关于作者
中国科学院老科学家科普演讲团副团长；中国科学院微生物研究所研究员，博士生导师，中国科学院研究生院教授；中国生物工程学会继续教育工作委员会主任、工业与与环境委员会委员，中国生物化学与分子生物学学会工业生化委员会委员，中国微生物学会酶与酶工程委员会委员。主要从事酶学、酶工程、基因工程和生化工程研究。
话说青霉素九：青霉素的孪生兄弟
孙万儒
2011年09月19日
很早以前就发现，在青霉菌发酵生产青霉素时，发酵液中多多少少的还同时有与青霉素类似的另一种抗生素，头孢霉素。它们在结构上有许多相似之处，均由类似的母核与侧链组成。不同之处不仅侧链结构有差别，母核也有差别。青霉素母核上的五元环在头孢霉素母核上为六元环。猛看上去它们很相象，是一对孪生兄弟。
在青霉菌发酵时，在合成的开始阶段青霉素和头孢霉素有共同的前体，不久出现分支，在分支点上，有一个重要的“调节阀门”，叫做扩环酶，将青霉素母核的五元环扩大成六元环，再走下去合成的是头孢霉素；如果不扩环，直接走下去进入了青霉素合成。 一般情况下，扩环酶量很少，因此，在青霉素发酵液中头孢霉素的量也很少。
现在人们想到，能不能对青霉素和头孢霉素合成途径中的分路阀门进行调节，让它合成青霉素就全都是青霉素，而不产生头孢霉素；让它合成头孢霉素，就全部合成头孢霉素，不就可以进一步提高它们的产量吗。
现在利用基因工程方法就可以做到。将扩环酶基因克隆到青霉素生产菌里，加大扩环酶基因数量，使它产生更多的扩环酶，相当于将“调节阀门”打开。同时利用基因工程方法，将临近扩环酶下游的，流向青霉素合成的基因消除或“关闭”，使代谢合成青霉素的流向，全部流向头孢霉素的合成，就将原来生产青霉素的菌种改造成为生产头孢霉素的菌种。同样，如果将青霉素生产菌的扩环酶基因消除，相当于将合成头孢霉素的合成流关闭，菌种在发酵过程中就不会再有头孢霉素的产生，既可进一步提高青霉素的产量。这也就是现在所说的，利用基因工程方法改变代谢途径的代谢工程。
利用发酵法生产的头孢霉素c在临床上使用的很少，因为它的疗效不是很令人满意。现在发酵法生产的头孢霉素主要是作为原料，将侧链切掉，获得头孢霉素母核(7-aca)，然后再接上一个新的侧链，生产半合成头孢霉素。头孢霉素母核的生产可以使用化学方法，也可以使用酶工程方法。因为与青霉素的侧链结构不同，头孢霉素c的侧链是氨基己酸，使用青霉素酰化酶不能够将其切下，必须使用另外两种酶：d-氨基氧化酶和gl-酰化酶联合作用将侧链切下来，才能得到头孢霉素母核，这种方法已经在我国研究成功。
依据这个思路，人们将d-？氨基酸氧化酶和gl-酰化酶两个基因同时克隆到能够生产头孢霉素c的菌种中，使用这个工程菌进行发酵，可以在发酵液中积累头孢霉素c的母核7-aca。但是，因为在d-氨基酸氧化酶催化氧化侧链时会产生过氧化氢，它是个强氧化剂，会使细胞和酶受到破坏，因此，产量不高。现在人们又在考虑将能够破坏过氧化氢的过氧化氢酶基因也克隆到上述工程菌中，有可能解决这个问题。
另外，不久前从微生物中找到了头孢霉素c酰化酶，它可以直接将头孢霉素c的侧链切下，获得头孢霉素母核。然后使用化学或酶法合成半合成头孢霉素。
现在，为了生产半合成头孢霉素，人们利用化学法进行扩环，将青霉素g变成头孢霉素，因为侧链与青霉素g相同，使用青霉素酰化酶将侧链切下来，生产一种称为7-adca的头孢霉素母核，然后用于合成半合成头孢霉素。这种方法已经用在工业上大量生产氨苄头孢霉素和羟氨苄头孢霉素，并在医院里大量使用。由于它们比半合成青霉素更能够耐受胃酸，因此可以口服，使用更方便。它的过敏反应低，抗菌谱广，病菌的耐药性小，在临床上得到广泛应用。
在青霉菌发酵时，在合成的开始阶段青霉素和头孢霉素有共同的前体，不久出现分支，在分支点上，有一个重要的“调节阀门”，叫做扩环酶，将青霉素母核的五元环扩大成六元环，再走下去合成的是头孢霉素；如果不扩环，直接走下去进入了青霉素合成。 一般情况下，扩环酶量很少，因此，在青霉素发酵液中头孢霉素的量也很少。
现在人们想到，能不能对青霉素和头孢霉素合成途径中的分路阀门进行调节，让它合成青霉素就全都是青霉素，而不产生头孢霉素；让它合成头孢霉素，就全部合成头孢霉素，不就可以进一步提高它们的产量吗。
现在利用基因工程方法就可以做到。将扩环酶基因克隆到青霉素生产菌里，加大扩环酶基因数量，使它产生更多的扩环酶，相当于将“调节阀门”打开。同时利用基因工程方法，将临近扩环酶下游的，流向青霉素合成的基因消除或“关闭”，使代谢合成青霉素的流向，全部流向头孢霉素的合成，就将原来生产青霉素的菌种改造成为生产头孢霉素的菌种。同样，如果将青霉素生产菌的扩环酶基因消除，相当于将合成头孢霉素的合成流关闭，菌种在发酵过程中就不会再有头孢霉素的产生，既可进一步提高青霉素的产量。这也就是现在所说的，利用基因工程方法改变代谢途径的代谢工程。
利用发酵法生产的头孢霉素c在临床上使用的很少，因为它的疗效不是很令人满意。现在发酵法生产的头孢霉素主要是作为原料，将侧链切掉，获得头孢霉素母核(7-aca)，然后再接上一个新的侧链，生产半合成头孢霉素。头孢霉素母核的生产可以使用化学方法，也可以使用酶工程方法。因为与青霉素的侧链结构不同，头孢霉素c的侧链是氨基己酸，使用青霉素酰化酶不能够将其切下，必须使用另外两种酶：d-氨基氧化酶和gl-酰化酶联合作用将侧链切下来，才能得到头孢霉素母核，这种方法已经在我国研究成功。
依据这个思路，人们将d-？氨基酸氧化酶和gl-酰化酶两个基因同时克隆到能够生产头孢霉素c的菌种中，使用这个工程菌进行发酵，可以在发酵液中积累头孢霉素c的母核7-aca。但是，因为在d-氨基酸氧化酶催化氧化侧链时会产生过氧化氢，它是个强氧化剂，会使细胞和酶受到破坏，因此，产量不高。现在人们又在考虑将能够破坏过氧化氢的过氧化氢酶基因也克隆到上述工程菌中，有可能解决这个问题。
另外，不久前从微生物中找到了头孢霉素c酰化酶，它可以直接将头孢霉素c的侧链切下，获得头孢霉素母核。然后使用化学或酶法合成半合成头孢霉素。
现在，为了生产半合成头孢霉素，人们利用化学法进行扩环，将青霉素g变成头孢霉素，因为侧链与青霉素g相同，使用青霉素酰化酶将侧链切下来，生产一种称为7-adca的头孢霉素母核，然后用于合成半合成头孢霉素。这种方法已经用在工业上大量生产氨苄头孢霉素和羟氨苄头孢霉素，并在医院里大量使用。由于它们比半合成青霉素更能够耐受胃酸，因此可以口服，使用更方便。它的过敏反应低，抗菌谱广，病菌的耐药性小，在临床上得到广泛应用。