微生物对化学物质构效的影响研究进展*

张国民 ，谭周进 ，张 熙 ，蔡光先

（1.湖南中医药大学，湖南 长沙 410208； 2.湖南农业大学生物安全科技学院，湖南 长沙 410128）

微生物体积小，种类多，分布广泛，代谢类型和代谢产物极其多样，对人类生产、生活的影响巨大。微生物拥有极其复杂多样的酶类，可以通过羟基化、环氧化、脱氢、氢化等氧化还原反应，或水解、水合、酯化、胺化、脱水、异构化和芳构化等反应改变物质的化学结构，进而改变其物理化学性质，影响其生理活性与功能[1]。现就微生物通过酶法修饰改变化学物质的结构，从而提高其活性，降低毒副作用，产生新活性物质等的研究进展综述如下。

1 微生物作用可提高中药活性

微生物通过对药物中有效成分的修饰，可以显著提高其生物活性，从而获得更好的治疗效果。微生物转化提高药物活性的主要表现方式有提高活性成分的量，改变活性成分的比例，生物转化体系产生了次级代谢产物以及有效成分发生复方协同作用等[2]。

薛慧玲等[3]利用筛选获得的β-葡萄糖醛酸酶产生菌HQ 210对黄芩中的主要前体物质黄芩苷进行发酵转化，转化后黄芩素得率是原药材的5.3倍，有效成分得到浓缩。任莉颖等[4]通过微生物转化反应炮制红花，使红花有效成分的酚羟基数目大幅提高，进一步提高了红花的抗氧化性和生物利用率。

陈永强等[5]通过筛选得到的产β-葡萄糖醛酸酶的黄曲霉HG 12对甘草进行液体发酵炮制，发现甘草经黄曲霉HG 12转化后，甘草中的甘草酸水解为甘草次酸。动物药效学实验证明，发酵后甘草的抗炎、镇痛活性较未发酵甘草有显著性提高，并且起效迅速。淫羊藿是常用中药，主要成分为淫羊藿苷，有增强内分泌、促进骨髓细胞DNA合成和骨细胞生长的作用，而低糖基淫羊藿苷和淫羊藿苷元的活性均明显高于淫羊藿。利用曲霉属霉菌产生的诱导酶水解淫羊藿苷，可制得低糖基淫羊藿苷或淫羊藿苷元，且转化率高[6]。虎杖为蓼科植物虎杖的干燥根茎，主要有效成分白藜芦醇具有抑制肿瘤、抗氧化、抗自由基、抗动脉粥样硬化和预防冠状动脉粥样硬化性心脏病的作用。干燥虎杖根茎中白藜芦醇含量仅为0.1% ～0.2%，而虎杖苷含量为2%左右。张强华等[7]从中药材虎杖中筛选到具有转化虎杖苷能力的根霉菌株T 234，利用该菌株产生的β-葡萄糖苷酶能将虎杖苷转化为白藜芦醇。苷类中药生物利用度低，摄入后需经肠道细菌代谢水解生成苷元而发挥药理作用。因此，将苷类中药转化成苷元，提高生物利用度是有效提高其药效的一个重要方法[8]。人参皂苷Rg1在肝脏内基本不代谢，甘草皂苷、柴胡皂苷等也都是经过肠道微生物的转化作用，才表现出抗炎、抗癌、抗病毒等药理作用[9]。研究发现，肠道中的细菌 Bacteroides JY-6，Bacteroides SP.，Bifidobacterium SP.和 Fusobacterium SP.等能够代谢人参皂苷成分[10]。赵玉婷等[11]从盾叶薯蓣根茎表面及叶片中筛选到可降解薯蓣皂苷为薯蓣皂苷元的菌株。沈岚等[12]研究发现，不管是离体还是在体内条件下，麦冬皂苷D′在大鼠肠道菌作用下均能被代谢成薯蓣皂苷元，且最终在血液、尿液中也可检出薯蓣皂苷元。罗汉果是葫芦科植物罗汉果的干燥成熟果实，性凉、味甘，中医用于治疗百日咳、慢性气管炎等。已有研究表明，罗汉果主要含有皂苷类化学成分，罗汉果皂苷（mogroside）Ⅲ是罗汉果总皂苷类化学成分中含量较高的成分之一。杨秀伟等[13]研究发现罗汉果皂苷Ⅲ可由人肠内细菌依次脱去C-3葡萄糖基和C-24龙胆二糖基，转化产生罗汉果皂苷ⅡA1和罗汉果醇，从而大大提高了罗汉果有效成分的吸收率。

改变中药有效成分的水溶性也可以提高其药效活性。葛根素是葛根中的主要有效成分，但因其水溶性差，不能通过注射给药。研究发现，来源于嗜热脂肪芽孢杆菌的麦芽糖淀粉酶可以显著提高葛根素的水溶性，反应得到的两种主要产物α-D-葡萄糖基-（1→6）-葛根素和α-D-麦芽糖基 -（1→6）-葛根素，其溶解度分别是葛根素的14倍和168倍[14]。去氢木香内酯和木香烯内酯为常用中药木香的主要活性成分，具有抗肿瘤、抗病毒、增强胃肠蠕动等药理活性，但水溶性较差。为寻找活性和水溶性更好的药物，李泽友等[15]利用多型孢毛霉 Mucor polymorphosporus AS 313443等真菌对去氢木香内酯进行制备型转化，分离得到9个化合物，从而使其水溶性明显提高。

2 微生物作用可降低化学物质毒性

2.1 降低中药毒副作用

某些药效明显的中药或化学合成药往往伴有强烈的毒副作用，限制了其广泛使用，而微生物转化作用可以显著降低中药的毒性。微生物在转化过程中主要通过对有毒物质进行分解或对有毒活性成分进行结构修饰，从而降低药物的不良反应[16]。

五倍子的主要成分为五倍子鞣质、没食子酸等，具有收敛止泻、止血的作用，但鞣酸在肠道内会结合食物中的蛋白质，引起部分患者服用后食欲不振。郑利华等[17]用含有根霉菌的酵曲发酵五倍子，发酵后能显著提高五倍子的收敛作用，并降低或消除了由鞣酸引起的不良反应。大黄生用泻下作用峻烈，易引起腹痛、恶心等胃肠道反应，其泻下作用成分主要是结合型蒽醌衍生物，故在中医临床中，常用不同的炮制方法使结合型蒽醌分解或破坏，从而缓和泻下作用和其他副作用。戴万生等[18]用酵母菌发酵大黄，结果大黄总蒽醌含量略有降低，结合型蒽醌含量降低，分离型蒽醌含量增加，起到了减毒增效的作用。

马钱子因是剧毒药而临床应用受限，目前主要用砂烫法和油炸法降低其毒性。潘扬等[19]通过真菌对马钱子进行“双向发酵”，结果发酵后马钱子类生物碱成分发生了质和量的明显变化，提示该技术在马钱子的减毒增效研究中有重要意义。喜树是珙桐科乔木，其有效成分喜树碱具有较强的抗肿瘤活性，但严重的胃肠毒性、抑制骨髓功能和致出血性膀胱炎等毒副作用制约了其进一步的临床应用。10-羟基喜树碱是喜树碱的结构类似物，对多种癌症具有显著的疗效，且毒副作用很低，但在喜树中的含量仅为十万分之二，提取分离费时、费力[20]。闵长莉等[21]采用无毒黄曲霉菌株T-419，将喜树碱转化为10-羟基喜树碱，显著降低其毒副作用，提高了生物利用度。蟾蜍甾烯为中药蟾酥的主要有效成分，是一类C-17位连接六元不饱和内酯环的甾体化合物，具有强心、局部麻醉、抗休克、抗病毒、抗肿瘤等多种生理活性，但其化合物对人体有一定的毒副作用，主要表现为呼吸急促和心律不齐，过量则会因麻痹而致死亡，从而严重影响了其临床应用[22]。梁研等[23]利用毛霉属真菌对蟾蜍甾烯化合物进行生物转化，获得了80余个转化产物，其中大部分为新化合物，大大降低了蟾蜍甾烯化合物的毒性。洋地黄强心苷类药物是一类有强心作用的苷类化合物，应用于临床可以治疗充血性心力衰竭。对其进行结构修饰以得到高效、低毒的强心苷类药物，成为该类药物研究开发的方向之一。胡之璧院士应用洋地黄悬浮培养细胞，筛选出洋地黄转化菌株新月弯孢霉 Curvularia lunata和蓝色犁头霉 Absidia coerulea，经转化后甾体母核C12位上增加了一个羟基，将洋地黄毒苷羟化为地高辛，从而降低了其毒性[24]。

2.2 降低环境中物质的毒副作用

随着农药的长期使用，环境中残留农药量不断增加，并经食物链传递而污染农产品，对人类健康构成了威胁，影响社会的持续发展。在农药污染的治理方法中，生物修复技术是目前国际上公认最安全的方法，而微生物修复在生物修复中起着主导作用。

微生物酶法修饰可降解环境中的有毒物质。阮少江等[25]研究发现，甲胺磷农药经微生物产生的甲胺脱氢酶催化分解为氨基、磷酸根和甲醇等化合物，通过小鼠灌胃试验证明，该农药的毒性明显降低。Mageong等[26]报道大肠杆菌产生的磷酸三酯酶能打开甲胺磷的P-S键。Hay等[27]发现了 Pseudomonas acidovorans M3GY以联苯为碳源共代谢降解双对氯苯基三氯乙烷（DDT）的途径，该菌株先将 DDT 脱氯化氢生成 2，2-双（4-氯苯基）-1，1，1-二氯乙烯（DDE），再由双加氧酶在苯环上引入双羟基，苯环开环后经一系列代谢过程生成对氯苯甲酸及对氯苯乙酸。阿特拉津是一种低毒除草剂，但长期大范围使用易造成土壤、地表水、地下水等的污染，其降解菌主要有红球菌（Rhodococcus）、假单胞菌（Pseudomonas）等，降解途径包括水解、脱烷基、开环3个过程，参与的酶主要有阿特拉津氯水解酶、阿特拉津乙氨基水解酶和N-异丙基氰尿酰胺异丙基氨基水解酶等[28]。

甲基化是微生物对环境中砷的一种重要解毒机制。自然界中，许多真菌和细菌能够通过甲基化将无机砷转化为毒性较低的甲基砷酸，如一甲基砷酸（MMAA）、二甲基砷酸（DMAA）、三甲基砷氧化物（TMAO）。张旭等[29]利用嗜酸硫杆菌 Acidithiobacillus ferrooxidans BY-3与 Acidithiobacillus thiooxidans BY-1对雄黄的微生物溶解与转化进行了研究，毛细管电泳分析表明，可溶性的一甲基砷酸与二甲基砷酸为雄黄微生物溶出液的主要成分。

3 微生物转化可合成新活性物质

在新药的研发中，通常也利用微生物对已知成分的药物进行转化，进而筛选获得新型、高效、低毒的药物。在中药开发中，由于中药活性成分一般结构复杂，常有多个不对称碳原子，利用化学合成来进行结构修饰存在着得率低、反应专一性差、副产物多等缺点。而利用微生物进行转化容易生成新的化学结构，很多转化产物具有新的活性，从而为新药开发提供了难得的先导化合物[30]。以已知的天然活性成分为先导化合物，通过有机合成、结构改造等方法寻找和开发新的高效低毒药物，是被实践证明的开发新药最行之有效的途径之一。

利美索龙（Rimexolone）又名瑞美松龙，是一类新型甾体类眼科糖皮质激素药物，具有较强的抗炎、抗过敏功能，用化学方法合成其前体化合物 16，17-dimethyl-17- （1-oxopropyl）androsta-1，4-dien-3-one后，在C11位上实现β-羟基化即可形成目的产物利美索龙，但该化学合成程序烦琐且十分困难。张天智等[31]研究表明，丝状真菌新月弯孢霉 Curvularia lunata具有对前体化合物C11 β-羟基化的能力，应用微生物转化手段，直接对底物引入C11 β-羟基，合成目标产物，可以有效简化利美索龙的生产工艺。王永宏等[32]筛选了一株高产β-葡萄糖苷酶的青霉菌株，对栀子进行发酵转化，发酵条件优化后β-葡萄糖苷酶活性可达8.2 U/mL，使栀子中主要成分京尼平苷转化成药效更强的京尼平，且转化率达95%以上。吴秀丽等[33]发现真菌菌株EST-Ⅰ与EST-Ⅱ能产生特异性水解C-6位葡萄糖的β-葡萄糖苷酶，可以将人参皂苷Rg1定向转化为稀有的人参皂苷F1。张卉等[34]使用微紫青霉对莪术醇进行了转化，发现微紫青霉可将莪术醇转化为15-羟基莪术醇，转化率达到24%，且转化产物为未见文献报道的新化合物，体外试验表明其对副流感病毒、呼吸道合胞病毒和单纯疱疹病毒Ⅰ型有较好的抑制作用。贾艳萍等[35]通过试验确定 Absida SP.MS2为生产红景天苷合成酶的出发菌株，可采用菌株 Absida SP.MS2发酵得到粗酶液，以酪醇和葡萄糖为底物合成红景天苷。莪术油是中药莪术的主要成分，具有抗肿瘤、抗病毒等功用，临床用于治疗宫颈癌、外阴癌、胃部肿瘤等疾病。莪术醇是莪术油的主要药效成分之一，孙敏鸽等[36]使用荨麻青霉 Penicillium urticae对莪术醇进行微生物转化，结果分离到2个产物，结构分别鉴定为3-α-羟基莪术醇和11-R-12-羟基莪术醇，其中3-α-羟基莪术醇为未见文献报道的新化合物。

综上所述，微生物通过酶修饰作用于某些中药，改变其有效成分的结构，就可以大大提高药效活性；改变某些有毒物质的结构，就能起到减毒效果。微生物的次生代谢产物还可以和中药的有效成分发生复方、协同作用。微生物通过酶作用，可以促进一些具有新活性的物质的合成。降解微生物拥有特殊的酶系，作用于各种污染物，可以改变其物质结构，将其彻底或部分降解成无机小分子物质，从而失去污染能力。微生物酶转化通常是以天然活性成分为先导化合物，利用多种不同催化功能的酶体系对其进行结构修饰，这些修饰往往发生在化合物的母核结构上。在确定了中药活性成分、有机污染物和转化产物的对应关系的基础上，如何从细胞和分子水平阐明转化的反应机制，是更深层次的问题之一。这不仅需要鉴定反应的中间代谢产物，还需要推测可能的反应历程，确定生物转化反应的关键酶及其基因序列，进行关键酶的分离以及酶在组织和亚细胞中的定位等。因此，深刻了解微生物对化学物质构效的影响机制，有待微生物学、药学、分子生物学和代谢工程等多学科的协同研究，努力探索生物转化规律，为生物转化的进一步发展开辟空间。

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