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1第一章微生物制药概述本章教学目的1、了解微生物药物的概念、微生物药物发展历程、微生物药物在天然药物中占的地位、微生物药物的命名和分类、微生物药物作用机制等。2、掌握微生物发酵制药的种类、药物微生物的种类、微生物作为天然药物资源的优势、有活性的微生物代谢产物开发成药品满足的条件、次级代谢相关知识、次要组分与药物关系、微生物药物的相关概念、微生物药物的应用。本章教学达到的效果通过对微生物制药这门课整体概况的介绍，结合一些生动有趣的事件和视频，微生物药物在各个行业的应用情况，分析近几年本科毕业生在制药行业就业的情况，激发学生学习这门课的兴趣和热情。根据齐鲁工业大学生物工程学院培养人才的目标，能在生物技术与工程领域从事设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。因此，下面各章均是围绕这一目标进行。第一节简介一、什么是微生物药物（MicrobialMedicines）微生物药物的概念是随着微生物药物的研究进展而不断发展的。微生物药物不仅仅指抗生素，微生物产生的次级代谢产物也不仅仅是针对病原菌的，也可以作用于肿瘤细胞、某个生理过程、某个大分子等。因此：狭义定义为：微生物在其生命过程中产生的，能以极低浓度有选择地抑制或影响其他生物机能的低分子的代谢物。随着微生物药物研究范畴的不断增加，人们将具有特殊生理活性的多糖等大分子代谢物、活菌疫苗、微生物菌剂等也纳入了微生物药物的范畴。因此狭义的定义不能够包含所有的微生物药物，就出现了广义定义。广义定义为：能以极低浓度抑制或影响其它生物机能的微生物或微生物的代谢物。可以预言，微生物药物的概念将随着微生物药物的研究进展而变得越来越广泛和全面。二、微生物药物的发展历程①朴素的经验性总结：远古时期豆腐上的霉菌可以治疗疮疖发霉的面包能够治疗溃疡和肠道感染②理性研究和探索：19世纪70年代现代微生物学的奠基人法国人巴斯德Pasteur，开创了药物微生物技术的新时代。炭疽芽孢杆菌能够引起家畜炭疽病，而注射了在45℃条件下连续培养形成的减毒炭疽芽孢杆菌则能够抑制强活力炭疽菌的侵染。注射无毒狂犬病病毒可以防御狂犬病的发生。③抗生素的兴起和系统研究：20世纪20年代---80年代在此过程中，先后从土壤中筛选出各种抗生素产生菌，主要是放线菌和真菌，包括青霉素、链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、红霉素、制霉菌素、卡那霉素等。50年代末，半合成青霉素的研制成功促使半合成抗生素自60年代起得到了迅速的发展。可以说，微生物药物的研究和发展史，尤其在初期，就是抗生素研究发展史。④微生物药物的多样性研究：20世纪80年代---现在20世纪80年代以来，随着药物筛选技术的发展，微生物药物的研究内容也悄悄地发生了转变，抗生素已不再是微生物药物的全部主体，而是有关抗肿瘤药物、抗病毒药物、抗线2虫药物、除草剂、免疫调节剂、酶抑制剂、家禽家畜生长激素、农作物生长激素、微生物农药等已成为微生物药物研究的主流。同时，由于抗生素大量使用后出现的严重耐药性问题，使得人们重新审视抗生素，有关耐药菌的耐药机制和抗耐药菌抗生素的研究也是目前微生物药物的研究热点。三、微生物发酵制药的种类（1）微生物菌体发酵微生物菌体发酵是以获得微生物菌体为目的，如：面包酵母发酵、单细胞蛋白发酵（利用各种碳源）、真菌类（各种蘑菇、冬虫夏草）、生物防治剂（苏云金杆菌，伴孢晶体可以毒杀鳞翅目、双翅目害虫）。（2）微生物酶发酵微生物酶发酵是以获得酶为目的的发酵，如青霉素酰化酶，用于半合成青霉素时，制备中间体6－氨基青霉烷酸（6-APA）。（3）微生物代谢产物发酵①初级代谢产物：氨基酸，核苷酸，维生素，有机酸。②次级代谢产物：最主要的是抗生素。（4）微生物转化发酵利用微生物的一种或多种酶把一种化合物转变为结构相关的更有价值的产物的生化反应为转化发酵。第二节药物微生物一、药物微生物分类微生物在医药中有许多方面的应用。根据目的，可以将医药中的微生物分为三大类。药源微生物：能够产生具有生物活性药物的微生物。药用微生物：各种具有明显药效的菌剂基因工程菌：通过基因工程的方法构建的微生物，该微生物能够产生各种非微生物代谢产物的天然药物产品。二、微生物作为天然药物资源的优势药物的来源无外乎化学合成、生物合成、以及化学半合成。早期的生物药物主要来自于动植物，尤其是中草药和动物组织器官的提取。但随着人们对微生物认识的不断深入，微生物作为天然药物的资源已经完全显露出它的优势。①微生物多样性微生物种类繁多，并且生活环境条件复杂多样，从而使得微生物在生理代谢上和遗传上存在着其他生物类群无法比拟的多样性，其生活过程中产生的代谢产物也因此多种多样，为我们寻找药物提供了充分的可能性。②生长快速，可以大规模工业化生产微生物代时短，一般在12-24小时内就可以达到稳定期，因此可以缩短生产周期，降低成本。③微生物遗传背景简单易于利用各种遗传突变手段，改变微生物的代谢途径和调控方式，使得各种微量的药用成分能够大量合成，开发物美价廉的药物。例如：青霉素在工业生产初期产量仅为几十个单位，经过几十年的突变筛选和工艺改进，目前每升发酵液达到几十万单位，成为大众化的抗菌药品之一。④微生物代谢产物的多样性为筛选高效低毒的药物提供了可能性。药物的疗效包括两个方面：一是治疗疾病的效果；二是药物的毒性。一个好的药物要求疗效高并且毒性尽可能的低。微生物代谢产物的多样性为此要求提供了可能性。3三、药源微生物不同的微生物类群，次级代谢产物的形成能力有着巨大的差异。甚至是产生药物较多的种属之间，产物的类型也有着巨大的差异。只有少数的微生物类群是优秀的药物产生菌---药源微生物。因此，药源微生物是药物筛选最重要的来源。半个多世纪的微生物药物的筛选与开发，为人们提供了大量的各种类型天然化合物，占全部发现的生物活性天然化合物的80%以上。在微生物来源的天然化合物中，70%左右是由放线菌产生的，尤其是链霉菌。但随着筛选工作广泛深入的开展，从放线菌获得新化合物的比例已经降到了不足0.1%。因此，目前微生物药物的筛选已从传统的高产微生物转向新的微生物类群。如中药用微生物、海洋微生物、极端微生物、以及尚未开发或开发不足的新微生物类群。如下微生物类群，通常都有着或多或少的“光荣的”药物产生历史。（1）放线菌：目前国际上已经描述和发表的放线菌近60个属，2000多种，放线菌是产生微生物药物最多，也是药物研究最多的生物类群。最重要的是产生链霉素的链霉菌属（Streptomyces），其次是产生放线菌素和庆大霉素的小单孢菌属（Micromonospora），产生利福霉素的诺卡氏菌属（Nocardia）。（2）细菌：芽胞杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas），产生的主要是肽类，毒性较大，但通过组合生物合成技术，可能经过人工改造获得新型的药物。值得一提的是目前研究较热的粘细菌（Myxobacteria），重要的药源菌类群。例如能够降解纤维素的纤维堆囊菌，是目前已知的产生生物活性代谢产物的比例最高的生物类群，并且产物结构新颖多样，是很好的药源菌类群。粘细菌又称子实粘细菌，其生活史包括营养细胞阶段和休眠体（子实体）阶段。营养细胞杆状，包埋在粘液层中，菌体柔软，除缺乏坚硬的细胞壁外，与G-细菌无甚差别。在固体表面或气-液界面滑动。以二横裂方式繁殖。营养细胞发育到一定阶段，在一定位置聚集，并形成由细胞和粘液组成的子实体，肉眼可见。在子实体中细胞变成休眠细胞，称为粘孢子。（3）真菌：重要的药源真菌主要是青霉属（Penicillium），曲霉属（Aspergillus），头孢菌属（Cephalosporium）的菌株。传统中药中的大型真菌，如灵芝、虫草等，被称为药用真菌。现代研究表明，药用真菌也是通过产生具有药理活性的代谢产物而起作用，如大分子多糖、小分子萜类、多肽等。四、具有生物活性的微生物代谢产物中仅有一小部分被开发成药品产生生物活性代谢产物较高的生物类群是进行微生物药物研究开发的重要参考，但是生物活性次级代谢产物并不是药物。欲开发为药物，必须考虑以下几点。（1）高活性（2）具有选择性（3）作用机制特别（4）全新的化学结构（5）体内吸收分布好（6）毒性和副作用小或无五、药用微生物（1）传统中药（汉药方）大型药用真菌，如灵芝、虫草。（2）粘细菌的子实体结构部分（3）各种具有明显药效作用的菌剂，如减毒或灭活的疫苗、益肠道菌剂、农用微生物菌剂。第三节微生物药物在医药用微生物中，最重要的是药源微生物。一方面是由于大量的药物来自微生物的天然产物，另一方面，即使是药用微生物，其有效部位也是各种微生物的代谢产物。4一、微生物对物质的初级代谢初级代谢分为三个阶段：①各类营养物质以不同的方式进入细胞根据物质的性质不同，进入细胞的方式也是不同的，包括自由扩散、被动扩散和主动运输。②通过各自的途径被代谢成各种不同的中间产物我们生物化学中所学的糖代谢，脂类代谢，蛋白类代谢③中间产物通过合成反应形成细胞自身的物质，或通过分解反应释放能量和CO2和H2O；厌氧条件下生成乙醇、乙酸、乳酸。二、次级代谢指细胞指数增殖结束以后的生理过程，在此过程中微生物能够将中间代谢产物转化合成对细胞存活“没有用”的代谢物，即次级代谢产物。从生理功能上看，初级代谢产物对微生物的生存更为重要。三、初级代谢和次级代谢的异同表1-1初级代谢和次级代谢的异同项目初级代谢次级代谢功能代谢产物主要是生长必需的小分子化合物，如氨基酸、核苷酸、维生素等，是合成生物大分子的材料；在各种生物中接近或相同。代谢产物非生长必需，但对产生菌在自然环境中的生存有益，化学结构比较复杂，种类繁多；具有种属，甚至菌株特异性。合成过程碳氮代谢途径，各种生物基本相同是初级代谢途径的延续，合成途径复杂，具有特异性。初级代谢和次级代谢途径密切相关，所涉及的酶系和调控机制也是相互交错，彼此影响合成时期主要在生长期合成。大量合成往往在生长停滞后开始。从初级代谢向次级代谢转换受某些环境条件调控，如营养限制或代谢物的积累。合成专一性普遍存在，只是速率不同，酶反应具有高度专一性。合成产物具有明显的种属特异性，产物往往以一族化合物的形式出现。合成条件一般只需简单的营养条件，在各种可生长环境中代谢物均能形成。常需要较复杂的营养条件，甚至需供给复杂的天然物质，产物只能在特定的培养条件下合成。遗传控制主要受染色体DNA控制。受染色体DNA和质粒DNA的控制。四、次级代谢产物合成的特点①次级代谢产物多在细胞停止生长以后合成②初级代谢产物可直接或修饰后成为次级代谢产物合成的前体③合成反应包括聚合作用和修饰④多数次级代谢产物分泌胞外⑤合成反应受初级代谢影响间接松弛，主要受次级代谢自身系统控制5五、次级代谢产物合成的可能原因对于次级代谢产物合成的原因人们作了很多的分析，但至今无一个定论。目前，研究人员分析次级代谢产物合成的理由可能是以下五点。①食物储备②拮抗作用③次级代谢过程的重要性④诱导产生菌的细胞分化⑤诱导其他生物的细胞分化这五项理由中，第三条更具有普遍意义。为了减轻初级代谢产物的积累对细胞造成的毒性，需要有代谢途径将这些产物进一步转化为对细胞没有毒性的产物，并分泌到细胞外。六、次要组分大部分微生物通常能够产生一系列密切相关的次级代谢产物，其中仅有一种或两种是主要的，其余的都是微量组分，这些微量组分即称为次要组分。在已知的药源微生物中发现未知的次要组分的例子很多，如白霉素、制霉菌素、多粘菌素等。次要组分的实际重要性是非常大的，如头孢霉素C、卡那霉素B的发现。次要组分多数是主要产物的结构类似物，少数呈现不同结构七、微生物药物的几个相关概念（1）最小抑制浓度（minimuminhibitoryconcentration,MIC）经过一个适当时间后，指示生物没有生长或生物分子完全失去活性的最小药物浓度。它是药物活性测定的主要参数。（2）半抑制浓度（IC50）抑制50%的生物生长或生物分子失去活性的药物浓度。（3）最小杀菌浓度（minimumbactericidalconcentration,MBC）能够杀灭细菌的最低药物浓度。（4）抑制谱药物