微生物在药物生产中扮演了重要角色，是药物、药物中间体以及药物前体物的生产者。早在20世纪70年代就有利用微生物生产维生素类、多价不饱和脂肪酸、抗癌药物以及医用酶制剂的报道。大量微生物可以代谢生产药物或药物中间体，主要包括放线菌、细菌及真菌等。由于微生物种类繁多，代谢可塑性强，其次级代谢产物的化学结构和生物活性的多样性难以估计。目前已发现的超过10000种微生物来源的生物活性物质中，大约2/3由放线菌产生，其中不少已被用作重要的临床使用药物。

一、抗生素的概念与分类

抗生素（Antibiotic）是由微生物（包括细菌、真菌、放线菌等）或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他生物活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞的发育。自1943年青霉素临床应用以来，已知天然抗生素不下万种，临床上常用的亦有数百种。抗生素在控制感染、治疗癌症等方面发挥了重大作用，为保障人类健康、延长寿命做出了巨大贡献。基于不同的标准，抗生素具有不同的分类方式。按照其作用对象可以分为抗细菌抗生素、抗结核菌类抗生素、抗真菌抗生素、抗原虫抗生素等。抗细菌抗生素主要有杆菌肽、头孢菌素、氯霉素、金霉素、环丝氨酸、红霉素、庆大霉素、卡那霉素、青紫霉素、杜晶白霉素、林可霉素、麦迪霉素、新霉素、新生霉素、竹桃霉素、土霉素、巴龙霉素、青霉素、磷霉素、多黏菌素、核糖霉素、利福霉素、相模湾霉素、紫苏霉素、螺旋霉素、链霉素、四环素、托普霉素、短杆菌肽、万古霉素、紫霉素等；抗结核菌类抗生素主要有利福平、异烟肼、吡嗪酰胺、利福布丁等。抗真菌抗生素主要包括两性霉素B、杀假丝菌素、灰黄霉素、制霉菌素等；抗原虫抗生素主要有烟古霉素、古曲霉素等。按照其产生方式可以分为生物合成抗生素、半合成抗生素和化学合成抗生素。半合成抗生素是对天然产生的抗生素进行化学结构修饰和改造而产生的一类抗生素。基于其化学结构可以分为β-内酰胺类（包括青霉素类、头孢菌素类、硫霉素类、单内酰环类、β-内酰胺酶抑制剂、甲氧青霉素类等）、氨基糖苷类（包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素、妥布霉素、丁胺卡那霉素、新霉素、核糖霉素、小诺霉素、阿斯霉素等）、酰胺醇类（包括氯霉素、甲砜霉素等）、大环内酯类（临床常用的有红霉素、白霉素、无味红霉素、乙酰螺旋霉素、麦迪霉素、交沙霉素、阿齐红霉素等）、多肽类抗生素（包括万古霉素、去甲万古霉素、替考拉宁等）、硝基咪唑类（包括甲硝唑、替硝唑、奥硝唑等）、四环素类（包括四环素、土霉素、金霉素及强力霉素等）等类抗生素。基于作用对象范围的宽窄可分为广谱抗生素和窄谱抗生素。基于其生物活性还可分为抗菌抗生素、抗肿瘤抗生素和免疫抑制抗生素等。

二、产生抗生素的微生物

1.放线菌

放线菌（Actinomyces）是一类主要呈菌丝状生长和以孢子繁殖为主的陆生性较强的原核生物，因其在固体培养基上呈辐射状生长而得名。放线菌大多数有发达的分枝菌丝，且菌丝纤细，宽度近于杆状细菌，0.5～1.0μm。应用于临床的微生物药物中，大部分来源于放线菌的次级代谢产物，其中抗菌药物较多，也有抗肿瘤药物及其他药物。

（1）产生抗菌药物的放线菌放线菌产生的抗菌药物中化学类别较多，主要包括：β-内酰胺类药物（β-lactam），其主要抑制细菌细胞壁中黏肽的生物合成；氨基糖苷类药物（Aminoglycoside），其与细菌核糖体的50S亚基或30S亚基结合，抑制细菌蛋白质合成。这类药物的产生菌主 要集中在链霉菌属（Streptomyces）和小单孢菌属（Micromonospora）；大环内酯类（Macrolide）抗生素，其主要抗革兰阳性细菌，对军团菌（Legionella）、支原体（Mycoplasma）和衣原体（Chlamydia）也有抗菌作用。它们能不可逆地结合到细菌核糖体50S亚基上，通过阻断转肽作用及mRNA位移，选择性地抑制蛋白质合成。另外，还有些放线菌可以产生四环素类抗生素、紫霉素类抗生素、糖肽类抗生素、多烯类抗生素以及一些其他种类的抗生素等（表10-1）。

表10-1 产生抗菌药物的放线菌

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（2）产生抗肿瘤药物的放线菌放线菌（主要是链霉菌）产生的抗肿瘤药物的化学类别也较多，有蒽环类（anthracycline）、糖肽类（glycopeptide）、烯二炔类（endiyne）和色霉素类（chromomycins）等不同化学类别的抗肿瘤抗生素，其中蒽环类抗生素应用于临床的有道诺霉素（Daunomycin）、阿霉素（Adriamycin）、阿克拉霉素（Aclacinomycin）和洋红霉素（Carminomycin）等（表10-2）。抗肿瘤抗生素以发色团插入DNA双螺旋中而与DNA结合，抑制依赖于DNA的RNA多聚酶，抑制RNA合成和DNA复制。糖肽类药物中的博来霉素即我国的平阳霉素，是一个多组分的抗肿瘤抗生素，主要作用是与DNA结合，使DNA的单链断裂，抑制胸腺嘧啶进入DNA中，终止癌细胞的分裂。色霉素类（Chromomycins）抗生素有抗革兰阳性细菌的活性，临床上用作抗肿瘤的药物有色霉素A、橄榄霉素B和光神霉素，其抗肿瘤作用是与DNA结合，抑制依赖于DNA的RNA多聚酶。烯二炔类（Endiynes）抗生素含有九元环的烯炔结构，以共价键与蛋白质相连，都具有很强的杀伤肿瘤细胞的作用。其作用机制是活化后形成芳香环二自由基，切断DNA链，抑制了DNA的合成。这类抗生素中的新制癌菌素已用于临床使用；我国发现的力达霉素（Iidameisu，C-1027）正在进行临床试验研究。

表10-2 产生抗肿瘤药物的放线菌

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（3）产生其他药物的放线菌放线菌还可以产生一些其他类型的药物，如一些免疫抑制剂（表10-3）等。

表10-3 产生其他药物的放线菌

2.细菌(www.daowen.com)

能产生有临床应用价值的抗生素的细菌相对较少。细菌产生的抗生素主要为多肽类、单环β-内酰胺类，也有少数属于氨基糖苷类等（表10-4）。

表10-4 产生抗菌抗生素的细菌

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3.真菌

真菌是第一个临床应用抗生素——青霉素的产生菌，并从此进入了抗菌治疗中的抗生素时代。在真菌中还发现了头孢菌素C、灰黄霉素等，以及具有其他生理活性的真菌药物如环孢菌素等。青霉素和头孢菌素属于β-内酰胺类，对细菌有抗菌作用，抑制细菌细胞壁的合成，作用于细胞壁合成中的转肽酶和羧肽酶。灰黄霉素抑制真菌生长，菌丝顶端形成弯曲。作用于微孔蛋白，抑制纺锤体形成，使细胞停止分裂。它们的产生菌参见表10-5。此外，环孢菌素的发现促进了从真菌或其他微生物中寻找生理活性物质的研究，一些免疫抑制剂的发现都为真菌来源的药物研究奠定了基础。

表10-5 产生抗生素等药物的真菌

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4.海洋微生物

海洋微生物为医药开发的重要来源，已经受到医药界的广泛关注，每年都有源于海洋微生物生物活性物质的大量报道。海洋微生物具有可持续性培养及经济性等特点，其产生的药物活性成分可以通过微生物发酵的方法生产，这与海洋中的一些巨型生物相比具有很大的优势。表10-6列举了海洋放线菌、蓝细菌、海鞘共生体以及苔藓虫类产生的一些生物活性物质及其用途。这些生物活性物质已经进行临床试验，部分已经通过临床试验。开发利用海洋微生物产生的药物具有较好的前景。

表10-6 产生药物的海洋生物

5.基因工程菌

微生物产生的多种抗生素等药物，大多为次级代谢产物。物质的合成往往是由许多基因共同协作完成的，每一个基因都会编码一种酶，由酶催化最初的底物转化为最终天然产物。这些基因编码的酶组成这一天然产物的合成途径或转化途径。一种微生物可以产生一种天然产物，也可以产生多种天然产物；不同的微生物也可产生同一种物质。

可以产生天然产物的微生物并非都能够人工培养；即便有些微生物可以培养，其产生天然产物的发酵条件较为苛刻甚至重复性差。这些成为微生物来源的药物大规模生产的制约因素。另外，某些微生物（如曲霉和链霉菌）可以同时产生多种天然产物。大规模生产某一种产物时，该微生物产生的其他产物增加了目的产物分离纯化的步骤和成本。随着合成生物学、代谢工程及各种组学技术的发展，越来越多的天然产物可以通过异源表达的方式在基因工程菌中实现其生物合成。

目前应用较多的工业化生产药物的基因工程菌为大肠杆菌和酿酒酵母。大肠杆菌和酿酒酵母遗传背景清楚，遗传易操作性强，工业化生产条件清楚。其他较为重要的基因工程菌包括毕赤酵母（Pichia pastoris）和米曲霉等，其中毕赤酵母能够以廉价的碳源为生长基质，而米曲霉更适用于聚酮化合物及非核糖体多肽的生物合成。利用基因工程菌实现生物活性物质的生物合成策略见图10-1。

图10-1 利用基因工程菌实现生物活性物质生物合成的策略

天然产物生物合成途径的特异性限制基因工程宿主菌的选择。例如，一些天然产物的生物合成需要特定的酶反应发生在亚细胞器中，其酶催化反应发生的部位限制了宿主菌的选择。青霉素的生物合成发生在过氧化物酶体中。多形汉逊酵母（Hansenula polymorpha）内含有大量的过氧化物酶体，可以作为生产青霉素的理想基因工程宿主菌。另外一个典型的例子是某些天然产物的合成需要P450类细胞色素氧化酶，由于大肠杆菌缺乏P450基因，因此生产这样的物质在很大程度上不能选择大肠杆菌作为异源合成宿主。某些天然产物的生物合成往往需要不同的基因工程菌共同协作完成。例如，同时选用大肠杆菌和酿酒酵母两种基因工程菌实现紫杉醇的发酵生产，其中大肠杆菌主要负责异源合成萜烯类前体物质，而酿酒酵母负责将萜烯类化合物通过氧化反应转化为紫杉醇。