抗生素生物技術(shù)

前言

抗生素最初曾被命名為抗菌素，其含義是指由微生物產(chǎn)生的在低濃度時(shí)即呈現(xiàn)對其他微生物有拮抗作用的物質(zhì)。1876年，特恩德爾（Tyndall）最早發(fā)現(xiàn)自然界微生物的拮抗作用。1929年，弗萊明（Fleming）偶然觀察到在青霉菌生長的周圍，金黃色葡萄球菌的生長能夠被抑制的現(xiàn)象。1942年，弗洛瑞（Florey）和查恩（Chain）確定，這種抑制作用是源于青霉菌所產(chǎn)生的青霉素。這樣，青霉素作為第一個(gè)抗生素，于第二次世界大戰(zhàn)期間，在治療人類感染性疾病中發(fā)揮了巨大的作用，從此開啟了抗生素的黃金時(shí)代。20世紀(jì)50～60年代，數(shù)量眾多的抗感染抗生素(如抗革蘭陽性菌的紅霉素、抗革蘭陰性菌的鏈霉素、廣譜的四環(huán)素、抗結(jié)核桿菌的利福霉素、抗真菌的灰黃霉素和在動物體內(nèi)有效的抗病毒抗生素艾氏菌素等)或是以這些化合物為先導(dǎo)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的衍生物(如源自青霉素和頭孢菌素的系列衍生物產(chǎn)品)相繼問世。在此期間，又發(fā)現(xiàn)了一些具有抗腫瘤活性的抗生素如放線菌素、博萊霉素、絲裂霉素、紫紅霉素、光神霉素等，表明微生物代謝產(chǎn)物并非僅限于對細(xì)菌的拮抗作用。20世紀(jì)60年代中期，日本學(xué)者梅澤濱夫提出，從微生物代謝產(chǎn)物篩選酶抑制劑，可以獲得具有生理活性的物質(zhì)。從此以后，由微生物產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了許多具有多樣生理活性的物質(zhì)，包括免疫抑制劑、免疫增強(qiáng)劑、免疫調(diào)節(jié)劑，如環(huán)孢菌素A、雷帕霉素；具有生理功能的酶抑制劑，如有降血脂活性、作用于3羥基3甲基戊二酰輔酶A(HMGCoA)還原酶的抑制劑洛伐他汀，具有抗血栓活性的凝血酶抑制劑桿菌凝血酶抑素，治療糖尿病、作用于醛糖還原酶的抑制劑薩弗利定；具有調(diào)節(jié)血壓功能的內(nèi)皮素受體拮抗劑葡穗菌星等物質(zhì)。這樣，隨著微生物代謝產(chǎn)物功能多樣性的開發(fā)和利用，“抗生素”的概念和內(nèi)涵，又得到了更廣的延伸與發(fā)展。20世紀(jì)80年代中期，漢斯·博曼等人首次從蠶蛹中分離出抗菌肽以來，科學(xué)家們又從青蛙、蜜蜂、豬和人等800多種動物中相繼發(fā)現(xiàn)了由短鏈氨基酸組成的抗菌肽，從而開辟了產(chǎn)生抗生素的豐富新資源 。從這個(gè)意義上講，將抗生素定義為“由微生物或生物體產(chǎn)生的、在低濃度下對其他微生物或腫瘤、病毒細(xì)胞呈現(xiàn)拮抗作用或在生物體內(nèi)具有生理活性的物質(zhì)”顯得更為貼切一些。 值得注意的是，隨著抗生素在臨床上的長期廣泛應(yīng)用或?yàn)E用，出現(xiàn)致病菌抗藥、耐藥的情況日趨嚴(yán)重，致使許多原本有效的抗生素降低或失去作用。利用傳統(tǒng)方法和常規(guī)手段進(jìn)行篩選，不僅越來越多的菌種被重復(fù)分離，而且由于生物體生態(tài)平衡中產(chǎn)生抗生素的基因通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合轉(zhuǎn)移等過程，可以在種群內(nèi)或種群間轉(zhuǎn)移，所以盡管不斷拓展抗生素產(chǎn)生菌的多樣性，仍然導(dǎo)致同一種抗生素多次重復(fù)被發(fā)現(xiàn)。利用傳統(tǒng)常規(guī)模式尋找新抗生素，難度將會越來越大。出路在于，一方面充分發(fā)掘利用豐富的天然微生物資源，建立多種生理活性物質(zhì)篩選模型，另一方面，也是很重要的方面，就是運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)，改造、研制新型抗生素，即在抗生素生物合成分子生物學(xué)基礎(chǔ)上，采用基因重組技術(shù)，獲得所需基因工程菌，經(jīng)過發(fā)酵提取，直接產(chǎn)生新的抗生素。可以認(rèn)為，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)開辟菌種新資源尋找新抗生素，潛力是巨大的，前景是美好的。 然而，目前既缺少傳統(tǒng)方法常規(guī)手段篩選新抗生素的系統(tǒng)圖書，更不見采用現(xiàn)代生物技術(shù)通過基因重組研發(fā)新抗生素的著作。這對當(dāng)前仍占臨床用藥重要份額抗生素的持續(xù)發(fā)展，無疑是一種欠缺和遺憾。筆者作為國家培養(yǎng)的第一批抗生素專業(yè)人員，畢生從事抗生素研制的生物學(xué)工作。抗生素研究作為一門科學(xué)，隨著生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物工程學(xué)、化學(xué)生物學(xué)、分析化學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)的進(jìn)展，其自身也日益形成一門獨(dú)立的綜合學(xué)科。由于系統(tǒng)介紹抗生素的相關(guān)出版物比較匱乏，致使從事這方面工作的人員，在抗生素理論與實(shí)踐、深度與廣度上受到了制約和影響。本書結(jié)合筆者自身近半個(gè)世紀(jì)學(xué)習(xí)、工作的經(jīng)驗(yàn)與體會，綜合收集借鑒了國內(nèi)外專家、學(xué)者的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)及最新成果，利用工作之余編寫了《抗生素生物技術(shù)》一書，以期對我國抗生素事業(yè)做出一點(diǎn)微薄的貢獻(xiàn)。 本書的特點(diǎn)在于，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，由淺入深系統(tǒng)地從抗生素生物學(xué)、生物化學(xué)及分子生物學(xué)的不同層面，闡述抗生素生物合成的基本原理及特點(diǎn)，結(jié)合自身經(jīng)歷，詳盡介紹了抗生素產(chǎn)生菌菌種選育、發(fā)酵、培養(yǎng)基設(shè)計(jì)、配方等基本要領(lǐng)，利用基因重組技術(shù)創(chuàng)制新抗生素的理論意義與實(shí)際成果。同時(shí)，為了加深理解，還在適當(dāng)?shù)胤搅信e了一些具可操作性的實(shí)施范例。本書的特點(diǎn)還在于，它以抗生素生物合成為主線，對各類抗生素生物合成機(jī)制及組合生物合成的原理進(jìn)行了系統(tǒng)剖析，并在此基礎(chǔ)上，舉例說明各類抗生素組合生物合成所采用的方法?？紤]不同讀者的情況，本書在抗生素產(chǎn)生菌分子生物學(xué)的基因操作、載體選擇、基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、異源基因表達(dá)等方面，也進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述，本書附錄還備有鏈霉菌研究的常用技術(shù)方法，期望能對抗生素領(lǐng)域的青年科學(xué)工作者、教學(xué)人員以及生產(chǎn)人員有所幫助，并對從事微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)的相關(guān)人員有所裨益。 《抗生素生物技術(shù)》撰寫過程中，筆者在長期工作積累的基礎(chǔ)上認(rèn)真借鑒了他人的論著，吸取了有益的營養(yǎng)，豐富了本書的內(nèi)容。但是，由于抗生素涉及多學(xué)科，有關(guān)基礎(chǔ)與應(yīng)用方面的進(jìn)展日新月異，加之筆者水平、時(shí)間、精力所限，本書內(nèi)容出現(xiàn)不足和疏漏在所難免，懇切希望讀者多加批評指正。本書從立項(xiàng)到出版過程，得到化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持以及責(zé)任編輯的認(rèn)真審閱與修改。本書寫作過程中，筆者丈夫楊厚教授自始至終協(xié)助進(jìn)行了文字方面的修飾與加工，武臨專博士提供參考資料，李永海博士、王廣林博士、赫衛(wèi)清博士、戴文建博士、劉愛明碩士等在繪圖方面給予大力的幫助。在此，謹(jǐn)對他們一并表示由衷的感謝。

內(nèi)容概要

　　《抗生素生物技術(shù)》比較系統(tǒng)地介紹了抗生素的產(chǎn)生和生物技術(shù)在創(chuàng)制新型抗生素中的理論和方法。全書共分為七章，包括抗生素產(chǎn)生菌菌種、培養(yǎng)、保藏、選育、發(fā)酵、生理代謝、生物合成、代謝調(diào)節(jié)、組合生物合成和基因異源表達(dá)等內(nèi)容。尤其比較深入地闡述了菌種選育和發(fā)酵培養(yǎng)基配方設(shè)計(jì)的理論和方法。以抗生素生物合成為主線，對各類抗生素生物合成機(jī)制、調(diào)節(jié)及組合生物合成的原理進(jìn)行了系統(tǒng)的剖析?！犊股厣锛夹g(shù)》的撰寫力求由淺入深、理論與實(shí)際結(jié)合，便于新入門年輕科學(xué)工作者的理解?！犊股厣锛夹g(shù)》盡量以圖例對所述原理進(jìn)行說明，并附有常用的技術(shù)方法。《抗生素生物技術(shù)》可供從事抗生素、微生物藥物研究尤其是新藥研究、教學(xué)、生產(chǎn)和管理等方面的工作人員借鑒參考，同時(shí)亦比較適合有關(guān)專業(yè)研究生、本科學(xué)生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第一章 生素產(chǎn)生菌的菌種1 第一節(jié) 生素產(chǎn)生菌的主要分類1 一、放線菌1 二、真菌1 三、細(xì)菌2 四、動物或昆蟲5 五、海洋微生物8 六、極端微生物18 第二節(jié) 生素產(chǎn)生菌的培養(yǎng)19 一、鏈霉菌的形態(tài)生活史19 二、鏈霉菌形態(tài)發(fā)育的分子生物學(xué)22 三、放線菌/鏈霉菌的營養(yǎng)要求24 四、放線菌在固體培養(yǎng)基上的培養(yǎng)特征24 五、固體培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)與選擇25 參考文獻(xiàn)25 第二章 生素產(chǎn)生菌菌種優(yōu)化的理論與方法26 第一節(jié) 然選育27 一、菌種自然選育的方法27 二、自然選育的操作過程28 第二節(jié) 變育種29 一、誘變因子的作用機(jī)理29 二、誘變因子的使用方法32 三、誘變育種的新技術(shù)34 四、特定目的的誘變育種——抗噬菌體菌株的誘變36 五、誘變育種的分子生物學(xué)基礎(chǔ)——DNA損傷差錯(cuò)修復(fù)機(jī)制37 第三節(jié) 性化誘變育種38 一、途徑工程育種39 二、抗生素生物合成限速階段酶基因的操作43 三、調(diào)節(jié)基因的操作44 四、轉(zhuǎn)座子的操作45 五、提高有效組分的理性化篩選46 六、核糖體工程育種48 七、抗性調(diào)節(jié)育種50 八、生理代謝調(diào)節(jié)變株53 第四節(jié) 種基因突變的分析與定位53 一、基因多態(tài)性分析53 二、DNA芯片54 參考文獻(xiàn)54 第三章抗生素發(fā)酵工程55 第一節(jié) 生素發(fā)酵原理55 第二節(jié) 子培養(yǎng)過程57 一、菌種制備57 二、種子培養(yǎng)58 第三節(jié) 酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)59 一、發(fā)酵培養(yǎng)基的組成要素59 二、 發(fā)酵培養(yǎng)基配方的設(shè)計(jì)及優(yōu)化63 第四節(jié) 酵過程參數(shù)控制70 一、 發(fā)酵參數(shù)70 二、發(fā)酵參數(shù)的控制72 參考文獻(xiàn)77 第四章抗生素產(chǎn)生菌的生理代謝78 第一節(jié) 源代謝78 一、葡萄糖分解代謝途徑78 二、 碳源分解代謝的阻遏79 第二節(jié) 源代謝81 一、鏈霉菌中氮源的礦物質(zhì)來源81 二、 鏈霉菌中肽及蛋白質(zhì)的利用82 三、 鏈霉菌中的氨基酸通透酶82 四、 鏈霉菌氨基酸的合成與分解代謝83 五、氮源分解代謝的調(diào)控88 六、 鏈霉菌氨基酸合成的調(diào)控91 第三節(jié) 酸鹽代謝93 一、鏈霉菌中磷酸鹽調(diào)控的雙組分PhoRPhoP系統(tǒng)93 二、 鏈霉菌中其他參與磷酸鹽調(diào)控的基因93 第四節(jié) 苷酸代謝94 一、核苷酸的分解94 二、核苷酸的合成94 第五節(jié) 代謝96 一、 脂類的合成96 二、脂類的分解98 第六節(jié) 開關(guān)——一個(gè)新的基因調(diào)控元件99 參考文獻(xiàn)100 第五章抗生素生物合成及其遺傳學(xué)101 第一節(jié)抗生素構(gòu)造單位的來源——生源102 一、 聚酮體103 二、異戊二烯類103 三、糖類和氨基糖104 四、氨基酸104 五、3氨基5羥基苯甲酸106 六、環(huán)多醇107 七、核苷類107 第二節(jié) 要類群抗生素的生物合成及分子生物學(xué)109 一、多肽類抗生素109 二、聚酮類抗生素133 三、聚酮與非核糖體多肽復(fù)合型合酶共同介導(dǎo)合成的抗生素183 四、寡糖類抗生素及糖基化酶在抗生素生物合成中的作用189 五、氨基糖苷類抗生素197 六、核苷類抗生素212 七、氨基香豆素類抗生素217 八、異戊二烯類抗生素223 九、林可霉素類抗生素226 參考文獻(xiàn)228 第六章 生素產(chǎn)生菌次級代謝調(diào)控及其分子機(jī)制229 第一節(jié) 生素生物合成全局性調(diào)控230 一、生長速率及多磷酸化核苷酸ppGpp的調(diào)控230 二、sigma因子231 三、營養(yǎng)代謝的調(diào)節(jié)232 四、反饋調(diào)節(jié)235 五、誘導(dǎo)調(diào)節(jié)236 六、腺苷甲硫氨酸（SAM）的調(diào)節(jié)241 七、細(xì)胞通透性的調(diào)節(jié)242 八、金屬離子的調(diào)節(jié)242 九、熱休克反應(yīng)242 十、抗生素生物合成全局性調(diào)控基因242 第二節(jié) 生素生物合成的多效性調(diào)控247 一、鏈霉菌形態(tài)發(fā)育分化和抗生素生物合成的多效性調(diào)控247 二、多種途徑抗生素生物合成的多效性調(diào)控247 第三節(jié) 生素生物合成途徑特異性調(diào)控247 一、抗生素生物合成途徑特異性調(diào)控蛋白247 二、各類抗生素生物合成途徑的特異性調(diào)控249 第四節(jié) 霉菌次級代謝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控253 一、鏈霉菌基因轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)253 二、鏈霉菌啟動子域的特點(diǎn)257 第五節(jié) 節(jié)基因的研究方法261 一、小分子誘導(dǎo)物的分離鑒定261 二、啟動子區(qū)及活性分析261 三、基因表達(dá)的時(shí)空性262 四、基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)263 五、調(diào)節(jié)蛋白與DNA的相互作用263 參考文獻(xiàn)264 第七章抗生素生物合成基因組合創(chuàng)制 新抗生素或其先導(dǎo)化合物265 第一節(jié) 合生物合成的分類267 一、突變組合生物合成267 二、前體導(dǎo)向生物合成276 三、基因組合生物合成281 第二節(jié) 因組合生物合成的原理及其應(yīng)用283 一、聚酮合酶（PKS）Ⅰ型283 二、聚酮合酶(PKS)Ⅱ型300 三、聚酮合酶(PKS)Ⅲ型307 四、非核糖體肽合酶309 五、后修飾酶在組合生物合成中的應(yīng)用315 第三節(jié) 源基因表達(dá)組合生物合成336 一、宏基因組在組合生物合成中的應(yīng)用337 二、異源基因表達(dá)宿主系統(tǒng)342 三、異源基因表達(dá)載體系統(tǒng)344 四、抗生素生物合成基因簇的異源基因表達(dá)346 五、異源基因表達(dá)的組合生物合成349 六、組合生物合成研究存在的問題及展望360 參考文獻(xiàn)361 附錄362 一、放線菌培養(yǎng)常用培養(yǎng)基362 二、 幾種培養(yǎng)基常用有機(jī)氮源的成分 分析364 三、鏈霉菌菌種研究常用技術(shù)與方法368

章節(jié)摘錄

插圖：抗生素生物技術(shù)中與PKSI型基因簇位置很近。在許多抗生素生物合成基因簇中均有氧化還原酶基因的存在。綠色代表核糖體$12，褐紅色代表rRNA，藍(lán)色代表與鏈霉素特異性結(jié)合的位點(diǎn)，42和87位賴氨酸；鏈霉素以淺藍(lán)色代表，分子中的氧原子以紅色代表當(dāng)核糖體S12發(fā)生突變時(shí)，賴氨酸發(fā)生變化（橙色代表），整個(gè)$12蛋白構(gòu)型發(fā)生變化，鏈霉素不再能與之結(jié)合（綠色代表鏈霉素）圖2-5  鏈霉素與核糖體結(jié)合示意圖。七、抗性調(diào)節(jié)育種1.通過調(diào)控產(chǎn)生菌對所產(chǎn)抗生素的自身抗性提高抗生素產(chǎn)量抗生素是微生物次級代謝產(chǎn)物，它們不是微生物生長繁殖所必需的產(chǎn)物，而是在一定的生理?xiàng)l件下產(chǎn)生的，并且往往呈現(xiàn)為某些種屬或者單個(gè)菌種的特征產(chǎn)物?？股厥蔷哂猩锘钚缘奈⑸锎渭壌x產(chǎn)物，所以它亦能抑制甚至殺死其產(chǎn)生菌。為了生存需要，菌種通常能夠形成對自身所產(chǎn)抗生素的不同的抗性機(jī)制。因此，抗生素的生物合成首先受抗性機(jī)制的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生菌必須對其自身產(chǎn)生的抗生素具有抗性。如果次級代謝產(chǎn)物對產(chǎn)生菌有活性，產(chǎn)生菌必須將其鈍化或失活或?qū)⑵溆行У嘏懦霭??？股禺a(chǎn)生菌基因組結(jié)構(gòu)表明，絕大多數(shù)抗生素生物合成基因通常是位于染色體，只有極少數(shù)是位于質(zhì)粒上。抗性基因和調(diào)節(jié)基因常常是與生物合成基因連鎖的事實(shí)，表明次級代謝在微生物進(jìn)化中已經(jīng)形成比較完善的體系，并且對微生物的存在有重要意義。由于抗生素生物合成與其作用的靶點(diǎn)通常是無關(guān)的，有些抗生素是初級代謝產(chǎn)物的儲存，如聚酮體化合物是乙酰輔酶A的多聚化形式；有些抗生素可以是細(xì)胞壁物質(zhì)的組成部分，如鏈霉素是產(chǎn)生菌S·griseus細(xì)胞壁質(zhì)的成分；有些抗生素是金屬離子的螯合劑；許多抗生素調(diào)節(jié)細(xì)胞分化，促進(jìn)產(chǎn)生菌氣生菌絲的形成。盡管大多數(shù)抗生素是在產(chǎn)生菌生長（trophophase）后期即合成期（idiophase）才開始形成，但有時(shí)抗生素產(chǎn)生菌的生長期與合成期是重疊的。因此，產(chǎn)生菌必須具有對自身產(chǎn)生的抗生素的抗性，而抗性機(jī)制是與其作用靶點(diǎn)相關(guān)的。如作用于蛋白質(zhì)合成的抗生素，其抗性機(jī)制往往與核糖體的修飾相關(guān)，或者改變其作用靶位；有些抗生素的抗性與其生物合成過程相關(guān)，屬于生物合成的一個(gè)部分，如使所產(chǎn)生的抗生素活性基團(tuán)鈍化以對產(chǎn)生菌不產(chǎn)生抑制作用，只有在將終產(chǎn)物排出胞外時(shí)才脫修飾成為抗生素原型；有些抗生素的抗性是來源于激活其產(chǎn)生菌細(xì)胞膜通透性，以促進(jìn)其胞外的排出。表2-4列舉一些抗生素產(chǎn)生菌由鈍化酶產(chǎn)生的抗性。

編輯推薦

《抗生素生物技術(shù)》由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

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