抗生素的产生与升级

抗生素的产生与升级

青霉素的发现和在临床上的应用，为人们寻找新的药物开辟了新的思路和途径。1944年瓦克斯曼(Waksman)从灰色链霉菌中发现了链霉素，开辟了利用放线菌生产抗生素的途径。随后在微生物中发现了许多具有杀灭和抑制其他微生物发育和代谢，有的还可抑制肿瘤细胞的发育和代谢的生物活性物质，现在人们将之统称为抗生素，具有抗微生物作用的抗生素又称为抗菌素。青霉素的液体深层发酵技术和设备的工业应用及新的抗生素的不断发现，使抗生素工业迅速发展。上个世纪的60-80年代是抗生素研究发展的高峰年代，到目前为止从微生物中发现的抗生素有近2000多种，在工业上生产并在临床上应用的抗生素有近100种。

为适应青霉素生产而研究开发的液体深层发酵技术和设备，彻底改变了传统的固体发酵，这些技术和设备逐渐地推广应用到其它的发酵产品的生产上，也取得了令人满意的结果。因此，用于青霉素生产的技术和设备的研究开发为现代的抗生素工业和现代发酵工业的建立和发展奠定了基础。

在上个世纪的五十年代，也就是青霉素开始大量在临床上使用时，一个病人每一次注射青霉素只需要20万单位，而到了九十年代，一个病人每一次注射的青霉素需要80-100万单位，青霉素用量几乎增加了近5倍。为什麽在不到半个世纪里，病人需要注射的青霉素用量增加了近5倍，是不是如人们所说的现在的青霉素质量不如从前了呢！不是的。现在生产的青霉素质量不仅不比从前生产的青霉素质量差，反而还有大幅度的提高。其主要原因是由于人们长期、大量使用青霉素，特别是不科

学的大量滥用青霉素，如低剂量长期使用，使许多致病菌对青霉素产生了耐药性，有些致病菌不仅能够耐药，还可以破坏青霉素，很快使青霉素丧失杀菌活性。因此，不得不增加青霉素的用量，以保证治疗效果。

对青霉素杀菌治病机理的研究发现，青霉素主要是抑制细菌细胞壁的形成。这正如把一只小兔子的皮剥掉，小兔子就不能够活一样。细菌细胞壁被破坏，细菌就不能够繁殖，从而达到抑制和治病的效果。在研究青霉素的化学结构与药效关系中，发现在青霉素分子由两部分组成，一是有由一个四元环与一个五元环并在一起所组成的分子活性部分，称为“母核”，它是青霉素抗菌活性的关键部分，如果四元环被破坏而打开，青霉素就失去了抗菌活性；另一部分是与之连接的侧链。研究发现改变侧链的结构，可以使母核稳定，增加耐受致病菌破坏的能力。同时还可以扩大抗菌谱，增加耐酸性，使之可以口服，在一定程度上也可以减低过敏性。因此，通过对青霉素的结构改造，达到提高青霉素药效和治疗作用，具有巨大的临床应用价值。

在以前人们使用化学方法将青霉素母核上的侧链‘切下’来，获得母核，然后再经化学方法给母核接上一个新的侧链，得到的是经过改造的‘半合成青霉素’。致病菌对经过改装的青霉素的破坏和耐受能力降低，容易被杀死。过去病人打一针普通青霉素要80-100万单位，而现在打半

合成青霉素，如氨苄青霉素，羟氨苄青霉素，只需要20万单位，就可

以达到同样的治疗效果。

但是，用化学方法来生产青霉素母核很困难，需要在很低的温度下进行

反应，一不小心，可能就会失败，拿不到一点产品。在上个世纪的五十年代末期，人们在微生物中发现了一种能够将青霉素的侧链‘拆下来’得到青霉素母核的一种酶，就给它起名叫做青霉素酰化酶。但是并未引起人们注意。直到上个世纪的七十年代，半合成青霉素的发展需要大量的青霉素的母核，而使用化学方法生产青霉素母核遇到许多困难时，才想到青霉素酰化酶，开始进行大量研究，并获得了成功。

使用产生青霉素酰化酶的大肠杆菌细胞(因为酶在细胞内)可以将青霉

素的侧链切掉，获得母核。后来发现其它一些细菌产生的青霉素酰化酶是在细胞外的发酵液里，人们称之为胞外酶，因为产量高，比较容易分离得到而受到人们的重视。但是不论是胞内还是胞外的青霉素酰化酶在工业上使用有许多缺点。比如使用细胞作为酶源时，在使用过程中细胞会破坏，由细胞释放出来的许许多多东西会跑到反应液中，即使细胞不破坏，从反应液中出去细胞也比较麻烦；使用酶时，因酶是水溶性的，它催化反应完了还留在反应液里，使得产物分离有一定困难，容易污染产物；另外，酶催化反应结束后，酶并未完全丧失催化能力，往往还可以再使用，但是因为溶解在水里，很难把酶分离出来再使用。费了很大力气生产的酶只使用了一次，就丢掉了，十分可惜。所以发展了固定化技术，将产胞内青霉素酰化酶的细胞用适当的材料包埋成小珠，制成固定化细胞，或将青霉素酰化酶结合在特殊的高分子材料上，制备成固定化酶。装在下底有过滤网的搅拌罐式反应器中，加入10 青霉素溶液和适当量的固定化酶或固定化细胞，保持温度35-40℃左右，并通过pH 自动控制仪加碱液，保持反应液的pH在8.0-8.5，当反应结束，加入酸

将反应液的pH调到弱酸性，用醋酸乙酯提取产生的苯乙酸，经适当浓

缩后，产生的青霉素母核-6-APA既可结晶出来。也可以将固定化酶或固定化细胞装在柱式反应器中，将青霉素溶液从柱反应器的一端以较高的流速进入，从另一端流出，在储罐中通过pH自动控制仪流加碱液，保

持反应液的pH在8.0-8.5，反应结束后利用上述方法获得青霉素母核。利用这样的设备可以进行批式或连续生产，容易实现自动化和连续化，反应结束后，因为酶是固体的，很容易与反应液分开，酶不会污染产物；酶也可以反复再用，这使得青霉素母核的生产变得比较轻松，可以大幅度的降低生产成本，提高产品质量。为青霉素母核的生产开辟了一种全新的生产方法，克服了化学方法的缺点，如生产不稳定，搞不好会得不到产品，要吃零蛋的危险；提高了产品质量和产量，降低了生产成本，解决了环境污染等问题。

有了青霉素母核接上一个新的侧链，就成为半合成青霉素。在上个世纪九十年代以前，都是使用化学法合成。但早在七十年代就发现青霉素酰化酶不仅可以催化青霉素水解产生母核，也可以催化母核与新的侧链反应合成半合成青霉素。其与生产青霉素母核的反应条件不同，生产母核的反应是在弱碱性条件，而合成反应是在弱酸性和有新的侧链的衍生物存在下进行。现在利用青霉素酰化酶催化合成氨苄青霉素已经获得成功，但还不能象化学合成方法那样可以用于合成各种半合成青霉素。

半合成青霉素，从上个世纪六、七十年代的第一代已发展到现在的第四代，我国医院大量使用的氨苄青霉素，羟氨苄青霉素是第三代产品。