1、毕业论文 文献综述 生物工程 灵菌红素及其染色后抗菌性能的研究现状 一、前言： 1.1 灵菌红素的简介 灵菌红素 (prodigiosins， PG)是一类天然红色素的总称， 呈暗红色，具有绿色反光，熔点 1511521。 是由一些放线菌、沙雷氏菌及其它细菌产生的次级代谢产物 ， 具有抗细菌、抗真菌、抗疟疾、抗原生动物 、 抗肿瘤 等 免疫抑制 活性 ，通常都有 3 个吡咯环组成的甲氧基吡咯骨架结构， 1929 年由Amak 等研究 Serratia 生长时发现，包括 prodigiosin， prodigiosin 25-C， metacycloprodigiosin(MP) desmeth
2、oxyprodigiosin 和 uncedylprodigiosin(UP)等 2,3。 PG 属于脂溶性色素，易溶于甲醇和丙酮，几乎不溶于水，在极性较强的酸性和碱性水溶液中微溶，在极性较弱的有机溶剂如乙醚或石油醚中微溶或不溶。在碱性或中性溶液中呈橙黄色，在酸性溶液中呈红色。以乙醇为溶剂，酸性条件下灵菌红素在 537nm 处有特征吸收；碱性条件下在 466nm处有特征吸收 4。 PG 对温度稳定，但受 pH 的影响较大，酸性环境中能保持较长的时间，碱性条件下则损失较大； A13+， Ca2+， K+， Ba2+等金属离子对 PG 的稳定性影响不大， Zn2+有使 PG 增色的作用， M92+
3、和 Mn2+对 PG 有一定的破坏作用， Pb2+可以络合 PG，使之成为沉淀 5。 白光和蓝光使 PG发生光解，在红光和远红光下 PG 则不会降解 6。 1.2 选题背景及研究意义： 近年来，由于环境和能源等问题，人们趋于追求健康可持续的方法制取染料。开发天然染料是世界应用染料发展的总趋势。天然染料是指从植物、动物或矿产资源中获得的、很少或没有经过化学加工的染料，很多天然染料具有安全可靠、色调自 然、接近天然物质等优点，天然、多功能是染料发展的趋势。随着生物技术的发展，利用生物技术生产天然染料为人们开辟了广阔的领域。微生物发酵产物稳定性高、专一性强、无污染，生产过程对人无害，是一种很好的染料
4、合成的方法 4。因此，从自然资源中筛选出可以生产天然染料的微生物，进而开发新品种的天然染料，尤其是具有功能性的天然染料 7,8，具有广阔的前景。 PG 是 微生物产生的 天然红色素 ， 具有抗细菌、抗真菌、抗疟疾、 抗原生动物 、 抗肿瘤 等 免疫抑制 活性 ， 在医药、食品、印染、纺织、饲料添加剂、环境治理等领域，均具有巨大的应用潜 力和广阔的市场前景， 因此成为研究的热点。 二、主题部分： 2.1 灵菌红素的研究现状： 2.1.1 抗菌活性： PG 具有抗细菌 (antibacterial)、抗真菌 (antifugal)的生物活性。 Cang 等 9以沙雷菌发酵生产的 PG做抗菌实验，结
5、果表明，对芽孢杆菌具有显著地杀菌作用。 PG 的结构类似物具有显著的抗 Trichopyton spp.等真菌的活性 10，在临床测试中表现出对 Coccidmycosis 引起的一种地方 性 真菌传染病有良好的治愈作用。 钟绵国等对灵菌红素羊毛、腈纶染色性能进行研究 ，确定其最佳染色工艺，并证明灵菌红素具有较好的抗菌性能 11。 2.1.2 抗疟疾活性 Isaka 等 11从 Streptomyces spectabilis BCC 4785 的发酵产物中分离得到的 MP 有显著的抗疟疾活性。但由于可获得的 PG 量有限，对其进一步作用的研究很少。 2.1.3 抗肿瘤活性 灵菌红素对比起另外
6、一些化学疗法药剂，如 环磷琉胺 （ cyclophosphamide）具有低细胞毒作用，只有当浓度大于 300nM 时才具有明显的淋巴细胞抑制作用。而后者在其有效浓度时毒性已非常高 4。灵菌红素能对抗一系列的癌细胞，如 肺 ， 结肠 ， 肾 和 乳房 的癌细胞系。灵菌红素对癌细胞作出多方面的攻击。 虽然 Montaner12， Songia13， Yamamoto14， ,avila15， Melvin16等人对 prodigiosins 抗肿瘤机制尚有争议，但其抗肿瘤的生物活性已被众人认可。 2.1.4 免疫抑制活性 最近研究表明灵菌红素有很强的抗肿瘤及免疫抑制活性，在平均 IC50 为 2
7、.1 molL-1 时对 57种不同的人癌细胞有抗性作用 ， 而在相同的作用剂量下对正常细胞无任何毒害作用 17。临床上将 PG与 CyA 结合用于解除器官移植急性排斥反应，作用效果好 9。对其潜伏期和临床应用有待进一步的研究。 此外， PG 具有强烈的细胞溶解酶活性，能杀灭引起赤潮的浮游藻类 18。 2.1.5 灵菌红素染色后抗菌性能研究 近年来，由于环境和能源等问题，人们趋于追求健康可持续的方法 利用染料，因此， 天然、多功能 、环保 是染料发展的 必然 趋势。 PG 作为由发酵产生的具有重要生物活性的微生物次级代谢产物，是一类 呈暗红色的天然色素，色泽亮丽诱人 ，有抗菌活性 ，有较好的生
8、物可降解性和环境相容性 ，是一种多功能染料， 在印染、纺 织领域， 应用优势相当明显 。 由于 染色纤维 自身结构与染料亲和力的原因， PG 染腈纶织物的上染率要比染羊毛织物的上染率高，且耐皂洗牢度和摩擦牢度也要比羊毛织物的好 ， 经 A13+媒染剂处理后的羊毛织物的各项牢度均有所改善 。 4 Cang 等 9以沙雷 氏 菌发酵生产的 PG 做抗菌实验，结果表明，对芽孢杆菌具有显著地杀菌作用。钟绵国等 对 灵菌红素羊毛、腈纶染色性能进行研究，确定其最佳染色工艺 。 并 通过抑菌率的测试 证明灵菌红素具 对大肠杆菌有较好的抗菌性能 4。 2.2 国内外应用 2.2.1 应用于赤潮的治理 PG 具
9、有强烈的细胞溶解酶活性，能杀灭引起赤潮的浮游藻类 19 韩国科学家于 1996 年首次在海洋中发现一种微生物，并且在国际学术会议上将它初步定名为“哈赫拉 ”（ Hahella）。韩国生命工学研究院和韩国海洋研究院的科学家最近从位于朝鲜半岛以南的美罗岛海域再次找到了这种海洋微生物，并将其命名为 “哈赫拉 下济州 ”。 韩国科学家对 “哈赫拉 下济州 ”进行了基因组测序分析后发现，这种微生物能产生可以清除赤潮的灵菌红素。将灵菌红素撒在赤潮中，只需十亿分之一的浓度，一小时后就能将导致赤潮的浮游生物大部分杀死。 目前， 韩国科学家已经为灵菌红素申请了韩国和国际专利。灵菌红素有望经过毒性试验和环境影响检
10、测，在 3 年后作为治理赤潮的产品投入应用 20。 2.2.2 应用于食品 色素是一种食品添加剂，人类最初使用的都是天然色素，但是当合成色素发明之后，天然色素逐渐被所取代。随着毒理学和分析技术的不断发展和人们生活水平的提高，大家对饮食也越来越讲究，人们发现某些合成色素食用过量有致癌的危险，合成色素对人体健康的危害越来越引人注目 ，因此合成色素作为食品添加剂的用量越来越少 ,甚至被众多国家禁止使用。而天然色素作为食品添加剂 具有较高的安全性 ， 无毒、色泽亮丽诱人 ， 尤其是一些天然色素本身就是人们日常饮食的成分 ，有一定的营养价值和药理保健作用 ， 因此倍受人们的瞩目。可是天然色素又远不能满足
11、现代食品工业发展的需要，开发新品种的天然色素，对原有的天然色素的生产工艺进行改进，已成为添加剂行业非常迫切的问题 21 2.2.3 在医学上的应用： 在医学上，灵菌红素日渐成为医学专家的研究对象，它不仅拥有抗菌和抗 疟疾等方面的活性，近来经过研究发现灵菌红素还有抗肿瘤和免疫抑制活性，这为治疗一些类似于癌症这样的不治之症提供了一些新的研究方向。在抗肿瘤 方面，灵菌红素对比起另外一些化学疗法药剂，如 环磷琉胺(cyclophosphamide)具有低细胞毒作用，只有当浓度大于 300nM 时才具有明显的淋巴细胞抑制作用。而后者在其有效浓度时毒性已非常高 3。灵菌红素能对抗一系列的癌细胞，如 肺 ，
12、 结肠 ， 肾 和 乳房的癌细胞系。灵菌红素对癌细胞作出多方面的攻击。首先，它能在 铜 离子配合下破坏癌细胞的双链DNA16。其次，灵菌红素可以破化细胞内的 线粒体 ， 高尔 基体 和 溶酶体 对细胞质的 pH 梯度，降低细胞内 ATP 水平 14,15。第三，灵菌红素可以激活细胞内 细胞凋亡 途径。 2.3 生产现状及发展前景 ： 20 世纪 60 年代早期， Rapoport 等首先描述了 PG 化学合成的全过程，但比较复杂和困难。 1996年 DAlessio 等 22提出了新的制备 PG 类似物的方案，先将 C 环和 B 环相连然后再和 A 环结合（以往模拟生物合成路线是先将 B 环和
13、 A 环相连）即得 PG 前体物质，步骤简单，合成效率明显提高，但不能用来合成天然的十二烷基 PG。 利用化学合成法大量制备 PG 一直未能实施，人们寄希望于微生物发酵生产。国内外对产 PG 微生物的研究主要集中在陆地微生物沙雷菌上。 主要通过诱变方式希冀得到高产菌株。 20 世纪 80 年代以来，人们开始从基因水平研究 PG 的生物合成途径及其调节，随着生物操作技术的发展和对 PG的深入研究，人们将更加清晰地认识 PG 的产生和作用机制，大量生产制备 PG，用于替代在癌症及免疫治疗中对人体有害作用的化学药物，造福于人类 2。 PG 在医药、食品、印染 、纺织、饲料添加剂、环境治理等领域，均具
14、有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。 三、 总结部分： 灵菌红素的应用优势相当明显， 随着目前人类生活方式的不断改进，以及国内外对天然色素的提取技术的不断提高，由基因工程的发展带来对菌种的改造技术的日益便捷，我相信在不久的将来即可以解决目前天然色素不能满足人类生活及工业生产应用的需求这一状态，尤其是灵菌红素在医学上的应用的不断深入，对灵菌红素等天然色素的研究具有重要的意义，也有巨大的商业潜力。 四、参考文献： 1沈亚领，刘建文，魏东芝，等灵菌红素对人胰腺癌细胞增殖 抑制的实验研究 P中国临床药理学与治疗学， 2004， 9(5)： 504 509 2刘同军 ,杨海龙 ,唐华 .灵菌红素的研究进展
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