定向生物合成

杜拉克丁的定向生物合成
组分 A1a A1b
A2a A2b B1a B2b B2a B2b
R1 OCH3 OCH3
OCH3 OCH3 OH OH OH OH
25-环己烷基-B2 25-环己烷基-B1
—OH —OH
R2 C2H5 CH3 CH3 CH3
X——Y CH=CH
CH=CH
CH3 CH3 C2H5 CH3 CH3 CH3
微生物药物的生物合成 微生物新药的发现
根据微生物药物的生物合成原理 发现微生物新药的方法和途径
通过非基因定向改变、基因定向改变，以 及组合生物催化的技术，或是改变原有微 生物药物的生物合成途径，或是对原有的 微生物药物（或先导化合物和中间体）进 行生物催化，以发现微生物新药 .
产生菌
天然中间物
四环类抗生素的定向生物合成
在生产金霉素时需添加氯化物作为前体， 而当生产四环素时，则必须要在发酵培养 基中添加氯离子抑制剂，如溴化物或M-促 进剂等，从而抑制金霉素的合成而得到四 环素产物。 另外，用金色链霉菌在发酵的金霉素过程 中添加适量的甲基化反应抑制剂如磺胺嘧 啶钠，能够获得去甲基金霉素。
杜拉克丁的定向生物合成
H2N (CH2)3 N H2N (CH2)3 N
H2N (CH2)3 N
O
H2N (CH2)2 N
NH
H2N (CH2)3 NH (CH2)3 N(CH3)2 H2N (CH2)3 NH CH2
H2N (CH2)3 N (CH2)3 NH2
CH3 H2N (CH2)3 NH CH
(CH2)2 NH2
CH3
H2N (CH2)3 NH (CH2)3 OH
H2N (CH2)3 NH (CH2)3 OCH3
*H2N (CH2)3 NH CH
H2N
CH2
CH3
CH2
H2N (CH2)3 NH
NH 2
* PEP的末端胺基
四环类抗生素的定向生物合成
R7 HO
R6H R5 H H
7 8
6 6a
5 5a
4 4a
4－氨基－4－羧基 青霉素N
.
NH 2
丁基青霉素
培罗霉素定向生物合成 .
培罗霉素定向生物合成 ——可结合进入BLM的末端胺基部分的非天然胺基化合物
H2N CH2 CH2 NH2
H2N CH2 CH NH2
.
CH3
H2N (CH2)3 NH CH3
H2N (CH2)3 N(CH3)2
H2N (CH2)3 N(CH 3)2X-
通过非基因定向改变的方法包括：定向生 物合成、杂交生物合成、突变生物合成， 以及生物转化与组合生物转化；
基因定向改变，即为组合生物合成。
第一节 生物合成途径的非基因定向改变
与微生物新药的发现
一、非遗传操作的定向生物合成 与微生物新药的发现
已有的研究表明，在抗生素等次级代谢产物生 物合成中酶－底物的特异性足以使结构相关的 代谢产物在其发酵液中积累；
但由于生物合成酶的底物专一性较低（宽泛 性），其野生型菌株或阻断突变株的发酵过程 中添加一些已知结构类似物作为前体物质，可 以产生含有与这种已知结构类似的新衍生物；
这种获得新次级代谢产物的途径，可以被称之 为非遗传操作的定向生物合成 (directed biosynthesis)。
前体（precursor）
其基本原理是由于参与这些反应的生物合成酶的 底物专一性较差，而能使外源添加的某些前体物 质竞争性地掺入到特定产物的分子中去。
定向生物合成与微生物新药的发现
次级代谢产物合成酶的特点： 是一个由一系列酶参与催化的多酶体系。
参与催化反应的酶的底物专一性比初级代 谢合成酶要差。
应用实例
应用非遗传操作定向生物合成的方法能够 制备获得许多新的抗生素，其中目前已进 行工业化生产的有：
青霉素X
2
CH2
苄青霉素
青霉素G
3
H3C CH2 CH CH CH2
4
H3C (CH2)3 CH2
5
H3C (CH2)5 CH2
6
H2C CH CH2 S CH2
7 O CH3
戊烯[2]青霉素 戊青霉素
庚青霉素 丙烯巯甲基青霉素 苯氧甲基青霉素
青霉素F 青霉素二氢F
青霉素K 青霉素O 青霉素V
8
HOOC CH (CH2)2 CH2
天然产物 化学 修饰
(1) 诱变处理 (2) 基因操作
(1)
(2)
阻 断 或 非 阻 杂合
断菌株
工程菌
前体物质
微生物或 酶转化
天然产物 衍生物
天然产物 衍生物
化学修饰 生物转化与 组合生物转化
天然产物 类似物
定向与杂交 生物合成
天然产物 类似物
突变生物 合成
天然产物 类似物
组合生物合成
微生物药物生物合成 与微生物新药发现的基本途径
N(CH3)2 OH
3
9 10
10a 11
11a
12a 2
12
1
NH2
H
OH O
OH O
O
R5
R6
R7
6－去甲基四环素
H
H
H
(1)
7－氯－6－去甲基四环
H
素
H
Cl
(2)
四环素
H
CH3
H
(3)
5－羟基四环素（土霉素）
OH
CH3
H
(4)
7－氯四环素（金霉素）
H
CH3
Cl
(5)
微生物发酵产生的一些四环素类抗生素
青霉素G和V； 培罗霉素； 四环素和金霉素等。
青霉素定向生物合成
青霉素和6－APA分子结构及各种天然青霉素的结构与名称
序号 1
青霉素分子的化学结构
H2N O
H C CH CN
S
CH3
C
CH3 CH COOH
6－APA的化学结构
各种天然青霉素具有的侧链和名称
侧
链
R
学
名
俗
名
HO
CH2
对羟基苄青霉素
C2H5 CH3 CH3 CH3
CH2—CH（OH） CH2—CH（OH） CH=CH CH=CH CH2—CH（OH） CH2—CH（OH）
CH2—CH（OH）
CH=CH
备注
外源添加环 己烷羧酸钠
非基因改变定向生物合成的研究进展
尽管近年来基因改变的定向生物合成 发展很快，但利用非遗传操作定向生物合 成原理寻找新的生理活性物质的研究还在 不少实验室继续进行，特别是对一些肽类 如环孢菌素A、aureobasidiБайду номын сангаасs及糖肽类如 替考拉宁产生菌的定向生物合成研究取得
即在微生物培养过程中，外源添加的某一 化学物质，通过微生物的代谢，能够将其 整体地或部分地整合到某一特定的次级代 谢产物的分子中去的化合物，如苯乙酸或 苯乙酰胺及苯氧乙酸等）。
非遗传操作的定向生物合成
这种在发酵过程中通过添加某种特定的前体物质， 使微生物的生物合成朝着将这些前体物质掺入到 产物分子的某一特定部位而产生过量的含有这种 前体的产物的方法，即为非遗传操作的定向生物 合成。