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。
话说青霉素八：魔高一尺，道高一丈
孙万儒
2011年09月14日在研究青霉素的化学结构与药效关系中，发现青霉素母核是由一个四元环与一个五元环并在一起所组成的分子活性部分，它是青霉素抗菌活性的关键部分，如果四元环被破坏而打开，青霉素就失去了抗菌活性；另一部分是与之连接的侧链。研究发现改变侧链的结构，可以增加母核的稳定性，增加耐受致病菌破坏的能力。同时还可以扩大抗菌谱，增加耐酸性，使之可以口服，在一定程度上也可以降低过敏性。因此，通过对青霉素的侧链结构改造，可以达到提高青霉素药效和治疗作用的目的，具有巨大的临床应用价值。
在以前人们是利用化学方法将用发酵产生的青霉素的侧链‘切下’来，获得母核，然后再经化学方法给母核接上一个新的侧链，得到的是经过改造的‘半合成青霉素’。致病菌对经过改装的青霉素的破坏和耐受能力降低，容易被杀死。过去病人打一针普通青霉素要80-100万单位，而现在打半合成青霉素，如氨苄青霉素，羟氨苄青霉素，只需要20-40万单位，就可以达到同样的治疗效果，甚至更好。但是，用化学方法生产青霉素母核很困难，需要很繁杂的低温化学反应，一不小心，可能就会失败，拿不到产品，而且使用的试剂昂贵，生产的青霉素母核成本很高，阻碍了半合成青霉素的发展。
上个世纪的五十年代末期，人们在微生物中发现了一种能够将青霉素的侧链‘拆下来’得到青霉素母核的一种酶，就给它起名叫做青霉素酰化酶，但当时并没有引起人们的注意。直到上个世纪的七十年代，半合成青霉素的发展需要大量的青霉素母核，而使用化学方法生产又遇到许多困难时，才想到青霉素酰化酶，开始进行大量研究。
最早发现的青霉素酰化酶是由大肠杆菌细胞产生，酶是存在于细胞内，因此称为胞内酶。可以直接使用含青霉素酰化酶的大肠杆菌细胞作为酶源，用于催化青霉素的水解反应，将侧链切掉，获得母核。后来发现其它一些细菌，比如巨大芽孢杆菌，产生的青霉素酰化酶是在细胞外的发酵液里，人们称之为胞外酶，因为产量高，比较容易分离得到而受到人们的重视。
但是，不论是胞内还是胞外的青霉素酰化酶在工业上使用都有许多缺点。比如使用细胞作为酶源时，在使用过程中细胞会破裂，由细胞释放出来的许许多多细胞内的东西会跑到反应液中产生污染，增加产物分离的负担，影响产品质量；即使细胞不破裂，因为大肠杆菌细胞很小，从反应液中除去细胞也比较麻烦；使用酶时，因酶是溶解在水里的，它催化反应完了也需除去，但分离有一定困难，容易污染产物；另外，细胞和酶催化反应结束后，并未完全丧失催化能力，往往还可以再使用，但在溶液中的细胞和酶很难分离出来再使用。费了很大力气生产的细胞或酶只使用了一次，就丢掉了，十分可惜，也是浪费。
为了解决上述这些问题，自上个世纪七十年代发展了固定化技术，将产胞内青霉素酰化酶的细胞用适当的材料包埋形成小珠，制成固定化细胞，或将青霉素酰化酶结合在特殊的高分子材料上，制备成固定化酶。因为它们颗粒大，解决了难以回收的问题，而且固定化后酶的稳定性大幅度提高，可以长期反复使用。这样可以减少细胞和酶的生产成本，不必每一次都要生产酶或细胞，生产足够量的酶或细胞，进行固定化后就可以长期使用。
将固定化酶或固定化细胞装在底部有细的滤网的搅拌罐式反应器中，加入10%的青霉素溶液，保持温度35-40 左右，在缓慢的搅动下，通过ph自动控制仪流加碱液，保持反应液的ph在8.0-8.5，进行反应，几个小时后，反应结束，打开反应罐底的阀门，将反应液放出，而固定化酶或细胞保留在反应罐内，再加入青霉素溶液，重复上述过程，就可以进行下一批反应。这样可以连续的使用固定化酶或细胞。将反应液加入酸，将ph调到弱酸性，用有机溶剂将反应产生的侧链提取出去，留下的反应液经适当浓缩后，产生的青霉素母核即可结晶出来。
利用这样的设备可以进行大规模的批式或连续生产，容易实现自动化和连续化，反应结束后，因为酶是固体的，很容易与反应液分开，酶和细胞不会污染产物；酶也可以反复再用，这使得青霉素母核的生产变得比较轻松，可以大幅度的降低生产成本，提高产品质量。为青霉素母核的生产开辟了一种全新的生产方法，克服了化学方法的缺点，解决了因此带来的环境污染等问题。
过去，青霉素酰化酶都是由从自然界筛选到得到的大肠杆菌或巨大芽孢杆菌生产的，产酶量比较低，虽然通过诱变和选育得到的菌种生产能力有所提高，但依然生产能力有限，现在人们利用转基因的方法，将青霉素酰化酶基因转入原来的生产菌，或其它的菌种，使青霉素酰化酶的基因数量增加，可以大幅度的提高青霉素酰化酶的产量，再经固定化，能够更好的满足大规模的生产要求。
有了青霉素母核，再接上一个新的侧链，就成为半合成青霉素。在上个世纪九十年代以前，都是使用化学法合成。但早在七十年代就发现青霉素酰化酶不仅可以催化青霉素水解产生母核，也可以催化母核与新的侧链反应合成半合成青霉素。其与生产青霉素母核的反应条件不同，生产母核的反应是在弱碱性条件，而合成反应是在弱酸性和有新的侧链的衍生物存在下进行。现在利用青霉素酰化酶催化合成氨苄青霉素已经获得成功，但还不能象化学合成方法那样可以用于合成各种半合成青霉素。
半合成青霉素，从上个世纪六、七十年代的第一代产品已发展到现在的第四代，我国医院大量使用的氨苄青霉素，羟氨苄青霉素是第三代产品，是现在临床上的主力药物。在国外，如果发烧病人到医院看病，大夫先前给病人注射一针氨苄青霉素，然后去检查。因为这种药抗菌谱广，过敏反应低，疗效高，是医生信得过的药物。
与原来的青霉素相比，因为侧链改变了，原来对青霉素有抗性的致病菌对它有些“面生”不怎麽认得，于是被稀里糊涂地杀死了。如果使用老的青霉素，需要打80-100万单位，而打氨苄青霉素，只需要20万单位。那麽如果以前生产1000吨老青霉素（比如青霉素g钾盐）能够满足市场需要，现在只要生产200吨氨苄青霉素就可以了。其经济效益和社会效益就可想而知了。