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第十章微生物发酵生产抗生素
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Bu’Lock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。

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。

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。Bérdy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