生物技术在天然药物研究中应用

O G lc
人参皂苷Rh2
O O O OH
H
OH
O
H O
O
O
O
紫杉醇
二天然药物生物转化的发展
第一阶段：植物组织和细胞培养
罗汉果
怀地黄
人参
第二阶段：悬浮细胞培养
紫草
红豆杉
黄芪
第三阶段：微生物、酶转化技术的应用
三天然药物生物转化的特点
1.专一性强 2.副产物少、产量高 3.反应条件温和 常温 常压 pH近中性 4.可以进行化学方法难以进行的反应
HO C H
COOH
C H 2O H
D-山梨醇
CO
HO C H
烯醇化、内酯化
H C OH
HO C H
C H 2O H
2-酮基-L-古龙酸
乙酸杆菌
C H 2O H CO HO C H
H C OH
HO C H
C H 2O H
L-山梨糖
OC
H C OH O H C OH
HC
HO C H
C H 2O H
维生素C
二微生物转化方法
（一）微生物转化的反应
1.应用于氧化反应 （1）脱氢反应 细菌 （2）羟基化反应 放线菌 2.应用于水解反应 细菌、酵母菌和霉菌 3.应用于还原反应 酵母菌和霉菌 4.应用于酰基化反应 细菌 5.应用于降解反应 细菌 6.应用于脱水反应 细菌和霉菌
（二）微生物转化的一般过程
1.选择菌种 2.制备培养基 3.加转化底物 4.添加刺激剂或抑制剂 5.控制好转化反应培养时间 6.调控好影响因素 7.控制好转化反应终点 8.分离纯化转化产物
特点:生物量积累快 转化时间短 转化酶表达效率高 便于工业化生产
（一）在有机合成领域的应用
应用于微生物转化的酶：乙酰转移酶、糖苷酶、糖基转移酶、 环氧酶、羟基化酶、醛缩酶等。
六大类：氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂合酶类 异构酶类 合成酶（连接酶）类
优点： 高度选择性（化学、区域、非对映体、对映体选择性） 反应条件温和 酶种类多样 酶量充足 转化效率高 产品质量稳定 对环境污染少
Ⅰ相代谢functionalization：氧化、还原、水解 Ⅱ相代谢conjugation：葡萄糖醛酸结合、硫酸结合、谷光甘肽结合
预测代谢的优点：
✓ 可提供大量的筛选模型 ✓ 成本较低、操作简单、易于控制 ✓ 调节优化条件，显著提高代谢产物收率，作为代谢产物的对照品进行药
理和毒理研究 ✓ 减少实验动物用量
生物技术在天然药物研究中的应用
Tel: (O) E-mail:
绪论
一天然药物生物转化基本概念
生物转化技术:应用植物细胞培养体系、微生物或酶等生物 体系对外源化合物进行合成和结构修饰。
天然药物生物转化：利用生物转化技术对天然活性化合物进 行合成和结构修饰。
O N
N
O HO
O
喜树碱
O
O
N
O
H OH
HO OH
泼尼松
四生物转化在天然药物研究中的应用
1.为天然药物的生产提供有效途径 2.为天然药物的结构修饰与设计提供新的工具 3.结合药物筛选,为新药开发提供了研究手段 4.提高天然活性成分的生物利用度 5.成为中药制剂中除去大分子杂质的有效方法
天然药物的微生物转化
一微生物转化的应用
微生物转化:通过微生物细胞将复杂的底物进行结构修饰,也 就是利用微生物代谢过程中产生的某个或某一系列的酶对底 物特定部位(基团)进行的催化反应。
（三）几种常用的微生物转化方法
1.分批培养转化法 2.利用酶进行生物转化 3.应用渗透细胞进行生物转化 4.应用孢子进行生物转化 5.应用固定化细胞进行生物转化 6.应用干燥细胞进行生物转化 7.静息细胞转化法
（四）微生物转化反应的特点
1.反应条件温和、公害少、设备简单且反应速度快 2.可以减少反应步骤 3.对立体结构合成上具有高度的专一性 4.回收率高、成本低
色谱法
低 较高 需要 较高 简单 常温常压 高 基础和方法研究 小 短 低 小
化学法
高 变动 需要 变动 一般 高温高压 可变 需要新反应验证 可大 长 高 大
生物法
中 高 不需要 高 比较复杂 常温常压 中 酶筛选、酶工程 可大 较短 中 一般
生物合成手性化合物：
外消旋体拆分为两个光活性对映体 酶催化生成不对称的光活性产物
香草醛的合成
COOH
微生物-氧化 OCH3 OH
COOH
诺卡菌 OCH3 OH
CHO
OCH3 OH
（二）在新药开发中的应用
新药合成：化学合成 生物转化
生物转化方法：
天然活性成分（先导化合物） 结构新颖的化合物 发现关键活性成分
利用多种不同催化功能的酶系
（三）作为体外模型预测代谢
药物代谢：研究药物分子在体内以不同的规模发生的生物化学转化
➢ 结构修饰和改造 复杂结构天然产物 转化产生新的组合天
然化合物群 改变药物的功能疗效
➢ 定向合成 天然活性成分含量低 以微生物为反应器 定向合成
（一）喜树碱
O N
N
O HO
O
喜树碱，20(S)-camptothecin， CPT
wk.baidu.com
۞ 分子式 C20H16N2O4 ۞ M 348.36 ۞ 熔点 258-263℃
实例： 消旋布洛芬酰胺 Rhodococcus AJ270 S-布洛芬
O CH3
黑根酶
HO
O CH3
> 90%
O
O
2.食品添加剂的合成
维生素C的合成
C H 2O H HO C H HO C H
H C OH HO C H
CHO
D-葡萄糖
混合菌
C H 2O H HO C H
H2/Ni
HO C H H C OH
1966年美国化学家Wall和Wani从喜树Camptotheca acuminata Decne中分离得到 具有较强抗肿瘤和抗病毒活性的生物碱成分 不具有明显的生物碱性质近中性分子 不溶于酸，与酸不成盐，难溶于水及一般有机溶剂
三微生物转化的影响因素
1.转化的时间和温度 2.底物添加方法 3.酶的抑制剂 4.酶的诱导剂 5.生长调节剂
四新技术在微生物转化中的应用
1.基因工程技术 2.固定化细胞转化技术 3.双水相转化技术 4.超声波技术 5.有机介质中的微生物转化 6.生物反应器的应用 7.核磁共振、质谱技术
五天然药物的微生物转化
缺点： 酶易失活（pH、温度和高盐浓度） 产物和底物的抑制现象
1.手性化合物合成与拆分
“反应停”（沙利度安）事件
R-对映体
镇静作用
S-对映体
致畸作用
手性化技术：色谱法 化学不对称合成法 生物合成与拆分法
三种手性化技术方法的比较
项目
生产效率 选择源 手性源 产率 产物回收 操作条件 生产成本 必需条件 生产规模 开发周期 开发成本 法律限制