青霉素酰化酶，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意。直到上個(gè)世紀(jì)的七十年代，半合成青霉素的發(fā)展需要大量的青霉素母核，而使用化學(xué)方法生產(chǎn)又遇到許多困難時(shí)，才想到青霉素?；福_(kāi)始進(jìn)行大量研究。
最早發(fā)現(xiàn)的青霉素?；甘怯纱竽c桿菌細(xì)胞產(chǎn)生，酶是存在于細(xì)胞內(nèi)，因此稱(chēng)為胞內(nèi)酶?？梢灾苯邮褂煤嗝顾仵；傅拇竽c桿菌細(xì)胞作為酶源，用于催化青霉素的水解反應(yīng)，將側(cè)鏈切掉，獲得母核。后來(lái)發(fā)現(xiàn)其它一些細(xì)菌，比如巨大芽孢桿菌，產(chǎn)生的青霉素?；甘窃诩?xì)胞外的發(fā)酵液里，人們稱(chēng)之為胞外酶，因?yàn)楫a(chǎn)量高，比較容易分離得到而受到人們的重視。
但是，不論是胞內(nèi)還是胞外的青霉素酰化酶在工業(yè)上使用都有許多缺點(diǎn)。比如使用細(xì)胞作為酶源時(shí)，在使用過(guò)程中細(xì)胞會(huì)破裂，由細(xì)胞釋放出來(lái)的許許多多細(xì)胞內(nèi)的東西會(huì)跑到反應(yīng)液中產(chǎn)生污染，增加產(chǎn)物分離的負(fù)擔(dān)，影響產(chǎn)品質(zhì)量；即使細(xì)胞不破裂，因?yàn)榇竽c桿菌細(xì)胞很小，從反應(yīng)液中除去細(xì)胞也比較麻煩；使用酶時(shí)，因酶是溶解在水里的，它催化反應(yīng)完了也需除去，但分離有一定困難，容易污染產(chǎn)物；另外，細(xì)胞和酶催化反應(yīng)結(jié)束后，并未完全喪失催化能力，往往還可以再使用，但在溶液中的細(xì)胞和酶很難分離出來(lái)再使用。費(fèi)了很大力氣生產(chǎn)的細(xì)胞或酶只使用了一次，就丟掉了，十分可惜，也是浪費(fèi)。
為了解決上述這些問(wèn)題，自上個(gè)世紀(jì)七十年代發(fā)展了固定化技術(shù)，將產(chǎn)胞內(nèi)青霉素?；傅募?xì)胞用適當(dāng)?shù)牟牧习裥纬尚≈椋瞥晒潭ɑ?xì)胞，或?qū)⑶嗝顾仵；附Y(jié)合在特殊的高分子材料上，制備成固定化酶。因?yàn)樗鼈冾w粒大，解決了難以回收的問(wèn)題，而且固定化后酶的穩(wěn)定性大幅度提高，可以長(zhǎng)期反復(fù)使用。這樣可以減少細(xì)胞和酶的生產(chǎn)成本，不必每一次都要生產(chǎn)酶或細(xì)胞，生產(chǎn)足夠量的酶或細(xì)胞，進(jìn)行固定化后就可以長(zhǎng)期使用。
將固定化酶或固定化細(xì)胞裝在底部有細(xì)的濾網(wǎng)的攪拌罐式反應(yīng)器中，加入10%的青霉素溶液，保持溫度35-40 左右，在緩慢的攪動(dòng)下，通過(guò)pH自動(dòng)控制儀流加堿液，保持反應(yīng)液的pH在8.0-8.5，進(jìn)行反應(yīng)，幾個(gè)小時(shí)后，反應(yīng)結(jié)束，打開(kāi)反應(yīng)罐底的閥門(mén)，將反應(yīng)液放出，而固定化酶或細(xì)胞保留在反應(yīng)罐內(nèi)，再加入青霉素溶液，重復(fù)上述過(guò)程，就可以進(jìn)行下一批反應(yīng)。這樣可以連續(xù)的使用固定化酶或細(xì)胞。將反應(yīng)液加入酸，將pH調(diào)到弱酸性，用有機(jī)溶劑將反應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)鏈提取出去，留下的反應(yīng)液經(jīng)適當(dāng)濃縮后，產(chǎn)生的青霉素母核即可結(jié)晶出來(lái)。
酵車(chē)間.jpg "青霉素發(fā)酵車(chē)間")
利用這樣的設(shè)備可以進(jìn)行大規(guī)模的批式或連續(xù)生產(chǎn)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化，反應(yīng)結(jié)束后，因?yàn)槊甘枪腆w的，很容易與反應(yīng)液分開(kāi)，酶和細(xì)胞不會(huì)污染產(chǎn)物；酶也可以反復(fù)再用，這使得青霉素母核的生產(chǎn)變得比較輕松，可以大幅度的降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為青霉素母核的生產(chǎn)開(kāi)辟了一種全新的生產(chǎn)方法，克服了化學(xué)方法的缺點(diǎn)，解決了因此帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題。
過(guò)去，青霉素?；付际怯蓮淖匀唤绾Y選到得到的大腸桿菌或巨大芽孢桿菌生產(chǎn)的，產(chǎn)酶量比較低，雖然通過(guò)誘變和選育得到的菌種生產(chǎn)能力有所提高，但依然生產(chǎn)能力有限，現(xiàn)在人們利用轉(zhuǎn)基因的方法，將青霉素?；富蜣D(zhuǎn)入原來(lái)的生產(chǎn)菌，或其它的菌種，使青霉素?；傅幕驍?shù)量增加，可以大幅度的提高青霉素?；傅漠a(chǎn)量，再經(jīng)固定化，能夠更好的滿(mǎn)足大規(guī)模的生產(chǎn)要求。
有了青霉素母核，再接上一個(gè)新的側(cè)鏈，就成為半合成青霉素。在上個(gè)世紀(jì)九十年代以前，都是使用化學(xué)法合成。但早在七十年代就發(fā)現(xiàn)青霉素酰化酶不僅可以催化青霉素水解產(chǎn)生母核，也可以催化母核與新的側(cè)鏈反應(yīng)合成半合成青霉素。其與生產(chǎn)青霉素母核的反應(yīng)條件不同，生產(chǎn)母核的反應(yīng)是在弱堿性條件，而合成反應(yīng)是在弱酸性和有新的側(cè)鏈的衍生物存在下進(jìn)行?，F(xiàn)在利用青霉素?；复呋铣砂逼S青霉素已經(jīng)獲得成功，但還不能象化學(xué)合成方法那樣可以用于合成各種半合成青霉素。
半合成青霉素，從上個(gè)世紀(jì)六、七十年代的第一代產(chǎn)品已發(fā)展到現(xiàn)在的第四代，我國(guó)醫(yī)院大量使用的氨芐青霉素，羥氨芐青霉素是第三代產(chǎn)品，是現(xiàn)在臨床上的主力藥物。在國(guó)外，如果發(fā)燒病人到醫(yī)院看病，大夫先前給病人注射一針氨芐青霉素，然后去檢查。因?yàn)檫@種藥抗菌譜廣，過(guò)敏反應(yīng)低，療效高，是醫(yī)生信得過(guò)的藥物。
與原來(lái)的青霉素相比，因?yàn)閭?cè)鏈改變了，原來(lái)對(duì)青霉素有抗性的致病菌對(duì)它有些“面生”不怎麼認(rèn)得，于是被稀里糊涂地殺死了。如果使用老的青霉素，需要打80-100萬(wàn)單位，而打氨芐青霉素，只需要20萬(wàn)單位。那麼如果以前生產(chǎn)1000噸老青霉素（比如青霉素G鉀鹽）能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，現(xiàn)在只要生產(chǎn)200噸氨芐青霉素就可以了。其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益就可想而知了。