生物轉(zhuǎn)化及其在藥物合成中的使用

徐斌(弈柯萊(臺州)藥業(yè)有限公司，浙江 臺州 317016)

0 引言

生物轉(zhuǎn)化也被稱作生物催化，通常是指化學(xué)物在經(jīng)過多種酶的催化作用下，完成了代謝轉(zhuǎn)化的過程，轉(zhuǎn)化的成分屬于外源化學(xué)物。它的主要功效是為了維持機體的穩(wěn)態(tài)，從實質(zhì)性的理解出發(fā)，是借助生物體系促進外源化合物發(fā)生酶催化的反應(yīng)，在酶催化過程中，涉及到的反應(yīng)種類也比較多，通常包括水解、水合、氧化、還原、氫化、脫羧等過程[1]。由于絕大多數(shù)的生物轉(zhuǎn)化過程能夠在室溫條件下完成，所以通常認為生物轉(zhuǎn)化具有無污染、低能耗以及高效率等特征。借助生物轉(zhuǎn)化合成能夠為藥物合成帶來更多選擇，尤其是針對于使用普通化學(xué)方法無法合成的藥物，在采用生物轉(zhuǎn)化期間，就能夠發(fā)揮出優(yōu)勢互補的作用。

1 生物轉(zhuǎn)化的狀況

1.1 微生物轉(zhuǎn)化

微生物轉(zhuǎn)化也被稱為微生物酶法轉(zhuǎn)化，通常屬于借助酶促使底物發(fā)生一系列的有機反應(yīng)過程，在微生物轉(zhuǎn)化期間，使用到的催化劑主要是從細胞中提取的相關(guān)酶。從根本上來講，微生物轉(zhuǎn)化屬于酶反應(yīng)，它可以作用于底物有機化合物，促使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終轉(zhuǎn)化成為結(jié)構(gòu)比較相似，又在生產(chǎn)中有所需求的新種類化合物[2]。微生物轉(zhuǎn)化能夠在相對復(fù)雜的反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)勢，在制藥期間應(yīng)用廣泛，能夠有效促進藥物合成。

在實施微生物轉(zhuǎn)化的過程中，也會受到諸多因素的影響，例如，轉(zhuǎn)化酶原的含量、底物濃度、轉(zhuǎn)化時間、溫度、pH值等都會給微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。同時，轉(zhuǎn)化的時間還會受到微生物狀況以及酶活性等因素的影響。在特定溫度下可能會對酶活性產(chǎn)生抑制作用，這就會導(dǎo)致酶的催化反應(yīng)速率降低。

在抗生素合成中就屬于應(yīng)用微生物轉(zhuǎn)化的方式，以半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素為例，借助微生物酶轉(zhuǎn)化能夠有效代替化學(xué)裂解法。在以往的合成中，通常是由青霉素生產(chǎn)半合成β-內(nèi)酰胺類抗生素母核6-氨基青霉烷酸或者7-氨基頭孢烷酸，當(dāng)前可以借助達成桿菌來分泌青霉素酰化酶，有效利用固相酶的方式促使青霉素進行水解。這種方式的運用不但能夠保證較高的效率，而且不會產(chǎn)生更大的污染，從具體的操作工藝方面來講也相對簡單。

在維生素C生產(chǎn)過程中，部分特殊反應(yīng)也需要通過微生物轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)。當(dāng)前采用最新的兩步串聯(lián)微生物轉(zhuǎn)化合成來生產(chǎn)維生素C，按照具體操作步驟，兩步串聯(lián)微生物轉(zhuǎn)化合成首先需要將D-葡萄糖利用醋酸單胞菌以及歐文氏菌轉(zhuǎn)化為2，5-二酮基-D-葡萄糖酸，然后再將2，5-二酮基-D-葡萄糖酸利用短桿菌和棒狀菌處理，再次轉(zhuǎn)化成為2-酮基-L-古龍酸，2-酮基-L-古龍酸屬于維生素C的前體。

1.2 植物培養(yǎng)物生物轉(zhuǎn)化

在進行植物培養(yǎng)物生物轉(zhuǎn)化過程中，必須以植物細胞培養(yǎng)技術(shù)作為重要的基礎(chǔ)，整個操作步驟還要得到移植微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的支持。通過對比發(fā)現(xiàn)，植物培養(yǎng)物生物轉(zhuǎn)化和微生物轉(zhuǎn)化還存在明顯的不同，由于植物培養(yǎng)物生物轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)酶的含量較少，種類也存在特定的限制，所以并不像微生物一樣能夠通過微生物酶實施轉(zhuǎn)化，微生物培養(yǎng)過程中會出現(xiàn)特定時間內(nèi)生物倍增的現(xiàn)象。結(jié)合調(diào)查分析，植物體內(nèi)擁有的酶通常不能表現(xiàn)出特異性狀，它們只能夠?qū)铣杀容^固定的化合物產(chǎn)生催化的作用，也會存在出現(xiàn)新型物質(zhì)的狀況。按照當(dāng)前來講，從植物細胞培養(yǎng)角度出發(fā)，能夠有效利用懸浮培養(yǎng)細胞、懸浮培養(yǎng)器官、植物酶制劑等來實現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化的過程[3]。

1.2.1 懸浮培養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化

這種方式主要是借助游離的懸浮培養(yǎng)細胞，它們能夠通過合成次級代謝產(chǎn)物來逐漸轉(zhuǎn)化為外源的化合物。在植物生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，這種方式受到的限制較小，也通常不會影響到自身的活性以及生理狀態(tài)等特征。按照懸浮培養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化的步驟，通常在加入外源底物以后，直接通過懸浮細胞實施對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)就可以獲得目標(biāo)產(chǎn)物，整個操作過程相對簡單。但因為植物細胞通常生長比較緩慢，在借助懸浮培養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化過程中可能存在不穩(wěn)定因素的影響，因此會影響到最終的使用狀態(tài)。

1.2.2 固定化細胞轉(zhuǎn)化

在利用生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)反應(yīng)時，需要保證系統(tǒng)中的催化劑可以重復(fù)利用并且符合穩(wěn)定的要求。固定化細胞轉(zhuǎn)化通過于懸浮培養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化相對比具有一定的優(yōu)勢，首先，它能夠避免細胞受到外界因素帶來的損傷，固定化細胞可以重復(fù)使用。其次，在滿足細胞高密度培養(yǎng)的條件下，還能夠有效提升轉(zhuǎn)化效率，在形成特定的環(huán)境中，植株具備相對完善的分化組織，這也能夠確保次級代謝產(chǎn)物的順利合成。在使用固定化細胞轉(zhuǎn)化期間，必須滿足轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物可以分泌到細胞外部。

1.2.3 毛狀根培養(yǎng)物轉(zhuǎn)化

通常狀態(tài)下，毛狀根具有快速生長的優(yōu)勢，它甚至在不借助外源生長素的條件下，也能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。毛狀根培養(yǎng)技術(shù)有助于產(chǎn)生來源于根部的外源化合物，它也能夠利用相關(guān)的生物轉(zhuǎn)化過程去生產(chǎn)特殊的藥物種類?；诿鶢畹奶囟ńY(jié)構(gòu)和代謝過程中的特征狀況，可以逐漸開發(fā)出相適應(yīng)的生物反應(yīng)區(qū)域，最終促進毛狀根培養(yǎng)物轉(zhuǎn)化的實施過程。

1.2.4 植物酶制劑轉(zhuǎn)化

在植物細胞中也會存在相關(guān)的酶以及代謝途徑，如果將合適的底物植入到植物細胞中或者直接利用植物細胞中的酶進行代謝分解，按照理論來講也會出現(xiàn)多樣化的產(chǎn)物種類。不過，在具體應(yīng)用中通常需要單一的產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)盡可能保證單一產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率。從這個角度出發(fā)，應(yīng)該讓整個植物酶制劑轉(zhuǎn)化系統(tǒng)生成特定的產(chǎn)物種類。在現(xiàn)實生活中，已經(jīng)有利用相關(guān)的游離酶或者固定化酶形式來獲取藥物合成的酶種類，例如：酚氧化酶、脂肪氧合酶、鹵過氧化物酶以及葡萄糖甘酶等。

2 生物轉(zhuǎn)化在藥物合成中的使用

針對現(xiàn)存的大多數(shù)藥品，它們通常會具備相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在合成藥物以后，藥物本身的理化性質(zhì)和相關(guān)特征都與具體的分子結(jié)構(gòu)類型有很大關(guān)聯(lián)。如果單純使用化學(xué)方法進行人工合成，有時難以對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行修飾改造，在此過程中，充分運用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)能夠彌補化學(xué)合成方面的缺點，生物轉(zhuǎn)化在藥物合成中具有積極的應(yīng)用價值[4]。

2.1 合成手性藥物

合成手性藥物期間通常能夠采取生物轉(zhuǎn)化以及化學(xué)合成，相對來講，利用化學(xué)合成有時步驟較為繁瑣，更重要的是需要消耗更大的成本，還可能存在破壞環(huán)境的狀況。在生物轉(zhuǎn)化法具備優(yōu)勢的條件下，就可以發(fā)揮出酶的特性來促進手性藥物的合成。

在借助微生物轉(zhuǎn)化促進手性藥物合成期間，手性藥物分子通常和受體分子的結(jié)構(gòu)比較類似，按照手性藥物的分類，主要包括左旋和右旋兩種[5]。實施微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，能夠有效促進手性藥物重組，最終讓藥物的藥效發(fā)生變化。在微生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進行時，還能夠?qū)κ中运幬镞M行拆分處理，從中獲得相映的中間產(chǎn)物。例如，針對吡啶生物堿中的葉萩堿，它屬于左旋的類型，并且具備抗腫瘤的功能，如果在利用相關(guān)的菌類將其進行轉(zhuǎn)化得到最新的產(chǎn)物，就可能有效改善藥物的藥性特征，發(fā)揮出更大的藥用價值。

2.2 合成天然藥物

結(jié)合實際經(jīng)驗觀察，如果直接采用化學(xué)合成的方式，就有可能導(dǎo)致資源的使用效率降低，也會存在破壞環(huán)境的風(fēng)險。在倡導(dǎo)生物轉(zhuǎn)化方式合成天然藥物期間，需要從天然藥物發(fā)揮活性的基礎(chǔ)物質(zhì)出發(fā)，在倡導(dǎo)綠色化學(xué)和低碳環(huán)保的理念下，借助生物轉(zhuǎn)化的方式來實現(xiàn)。

在有效利用植物培養(yǎng)物作為生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的重要應(yīng)用時，也能夠從天然藥物合成方向進行探索。由于從天然植物中進行提取或者使用化學(xué)合成的做法不符合低成本、環(huán)保和高質(zhì)量的理念，挖掘植物細胞培養(yǎng)技術(shù)在天然藥物生產(chǎn)過程中的潛力就具有重要的意義。在實際應(yīng)用過程中，主要通過三種狀況進行分析，第一，如果將易于化學(xué)合成的物質(zhì)作為底物，在采取植物培養(yǎng)物方式能夠促進化學(xué)合成的化合物特性發(fā)生改變，有效保證貴重藥品資源。第二，對于容易得到的天然化合物作為底物實施生物轉(zhuǎn)化時，可以借助植物高產(chǎn)細胞系進行培養(yǎng)，在具備條件的情況下能夠有效加強衍生物的生產(chǎn)狀況。第三，在實際操作應(yīng)用過程中，可以讓生物轉(zhuǎn)化與組合化學(xué)法互相結(jié)合起來。在通過生物轉(zhuǎn)化過程中酶的催化反應(yīng)以后，能夠幫助形成結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的天然藥物。

3 結(jié)語

生物轉(zhuǎn)化過程仍然在繼續(xù)探索和研究，它在藥物合成方面的使用具有很大的潛力。如果能夠成功參與藥物合成，就能夠展現(xiàn)出原料豐富廣泛、制造工藝簡單、有效保護環(huán)境等特點，這符合現(xiàn)代制藥理念的過程。生物轉(zhuǎn)化在藥物合成期間，需要在結(jié)構(gòu)修飾和創(chuàng)新藥物方面引起重視，在倡導(dǎo)正確看待生物轉(zhuǎn)化及其在藥物合成中的應(yīng)用時，需要建立起科學(xué)規(guī)范的相關(guān)準(zhǔn)則。結(jié)合實際經(jīng)驗分析和探索，讓生物轉(zhuǎn)化在藥物合成中得到更為廣泛的應(yīng)用。