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第十章 微生物发酵生产抗生素10.1 概述 微生物在其生命活动中会产生种类繁多的小分子代谢产物，这些代谢产物一般可以分为两类：初级代谢产物和次级代谢产物。初级代谢产物一般属于能量代谢或分解代谢的产物，如乙醇、有机酸、氨基酸等。因此初级代谢产物往往与细胞的生长代谢有着密切的关系。次级代谢产物是在微生物细胞分化过程中产生的，往往不是细胞生长所必须的代谢产物，对细胞生长并不具有明显的作用，而且通常以一簇结构相似的化合物组成。次级代谢产物的概念由BuLock于六十年代初提出，至今已被广泛接受。抗生素就属于次级代谢产物。10.1.1微生物次级代谢产物并非所有的次级代谢产物都符合上述特点，对细胞生长不具有明显的作用也并不等于完全没有作用，已经证明抗生素Pamacycin能够诱导放线菌产生气生菌丝就是一个例子。微生物次级代谢产物是微生物生理、生化状态的体现，通常在细胞生长受到限制的情况下产生。次级代谢产物虽然对细胞的生长影响不大，但是具有重要的工业应用价值。抗生素、色素、蛋白抑制剂及毒素等都是次级代谢产物，近年来还发现了具有特殊生理活性的次级代谢产物，如：免疫调节剂（Bestatin, Cyclosporin A, FK506等），具有临床药理活性的物质（Acarbose, Lovastatin, Asperlicin等）以及农用和动物饲养业用的生物活性物质（Avermectin, Phosphinothricin等）。在次级代谢产物中，最重要的是抗生素。10.1.2抗生素的定义和分类抗生素是人类使用得最多的一类药物，自从第二次世界大战期间青霉素正式投入工业化生产以来，已经有一百多种抗生素进行商品化生产，为人类的防病治病作出了重要的贡献。虽然抗生素已被广泛使用，但是由于抗生素的多样性，关于抗生素的定义在专家中一直存在着分歧。目前，一个为大多数专家所接受的定义是：抗生素是低分子量的微生物代谢产物，能够在很低的浓度下抑制其它微生物的生长。这里所指的低分子量代谢产物是指抗生素的分子量一般不会超过几千道尔顿。如溶菌酶（Lysozyme）这类酶及其它复杂的蛋白质分子虽然也具有抗菌活性，但由于它们的分子量很大，因而在习惯上不将它们归入抗生素一类。只有微生物的天然代谢产物才能称为抗生素，通过化学修饰的只能称为半合成抗生素，根据天然抗生素的结构完全采用化学合成方法制造的则称为全合成抗生素。所谓抑制其它微生物生长是指抑制细胞的再生繁殖，因此是针对微生物群体而不是个别细胞而言的。这种抑制作用一类是永久性的，例如杀细菌剂（Bactericidal）和杀霉菌剂(Fungicidal)等可以将微生物杀死；另一类抗生素只能起到抑制微生物繁殖生长的作用，但不能将它们杀死。在抗生素的定义中还包含一个很重要的限制条件：低浓度。因为在高浓度下，即使是正常的细胞组分，如甘氨酸和亮氨酸，也会对某些细菌的生长产生抑制作用。基于同样的理由，一些厌氧发酵的产物， 如乙醇和丁醇，虽然在高浓度下也有杀菌或抑菌作用，也不属于抗生素。典型的抗生素的抗菌活性非常高，只要在微摩尔甚至纳摩尔浓度时就会有显著的抗菌活性。抗生素的抗菌活性用最小抑制浓度（Minimal Inhibitory Concentration, MIC）表示， 单位是微克/毫升。MIC可以在液体试管或固体平板上测量，在一系列含有培养基和试验微生物的试管或平板中，分别加入浓度不断减少的抗生素，能够抑制微生物生长的最低抗生素浓度即为MIC值。显然，MIC值反映的是抗生素和特定微生物菌株之间的对应关系，即使是同一种微生物的不同菌株，也可能具有不同的MIC值。抗生素对各种微生物的抗菌活性称为抗生素的抗菌谱。一些抗生素只对Gram阳性或阴性微生物具有抗菌活性，抗菌谱很窄；另一些则称为广谱抗生素，其中有些不但能抑制细菌、还能抑制霉菌的生长。还有一类称为抗肿瘤抗生素，这类抗生素也是根据其抗菌活性筛选的，然后再检验它们杀肿瘤细胞的能力。抗生素研究中最吸引人的课题是抗生素抗菌的作用机理。经过生物化学家和药理学家多年的共同努力，已经证明的抗菌机理有：抑制细胞壁合成、抑制DNA复制或转录、抑制蛋白质合成及破坏细胞膜的正常功能等。抗生素抗菌作用机理的专一性，决定了其抗菌谱，例如若某种抗生素是几丁质酶的强抑制剂，而几丁质是霉菌细胞壁的主要成分之一，这样该抗生素就具有抑制霉菌生长的功能，但对细菌就没有抗菌效果。理想的抗生素应该只与微生物细胞中的某一目标分子起作用，而且在哺乳动物细胞中不存在该目标分子。这样，这种抗生素就不会对高等生物产生毒性，即没有副作用。已经发现并鉴别结构的抗生素有几千种之多，从化学的观点看，结构多样性是抗生素的一个显著特点。Brdy于1974年提出了一个抗生素的正式分类方法并为大家所接受，见表10.1.1。表10.1.1 抗生素的分类编号抗生素类别编号抗生素类别 1.碳水化合物类抗生素 5.1 非缩聚（单）杂环 1.1 纯多糖 5.2 缩聚（聚并）杂环 1.2 氨基糖苷类抗生素 6.含氧多环抗生素 1.3 其它（N-或C-）糖苷类 6.1 呋喃衍生物 1.4 各种糖的衍生物 6.2 吡喃衍生物 2.大环内酯类抗生素 6.3 苯基吡喃衍生物 2.1 大环内酯类抗生素 6.4 小内脂类 2.2 多烯类抗生素 6.5 聚醚类抗生素 2.3 其它大环内酯类抗生素 7.脂环类抗生素 2.4 大环内酰胺类抗生素 7.1 环烷烃衍生物 3.醌类和其它抗生素 7.2 小的萜烯类化合物 3.1 线性缩聚多环化合物 7.3 低聚萜烯类化合物 3.2 萘醌衍生物 8.芳香族抗生素 3.3 苯醌衍生物 8.1 苯类化合物 3.4 各种醌类似物 8.2 缩环芳香族化合物 4.氨基酸、多肽类抗生素 8.3 非苯型芳香族化合物 4.1 氨基酸衍生物 8.4 芳香族化合物的各种衍生物 4.2 均肽类 9.脂族抗生素 4.3 非均肽类 9.1 烷烃衍生物 4.4 肽脂类 9.2 脂族羧酸衍生物 4.5 高分子量肽类 9.3 含S或P的脂族化合物 5.含氮多环抗生素 0其它（含未知结构）从表中可以看到，与蛋白质、核酸等不同，抗生素的化学结构具有多样性，没有一般规律可循。除了表10.1.1的分类方法外，还有一种常用的非正式分类方法将抗生素分为若干类。分类的依据是具有类似的结构特点、类似的作用机理和生物活性。下面将对一些常见的抗生素进行简要讨论。1、b-内酰胺（b-lactam）类抗生素（图10.1.1）。这类抗生素分子的结构特点是都有一个b-内酰胺的四元环，它们的共同功能是抑制细菌细胞壁主要成分肽聚糖的合成。b-内酰胺类抗生素又可以根据其化学特性分成几个子类，如青霉素类、头孢菌素类、碳青霉烯类及单环内酰胺类等。2、氨基糖苷（Aminoglycosides）类抗生素（图10.1.2）。它们的结构特点是都含有一个六元脂环，环上有羟基及氨基取代物，分子中还会有若干个糖基或氨基糖基。氨基糖苷类抗生素都具有抑制核糖体的功能。链霉素和庆大霉素属于这类抗生素。3、四环素（Tetracyclines）类抗生素（图10.1.3）。四环素类抗生素分子结构中都有一个由四个缩聚环呈线性排列的核，其共同的功能是在核糖体水平抑制蛋白质合成。这类抗生素的典型例子是四环素。4、蒽环（Anthracyclines）类抗生素（图10.1.3）。它们的结构特点与四环素类抗生素类似，也有四个缩聚环，但是它们的作用是在DNA水平，干扰拓扑异构酶(Topoisomerase)的功能，因此常用作抗肿瘤药，如道诺红霉素（Daunorubicin）。 5、抗细菌大环内酯类抗生素（图10.1.4）。这类抗生素的结构特点是含有一个很大的内酯环，通过与细菌核糖体的亚基结合以抑制蛋白质的合成，如红霉素（Erythromycin）。 6、抗霉菌大环内酯类抗生素、或聚烯类抗生素（图10.1.5）。它们的分子结构中也有一个很大的内酯环，环上有一系列的共轭双键。这类抗生素的作用是干扰真核细胞膜中甾醇的合成，如两性霉素B（Amphotericin B）。图10.1.1 b-内酰胺类抗生素示例 图10.1.2 氨基糖苷类抗生素示例 a: 青霉素G； b: 头胞菌素a: 链霉素，含链霉胍的氨基糖苷c: 噻烯霉素； d: 棒酸b: 庆大霉素C1a, 含脱氧链霉胺图10.1.3 四环素和蒽环类抗生素 a: 四环素(R1=R2=H)(Tetracycline); 金霉素（R1=C1，R2=H）(Chlorotetracycline)；土霉素（R1=H， R2=OH）(Oxytetracycline)；b: 道诺红霉素（R1=H）(Daunorubicin)；阿霉素（R1=OH）(Doxorubicin)图10.1.4 大环内脂类抗生素示例 a: 红霉素(Erythromycin)；b: 泰乐霉素(Tyrosin) 图10.1.5 聚烯类抗生素两性霉素B 图10.1.6 安沙霉素类抗生素 （两性霉素B Amphotericin B） 利福霉素B（R1=CH2COOH） 利福霉素SV（R1=H）7、安沙霉素（Ansamycin）类抗生素（图10.1.6）。安沙霉素类抗生素中有一个被脂链扩展的芳香环，该环通过一个酰胺键闭合。它们又可以分成几个子类，其中利福霉素（Rifamycin）是RNA聚合酶的抑制剂。某些抗生素除了抗菌性能外还具有其它生物活性。例如，利福霉素具有降低胆固醇的功能；红霉素能诱导胃的运动性；瑞斯托霉素（Ristocetin）能够促进血小板凝固等。这些生物活性与它们的抗菌能力没有直接联系。10.2抗生素生产菌的生物学基础10.2.1芽孢杆菌属(Bacillus)芽孢杆菌属微生物是一类单细胞、杆状菌的总称，好氧或兼性厌氧。它们的共同特点是当环境条件不利时会形成内生孢子。芽孢杆菌属于Gram阳性菌，一般可以借助于侧生或有缘毛的鞭毛运动。芽孢杆菌通常作为腐生菌生活在土壤中，但是也有例外，如：B. anthracis 是人类病原菌，而B. thuringiensis是昆虫的病原菌等。芽孢杆菌在工业发酵中主要用于胞外水解酶类生产，而苏云金杆菌B. thuringiensis芽孢中的毒蛋白晶体则可用作为生物杀虫剂，是一种广泛使用的生物农药。由芽孢杆菌产生的抗生素一般都属于多肽类抗生素。多肽类抗生素的分子量小于蛋白质，它们的分子结构中往往含有一些不同于蛋白质的特殊组分，如：D-氨基酸、脂肪酸及环状氨基酸等。多肽类抗生素与蛋白质的另一个不同点是生物合成途径存在显著的差别，杆菌产生的多肽通常不是通过核糖体进行转录和翻译，而是由复杂的多酶体系催化合成。芽孢杆菌合成的多肽类抗生素与链霉菌合成的多肽也有显著的差别，芽孢杆菌合成的多肽不含缩酚肽键（Depsipeptides），肽链的起始是一个酰基，而且肽链中没有甲基化的氨基酸残基。芽孢杆菌产生的多肽类抗生素的抗菌谱差别很大，多数对Gram 阳性菌有抑制作用，但多粘菌素Polymyxins能抑制Gram阴性菌生长，芽胞菌霉素Iturins则是抗霉菌剂。它们的作用机理也各不相同，如：伊短菌素Edeins 有抑制聚核苷酸酶的功能；杆菌肽Bacitracin会阻碍肽聚糖合成；短杆菌肽Gramicidins则起着干扰细胞质膜的作用。在抗生素生产的发展历史中，杆菌产生的多肽抗生素曾经起过重要的作用。早在1939年就从B. brevis培养液中分离得到了短杆菌肽，至今仍用于外用抗菌剂的配制；杆菌肽是1945年从B. licheniformis分离得到的，曾用于治疗链球菌的严重感染，现在则限于外用抗菌剂及饲料添加剂；多粘菌素 B和E曾经是治疗严重的假单胞菌感染用药，但由于毒性较大，现在已停止使用。芽孢杆菌也能够产生非肽类的抗生素，如：B. circulans 产生氨基糖苷类抗生素丁苷菌素Butirocin，B. megaterium能够产生安沙霉素类的Lucomycotrienin。虽然丁苷菌素并不用于医药，但是其结构特点却引起了人们的重视，受其启发而产生了各种氨基糖苷类抗生素的化学改性方法，在对付细菌对抗生素耐药性方面开辟了新的途径。10.2.2假单胞菌属Pseudomonas 假单胞菌属细菌是Gram阴性菌，杆状，直径约1mm，长度1.5-5mm，能够借助于鞭毛运动，好氧生长。许多菌株都能积累聚羟基丁酸（PHB），具有很强的降解有机物能力。假单胞菌一般从土壤中分离得到，也有一些生活在植物的根系和叶子上。假单胞菌的许多性质都与它所携带的大量质粒有关，这些质粒可以分为13类，每一类都有类似的表观特征、尺寸和DNA结构。在这些质粒中广泛分布着编码抗生素抗性的基因及降解芳香化合物的基因。假单胞菌产生的次级代谢产物有许多不能算是抗生素，而是色素（如绿脓菌荧光素Fluorescent pyoverdines）及植物毒素（如丁香霉素Syringomycins）等。真正能产抗生素的假单胞菌只有P. aeruginosa和P. fluorescens两个种。所产生的抗生素一般是含氮的杂环化合物，在氨基酸分解代谢的过程中被生物合成，如吩嗪衍生物碘菌素(Iodinin)和绿脓菌素(Pyocyanine)。从假单胞菌中分离得到的抗生素在其它微生物中也曾获得过，如环丝氨酸、磷霉素及氨霉素等。真正首次从假单胞菌分离得到并已经用于医药的只有两种抗生素：吡咯菌素(Pyrrolnitrin)和拟摩尼酸A(Pseudomonic acid A)。吡咯菌素原来也由P. fluorescens或P. pyrrolnitrica生产，属于天然的含氮化合物，有广泛的抗真菌作用，常用于治疗皮肤感染，但现在这种药已经改用化学合成方法生产。拟摩尼酸A也是由P. fluorescens产生的，它的抗菌谱很广，包括大部分Gram阳性菌和部分Gram阴性菌，能有效地在健康载体上杀死葡萄球菌。但是拟摩尼酸A在人体内会迅速降解为摩尼酸而失去活性，因此也只能外用。单环内酰胺磺胺净素和异胺磺胺净素分别从P. acidophila和P. mesoacidophila中首先分离获得，它们的抗菌活性并不高，但是在它们的分子结构启发下，已经合成了具有临床应用价值的药物Azthreonam。10.2.3链霉菌(Streptomyces)和链轮丝菌(Streptoverticillium)链霉菌和链轮丝菌都属于放线菌，两者很难从生物学的角度进行区分，只是在气生菌丝的形态上稍有区别。它们都属于Gram阳性菌、专性好氧、化学异养型、以菌丝状生长。一般只需要一种碳源（如葡萄糖、淀粉或甘油）、一种无机氮源和少数无机盐就能够生长，但在复合培养基中会生长得更好些。大部分链霉菌都属于中性、中温菌，最佳生长条件的范围为：pH 6.8-7.5、温度22-37oC，通常为28oC，但也有例外。链霉菌的分布非常广泛，主要寄居在土壤中，而且与土壤中的有机大分子，如几丁质、淀粉和纤维素等的降解有着十分密切的关系。链霉菌也是几种重要的工业用酶的生产菌，如葡萄糖异构酶、链霉蛋白酶（Pronase）及胆固醇氧化酶等。链霉菌产生的次级代谢产物数以千计，大多数都具有抗菌能力，这些次级代谢产物的化学结构千差万别，反映了各种链霉菌代谢途径的多样性。链霉菌是抗生素生产的主要菌种，它们产生的抗生素主要有以下类型。10.2.3.1氨基环多醇类抗生素氨基环多醇类抗生素又称为氨基糖苷类抗生素，是一类拟多糖，有一个含羟基、氨基或呱基的六碳环和若干个糖分子（主要是氨基糖）构成。链霉菌产生的氨基环多醇类抗生素主要有：1） 链霉素（Streptomycin）抗Gram阴性菌和结核分枝杆菌，最初从S. griseus获得，是一种重要的医用抗生素。与链霉素结构类似的抗生素还有：Hydrostreptomycin和Mannosidostreptomycin，但目前尚无实际应用。2） 新霉素（Neomycins）是一种抗菌抗生素，结构特点是氨基环多醇2-脱氧链霉胺的4及5位上分别被糖取代，由两种结构类似物新霉素B和C组成，生产菌是S. fradiae。其它具有类似结构的抗生素有：Paromomycins(S. rimosus); Lividomycins(S. lividus)及Ribostamycin(S. ribosidificus)。这类抗生素的毒性比较大，除了最后一种用于治疗感染外，其余都只能用于外用药。3） 卡那霉素（Kanamycins）和妥布拉霉素(Tobramycin) 其结构特点是2-脱氧链霉胺的4和6位被糖取代。卡那霉素A由S. kanamyceticus生产，具有抗Gram阴性菌和抗分枝杆菌的能力，是一种常用抗生素；妥布拉霉素由S. Tenebrarius产生，是一些雷布霉素（Nebramycins）的复合物，具有抗P. aeruginosa和其它病原体的能力。4） 越霉素(Destomycins) 也是2-脱氧链霉胺的衍生物，从S. rimofaciens发酵获得，另一种类似的抗生素Hygromycin B从S. hygroscopicus发酵得到。它们具有驱肠虫活性，因此用于家禽和猪的驱虫药。5） 春雷霉素(Kasugamycin)和有效霉素(Validamycins)分别由S. kasugaensis和S. hygroscopicus产生，它们的环多醇结构与上述抗生素不同。这两种抗生素都用于农业上防治霉菌引起的水稻病害。10.2.3.2含聚酮链(Polyketide chain)结构的抗生素从链霉菌合成的聚酮化合物次级代谢产物的数量很多，它们都是通过乙酸和丙二酸的缩合生物合成的。其中最重要的两类医用抗生素是抗肿瘤的蒽环类（Anthracyclines）和抗菌的四环素类(Tetracyclines)。蒽环类抗肿瘤剂的化学结构特点是含有一个或多个糖取代的羟基蒽醌。它们最先是根据其抗菌活性而分离得到的，然后发现它们还具有抗肿瘤活性，如从S. peucetius分离得到了具有抗白血病的道诺红霉素(Daunorubicin 或Daunomycin)，从S. peucetius变异株发现了其羟基衍生物阿霉素(Doxorubicin或Adiamycin)，阿霉素对白血病和几种恶性肿瘤都有活性。最近又从S. galilaeus发现了一种新的抗肿瘤抗生素Aclarubicin。这些抗肿瘤抗生素都已经用于临床治疗。四环素(Tetracycline)类抗生素具有广谱抗菌能力。它们与蒽环类抗生素的主要区别是环上没有糖基取代，但是有二甲基胺取代。这类抗生素中首先发现的是从S. aureofaciens产生的金霉素(Chlortetracycline)和从S. rimosus产生的土霉素(Oxytetracycline)，然后从S. aureofaciens的突变株获得了四环素，四环素的副作用是使牙齿变黑。去甲基金霉素Demethyltetracycline)也是由S. aureofaciens的另一突变株生产的。现在，金霉素已只用于动物饲养业；四环素的半合成衍生物，如强力霉素(Doxycycline)及二甲胺四环素(Minocycline)仍可用于人类疾病的治疗。10.2.3.3聚酮链经取代、还原后的次级代谢产物聚酮链类抗生素是放线菌典型的代谢产物，但当构成聚酮链的丙二酸被甲基丙二酸取代或聚酮链上的羧基被部分或全部还原时就会形成一系列其它次级代谢产物，主要有以下六类：抗菌大环内酯类、安沙霉素类、聚烯类、聚醚类、阿尔法霉素及抗寄生虫大环内酯等。1） 抗菌大环内酯类抗生素 它们属于有支链的大环内酯，环上有一个或两个糖基。环的大小不等，一般由12-26个原子构成。具有工业重要性的这类化合物大约有100个以上，有些直接用于药物，有些是半合成抗生素的前体，其中最重要的抗生素及生产菌株有：红霉素(Erythromycin, S. erythraeus)、竹桃霉素(Oleandomycin, S. antibioticus)、柱晶白霉素(Leucomycin, S. kitasatoensis)、交沙霉素(Josamycin, S. narbonensis)、螺旋霉素(Spiramycin, S. ambofaciens)、麦迪霉素(Medecamycin, S. mycarofaciens)、麦里多霉素(Maridomycin, S. hygroscopicus)及泰乐霉素(Tylosin, S. fradiae)等。上述抗生素中除泰乐霉素用于兽药及兽用生长促进剂外，其它都是人用药。有些生产菌的分类最近已经改变，如：红霉素生产菌已经重新命名为糖多孢菌（Saccharopolyspora）；柱晶白霉素生产菌的现用名是链轮丝菌（Streptoverticillium）。2） 安沙霉素类抗生素的结构与大环内酯不同，属于大环内酰胺类，大环通过形成一个内酰胺键闭合，而不是酯键。根据生物活性、环的大小、及芳香侧链的差别，安沙霉素类抗生素可进一步分为四类，但是只有利福霉素B(Rifamycin B)是工业化生产的产品，它的结构中有一个萘环，是合成抗结核药利福平的前体。利福霉素B由S. mediterranei生产，该菌种后来被重新分类为Nocardia mediterranei，最近又有人建议命名为Amycolatopsis mediterranei。3） 聚烯类抗生素有一个含26-38个原子的内酯环，环上有一系列的共轭双键，与此相对的环上则有一系列的羟基。聚烯类抗生素可根据双键的数目进一步细分为若干类。这类抗生素主要有：抗真菌剂两性霉素Amphotericin B由S. Nodosus产生，用于致命的真菌病治疗；由S. nursei产生的制霉菌素Nystatin和由S. griseus产生的杀假丝菌素Candicidin都能用于表皮感染的治疗。4） 聚醚类抗生素属于被甲基和乙基高度取代的线性脂族分子，沿着分子链有一系列的四氢吡喃环和四氢呋喃环。从链霉菌中已经分离出上百种聚醚，从其它放线菌还分离出许多类似代谢产物。聚醚类抗生素具有抗好氧和厌氧微生物的能力，但主要的商业用途是作为抗球虫剂用于兽药，也用于饲料添加剂以增加饲料转化率。主要品种有：由S. cinnamonensis生产的Momensin、由S. lasaliensis生产的拉沙菌素Lasalocid、由S. albus生产的盐霉素Salinomycin及由S. aureofaciens生产的奈良菌素Narasin等。5） 阿尔法霉素Elfamycin也属于线性脂链分子，与聚醚类不同的是分子中的醚键较少，但存在共轭双键，而且在分子中至少有一个氮原子。Elfamycin的作用机理是抑制伸长因子Tu。主要用途是作为兽药和饲料添加剂，如： 由S. goldiniensis生产的Aurodox及由S. ramosissimus生产的摩雪霉素Mocimycin(Kirromycin)等。6） 抗寄生虫大环内酯的基本结构是一个由16个原子组成的环状内酯，而抗菌大环内酯一般有含氧的杂环与大环内酯结合而成。抗寄生虫大环内酯没有抗菌活性，但具有驱肠虫(anthelmintic)、杀昆虫及杀螨虫活性。已知的这类抗生素为由S. hydroscopicus产生的密比霉素(Milbemycins) 和由S. avermitilis产生的阿福霉素Avermectins。阿福霉素中的B1组分是生产依维菌素Ivermectin的前体，阿福霉素和依维菌素目前广泛用于农药和兽药，并正在往人用驱虫药的方向发展。10.2.3.4多肽类抗生素链霉菌产生的多肽类抗生素一般通过硫模板多酶催化机理合成，它们的结构单元变化很大，而且在最初的链形成后还要经过各种修饰。由于结构的不同，它们的生物活性也有很大变化。有些多肽类抗生素具有重要的临床应用价值。1） 抗肿瘤多肽(Antitumor peptides) 这类多肽中，从S. antibioticus分离得到的放线菌素(Actinomycins)具有历史重要性，因为它是第一个从链霉菌分离得到的抗生素。其结构中含有噻酚嗪酮稠环发色基和两个环形肽。放线菌素D一直用于临床治疗肿瘤。另一种多肽博莱霉素(Bleomycin)从S. verticillus发酵得到，有复杂糖基化的线性肽链，还含有杂环基团，用于治疗淋巴肿瘤和皮肤癌。2） 糖肽类(Glycopeptides or Dalbaheptides)抗生素 有一个含7个氨基酸组成的多环核，其芳香残基形成了一个三苯醚和一个二苯基团，糖基可以接在环上的不同位置。这类抗生素中的阿沃菌素Avoparcin由S. Candidus产生，用于饲料添加剂，有促进动物生长的作用；万古霉素Vancomycin是一种重要的临床用广谱抗生素，从S. orientalis发酵得到，现在该菌种已经重新分类为Amycolatopsis orientalis；游壁菌素（替考拉宁）Teicoplanin则是Actinoplanes的代谢产物，也已开始应用于临床。3） b-内酰胺(b-Lactams)类抗生素 这类抗生素主要由低等真菌生产，但是有些链霉菌也能生产，如S. lipmanii能够产生青霉素N和7-甲氧基头胞菌素C；在3位取代的甲氧基头胞菌素Cephamycin则由S. clavuligerus产生。这些都是半合成抗生素的前体。碳青霉烯Carpapenems也有一个b-内酰胺结构，但它不是从三肽衍生的，其内酰胺环由不含硫原子的五元环组成，其中最重要的是噻烯霉素Thienamycin，是合成具有广谱抗菌活性的亚胺青霉烯Imipenem的前体，从S. cattleya发酵获得。棒酸Clavulanic acid的环上含有氧原子，首先是从S. clavulgerus分离得到的，棒酸本身几乎没有抗菌活性，但与其它抗生素结合使用时具有抑制细菌b-内酰胺酶的作用。4） 肽酶抑制剂(Peptidase inhibitors)和免疫调节剂(Immunomodifier) 由于Umezawa实验室的出色工作，从链霉菌中分离出了一系列的蛋白酶抑制剂。亮抑蛋白酶肽Leupeptin和 b-MAPI分别是末端的羧基已经还原为醛基的三肽和四肽，是丝氨酸蛋白酶的抑制剂。有些抑制剂能与细胞表面上的蛋白酶作用，具有免疫强化作用。如佳制霉素 Bestatin是一种由 S. olivoreticili产生的二肽，在白血病和黑色素瘤的治疗中正在进行临床试验。用于农业和饲养业的多肽类抗生素有维吉尼亚霉素S和M1(Virginiamycin S & M1)，前者是一个环六肽，后者则具有肽内酯结构。另一种作为饲料添加剂的硫链丝菌肽(Thiostrepton)分子结构中有多个噻唑和杂环基团。在基因工程和分子生物学中常用作硫链丝菌肽抗性标记。由S. viridochromogenes分离得到的Bialaphose是一个含两个丙氨酸分子和磷丝菌素(phosphinotricin)的三肽类似物，其结构中的磷丝菌素部分能抑制谷氨酰胺合成酶，因此具有抗菌和杀虫活性。10.2.3.5核苷类抗生素(Nucleosides)已经从链霉菌分离得到的核苷类抗生素有200多种，它们的活性和作用方式各不相同，只有少数已应用于农业上。如杀稻瘟素(Blasticidin) S可以防止水稻稻瘟病的发生，由S. griseochromogenes产生；多氧菌素(Polyoxins)对植物病原体具有广谱抗真菌功能，由S. cacaoi产生。不属于以上类型但由链霉菌生产的其它重要抗生素及生物活性物质还有：氯霉素(Chloramphenicol)，属于芳香胺-醇化合物，是少数几种含硝基的天然化合物之一。氯霉素具有广谱抗菌活性，特别是对Gram阴性菌的抗菌效果更好，由S. venezuelae产生。林可霉素(Lincomycin)分子由一个脯氨酸衍生物与一个改性的糖分子结合而成，其生物活性与红霉素类似，由S. lincolnesis发酵生产。新生霉素(Novobiocin)的分子结构很复杂，含有一个香豆素、一个糖基和一个苯甲酸衍生物，临床上用作抗葡萄球菌，但主要用于兽药。新生霉素由S. niveus生产。磷霉素(Posfomycin)是肽葡聚糖合成的抑制剂，对Gram阳性和阴性菌都有抗菌活性，有好几种链霉菌都能用于生产磷霉素，典型的有S. fradiae。FK506的分子结构中含有一个23元的内脂环，结构复杂，是一种免疫抑制剂，由S. tsukubaensis产生。12.2.4 其它放线菌生产的抗生素其它对抗生素生产有重要意义的放线菌有：诺卡氏菌形放线菌(Nocardioform Actinomycetes)、游动放线菌(Actinoplanetes)及足分枝菌(Maduromycetes)。12.2.4.1诺卡氏菌形放线菌诺卡氏菌形放线菌中最重要的是诺卡菌(Nocardia)。它既有营养菌丝、又有气生菌丝，有时不发育的菌丝还会断裂成不会运动的碎片，进一步形成不运动的孢子链。这是一种中温菌，在简单培养基中就能够生长，但生长速度慢，分裂时间要5小时，能够利用长链脂肪烃及气态烃作为碳源。诺卡菌生产的最重要的抗生素有：利福霉素(Rifamycins)、万古霉素(Vancomycin)及瑞斯托菌素(Ristocetin)。另外一些由诺卡菌生产的抗生素包括：诺卡杀菌素（Nocardicins, S. uniformis），这是一种单环内酰胺抗生素；间型霉素（Formycin）和助间型霉素(Coformycin)，两者都是核苷类抗生素，由N. interforma生产。后者虽然没有抗菌活性，但对腺苷脱氨酶有抑制作用，类似的还有2-脱氧助间型霉素(2-deoxycoformycin, S. antibioticus)。拟无分枝酸菌(Amycolatopsis)属于诺卡氏菌形放线菌。这些菌本来也分类为诺卡菌，但由于它们的细胞膜不含支链脂肪酸而被重新分类。有许多拟无分枝酸菌能合成糖肽类抗生素，如万古霉素(A. orientalis)和瑞斯托菌素(A. orientalis subsp. Lurida)。也能产生Elfamycin 和胞壁菌素(Muraceins)，胞壁菌素是血管紧张肽转化酶(Angiotensin-converting enzyme)的抑制剂，是胞壁酰的肽衍生物。A. mediterranei也是利福霉素的重要生产菌种，它的基因图谱已经经过了细致的研究，因此常用于基因工程的宿主细胞。糖多孢菌(Saccharopolyspora)也属于诺卡氏菌形放线菌，它们的营养菌丝容易断裂，细胞壁的组成含有阿拉伯糖、乳糖和内消旋二氨基庚二酸。这一属微生物只有两个种，其中S. erythrea是生产红霉素的优良菌种。10.2.4.2游动放线菌游动放线菌因形成包在孢子囊中的游动孢子而命名，属于Gram阳性菌，好氧生长，属中温菌，最适温度20-30oC、pH7.0。能长成有分枝和分隔的菌丝，气生菌丝则非常少见。细胞壁的肽葡聚糖中含有内消旋二氨基庚二酸或3-羟基二氨基庚二酸和甘氨酸。游动放线菌的菌斑比较小，说明生长缓慢，菌斑呈黄色，也有棕色、蓝色及红色等颜色的菌斑。从游动放线菌分离的抗生素有120余种，包括氨基酸衍生物、聚烯、核苷及氯代杂环化合物等种类。游壁菌素(Teicoplanin, A. teichomyceticus)属于脂糖肽类抗生素，用于治疗Gram阳性菌感染；Ramoplanin是一种大环肽类抗生素，环上有多个糖和脂肪酸取代基，具有临床应用的前景。由Actinoplanes SE 50菌株产生的一种四聚假糖是糖化酶的抑制剂，已经用于治疗代谢紊乱疾病，商品名为Acarbose。指孢囊菌(Dactylosporangium)也属于游动放线菌，因指状的胞子囊而得名，每根营养菌丝上有3-4个运动孢子。从指孢囊菌分离得到的抗生素有30种左右，其中属于氨基环多醇类的有：紫素霉素(Sisomicin, D. thailandense)、N-甲酰基紫素霉素(N-Formylsisomicin, D. thailandense) 、指孢囊霉素(Dactimicin, D. matsuzakiense)、抗分枝杆菌的多肽类卷曲霉素(Capreomycin, D. variesporum)及聚烯类的尼日菌素(Nigericin, D. aurantiacum)等。另一类游动放线菌是小单胞菌(Micromonospora)，其菌落与游动放线菌类似，并有同样的橘黄色，但小单胞菌不形成孢子囊，而是在子实体中。从小单胞菌分离得到的抗生素有300多种，其覆盖范围几乎与放线菌一样广，抗生素的品种也类似，如庆大霉素（M. purpurea, M. echinospora）、健霉素(Fortimicin, M. olivoasterospora)；大环内酯类的蔷薇霉素(Rosamicin, M. rosaria)、霉素霉素(mycinamicins, M. griseorubida)及闰年霉素(Lipiarmycin, M. echinospora)等；另外还有利福霉素及多糖类的扁枝衣霉素(Everninomycin, M. carbonacea)等。12.2.4.3足分枝菌足分枝菌(Maduromycetes)是一类性质差别很大的放线菌，带有气生菌丝的营养菌丝分化时形成短链孢子或者孢子囊，孢子有些能运动，有些则不能。整细胞水解后可以检测到马杜拉糖，细胞壁含有内消旋二氨基庚二酸。属于足分枝菌的马杜拉放线菌的孢子链比链霉菌短，孢子直径要超过菌丝，生长周期长达14-15天。马杜拉放线菌产生的抗生素有250种以上，最常见的是离子型聚醚，如马杜拉霉素(Madurimicin, A. yumaensis)和阳离子霉素(Cationomycin, A. azurea)。此外，经常可以在足分枝菌分离得到蒽环类的抗肿瘤抗生素，如洋红霉素(Carminomycin, A. roseoviolacea)、A-40926(Actinomadura ATCC39727)和血管紧张肽转化酶抑制剂I-5 B(A. spiculosoapora)。10.2.5 粘细菌（Myxobacteria）粘细菌是一类能滑动的Gram阴性杆菌，在饥饿条件下会形成称之为孢子果的复杂结构，成千上万个细胞聚集在一起，内中的营养细胞处于休眠期，并转化为粘孢子。粘细菌广泛分布于土壤、腐烂的植物和素食动物的粪便中。七十年代开始，对粘细菌进行了普遍的筛选以期获得新的抗生素生产菌。人们发现，粘细菌次级代谢产物中抗菌活性物质的检出率非常高，而且许多都是新发现的抗生素。如纤维素堆囊菌(Sorangium cellulosum)产生的大环内酯类抗生素堆囊菌素(Sorangicin)、M. coralloides产生的珊瑚粘菌素(Corallopyronin)等。具有抗真菌能力的琥苍菌素(Ambruticin)也是由纤维素堆囊菌产生的。12.2.6 曲霉(Aspergillus)曲霉主要用于有机酸和酶制剂的生产。由曲霉生产的最重要的次级代谢产物是洛伐他汀（Lovastatin），由A. terreus生产，它的功能是抑制胆固醇生物合成途径中的第一个酶（甲基羟基谷氨酸还原酶）的活性，从而达到降低胆固醇的目的。洛伐他汀及其半合成产物新伐他汀已经成了医治心血管疾病的常用药。曲霉中，A. nidulans虽然能够产生青霉素，但活力不高，不能用于工业生产。A. alliaceus 能产生葱曲霉素（Asperlicin），这是一种非肽类的氨基酸衍生物，是一种正在研究中的缩胆囊肽的拮抗物。从A. oryzae和其它霉菌中分离的小肽Aspergillomarasmine对血管紧张肽转化酶有一定的生物活性。从A. nidulans或A. rugulosus分离得到的脂肽棘白菌素Echinocandins具有抗霉菌活性，其中Echinocandin B经化学改性后得到的Cilofungin抗霉菌剂有较好的临床应用前景。12.2.7 青霉属(Penicillum)Penicillium来源于拉丁文Penicillus，意义为小刷子，形象地说明了青霉菌的形态特征：分叉的菌丝上长着许多的分生孢子。大多数青霉属于腐生菌，广泛生存于土壤和腐败的水果和蔬菜中。由于人类第一个工业化生产的抗生素青霉素是由青霉属中的Penicillium notatum中发现的，至今青霉素及其半合成抗生素仍是产量最大、用途最广的抗生素，因此青霉在抗生素工业中具有特别重要的地位。1928年9月在伦敦圣玛利医院工作的Alexander Fleming医生在分离金黄色葡萄球菌时，发现其中一个平板受到了污染，在污染菌斑附近，其它细菌不能生长。一般情况下，这种受污染的平板立即就会被丢掉，但Fleming却没有这样做，而是对这一现象进行了深入研究，最终导致了具有强大抗菌作用的抗生素青霉素的发现。但是Fleming重要的发现当时并未受到重视，被搁置了十几年。第二次世界大战为青霉素的工业化提供了机会。牛津大学的Howard Flory和Ernst Chain重新对青霉素进行了研究并获得了一定数量的青霉素，他们将青霉素用于一位血液受到感染的病人，病情出现了明显的好转迹象。令人遗憾的是宝贵的青霉素用完了，病人最后还是没有治愈。二战的发展使青霉素的研究工作不得不从英国转移到了美国，在美国战时生产局的领导下，许多政府部门和制药公司共同协作，终于实现了青霉素的工业化生产。到二战末，已经具备了生产每年治疗十万个病人的青霉素生产能力。今天，青霉素仍然是主要的抗生素品种之一，而且以它为基础，开发出了一系列更有效、毒性更低的半合成抗生素品种，为人类的健康作出了重要的贡献。青霉素的发酵水平也从刚开始时的0.001g/L提高到了目前超过50g/L，这一成就是微生物学家和生物化工工程师多年辛勤研究和共同合作的成果。青霉属中分离得到的其它抗生素不多，比较重要的是由A. janczewskii和P. griseofulvin生产的七肽类化合物灰黄霉素，临床用于外用抗霉菌剂。10.2.8生产抗生素和次级代谢产物的其它微生物除了上面讨论的能够生产抗生素的主要微生物种属外，其它微生物也能够产生一些重要的抗生素。在细菌中，从葡萄糖杆菌Gluconobacter SQ26445分离得到了磺胺净素(Sulfazecin)，属于磺酰基单环b-内酰胺类抗生素。以后发现农杆菌Agrobacterium、色杆菌Chromobacterium、纤维粘细菌Cytophage和曲挠杆菌Flexibacter的一些种也能产生磺胺净素。黄杆菌Flavobacterium和黄单胞菌Zanthomonas的某些菌株则能够产生头孢菌素C。霉菌中的头孢霉Cephalosporium chrysogenum是最重要的头孢类抗生素生产菌种。头胞霉在分类学上有一些不同看法，它们的共同特点是分生孢子的结构简单，在一小部分分生孢子的顶上有一个单茎或分枝很少的茎，其菌丝分化形成节孢子。Cephalosporium chrysogenum的营养要求与青霉类似，一些糖类、甲基油酸或甘油都能作为碳源，无机氮、氨基酸或复合的多肽作为氮源。除头孢类抗生素外，Cephalosporium生产的其它重要抗生素都属于聚酮类或萜类化合物，如六酮类的浅蓝菌素Cerulenin(C. caerulens)是脂肪酸生物合成的抑制剂；梭链孢酸Fusidic acid(Acremonium fusidioides)则是抗葡萄球菌剂。木霉属的Trichoderma inflatum是环孢A的生产菌，环孢A具有抗霉菌活性，更重要的用途是作为器官移植的免疫抑制剂。10.3 新抗生素生产菌种的筛选 微生物的次级代谢产物是发现新抗生素和其它生物活性物质的巨大宝库。许多国家和大制药公司都投入了大量的人力和物力从事这项工作，发现了数以万计的新化合物，从中进一步筛选出了具有临床应用价值的抗生素和生物活性物质等，其中许多产物已经形成了知识产权，在创造了巨大经济利益的同时，也为人类的健康和工农业生产的发展作出了贡献。今天，虽然基因工程和组合化学的发展为新药的开发提供了新的思路和方法，但是持之以恒地对各种微生物的次级代谢产物进行分析鉴别，从中发现新的化合物、筛选出新的抗生素仍然具有重要意义。10.3.1 抗生素的基本筛选方法自从发现青霉素后，各国科学家已经对发现新抗生素建立了一套比较系统的方法，可以在短时间内从微生物的次级代谢产物中发现数以千计的活性分子，从中又能够进一步筛选出几个具有临床应用价值的抗生素。这种筛选方法最初是由美国Rutgers大学的Waksman教授于1940年建立起来的，至今仍然被工业界和学术界广泛采用。在上一节中我们已经介绍了许多抗生素生产菌都是来自于有机物在自然界的循环过程，因此筛选的第一步是收集各种环境条件下的土壤和腐败植物样品，从中进行筛选。最常用的筛选过程包括如下步骤：1）将土壤样品加水后充分搅拌或震荡；2）离心取上清液并稀释后涂在事先准备好的琼脂平板上；3）在平板上挑选一些菌落接种于液体培养基进行培养；4）吸取培养液检验其抗菌或其它生物活性。当某一菌落的生物活性得到确证后，就必须将生物活性物质进行分离和部分提纯，以确定该物质是否具有新颖性，并进行一系列初步的生物试验以评价其应用前景。这一步骤的关键是要避免与前人工作的重复。一般而言，培养液中生物活性物质的浓度很低，而且存在许多结构类似物，若要完全将它们分别予以提纯将需要消耗大量的人力和物力。因此对代谢产物的提纯要适度，粗产物的纯度应该在5-10%以上。在分离前应该确定活性物质是在发酵液中还是菌体中。确定活性物质的新颖性是筛选工作的重点，为此要对活性物质进行一系列的生物学性质和物理化学性质检验。主要的生物学性质有：1）对活性物质的抗菌谱进行评价，包括交叉抗菌谱，血清、pH、接种量及离子等因素对抗菌谱的影响；2）活性物质对实验动