1、1 毕业论文 文献综述 生物工程 天然红色素抗菌性能的初步研究 1. 前言 1.1 基本性质 灵菌红素（ prodigiosins， PG）是一类天然红色素的总称，通常都有 3 个吡咯环组成的甲氧基吡咯骨架结构， PG 属于脂溶性色素，易溶于甲醇和丙酮，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； 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；Al3+， 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，Mg2+ 和 Mn2+ 对 PG 有一定
2、的破坏作用， Pb2+ 可以络合 PG，使之成为沉淀 2；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 3。 1.2 研究背景和意义 天然色素指的是来源于动物、植物、微生物的色素，绝大多数天然色素无毒和无副作用，安全性高，且具有一定的生物活性，成为色素发展的趋势 1。随着社会及科技进步，天然色素在食品、药品、化妆品及保健品业使用逐渐普及，使用技术逐渐提高，逐渐成为美化社会生活不可缺少的一部分。 目前大多数天然色素来源于植物，但由 于植物生长周期长且受 季节、气候、产地等因素的影响，提取工艺复杂，致使天然色素价格昂贵，推广应用受到局限。 开发新品种的天然色素，探索新的天然色素
3、来源，对 原有天然色素的生产工艺进行改进，扩大天然色素的应用范围，降低天然色素的生产成本，已成为生产中需要迫切解决的问题。 灵菌红素 (prodigiosin， PGs)又名灵菌素、灵杆菌素。是一族具有三吡咯环骨架结构的天然红色素，可由多种微生物产生。自 1929 年 PG 首次从黏质沙雷氏菌中分离出来以后 2，人们对其的研究就一直在不断地进行当中。早期研究表明此类结构的物质具有 抗细菌、抗疟疾，抗真菌和抗原生动物的活性。随着研究地不断深入，近年来研究者们惊奇地发现其还具有很强的免疫抑制活性和抗癌抗肿瘤活性，这引起了研究人员们极大地兴趣和关注。大多数抗癌药物由于靶向问题，对肿瘤细胞和人体正常细
4、胞都具有杀伤作用。在治疗肿瘤的同时对2 人的肝肾带来巨大损伤。不同于这些药物的是， PG 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 3。鉴于此， PG 的研究具有了独特的优势并有着诱人的市场前景，正逐渐成为医学界抗肿瘤领域的新宠。 PG 作为一种具有良好抗菌性能的天然微 生物色素，其在作为功能性天然材料方面也具有一定的应用前景。 PG 的体外抑菌试验表明，其对金葡球菌 (耐青、红霉素菌株 )和福氏志贺氏菌有很好的抑制效果 4。此外，它对引起 Chagas 疾病的锥虫有很大的杀伤作用。 Chagas疾病是由锥虫 Trypanosoma cruzi 所引起
5、的原生动物传染病。在南美国家非常盛行，此前只发现苄硝唑可以治愈。 Patricia 等人在研究 PG 与苄硝唑对 V79 纤维原细胞系的细胞毒性时发现， PG 比以往使用的杀锥虫药有更强的杀锥虫活性。 Cang 等 5以沙雷菌发酵生产的 PG 做抗菌实验，结果 表明，对芽孢杆菌具有显著地杀灭作用。 PG 结构类似物具有显著的抗Trichophytonspp.等真菌的活性，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。 本研究将定性和定量的考察灵菌红素对常见细菌的抑菌性能和抑菌的稳定性，以期为灵菌红素在纺织、食品、养殖等产业中的应用奠定一定的理论基
6、础。 2. 相关研究动态 2.1 灵菌红素的 生物活性 2.1.1 抗肿瘤活性及其可能的作用机理 PG 具有有效的抗肿瘤活性，美国国立癌症研究所 (NSI)Melvin 等发现 PG 在平 均 ICso为 2 IvmolL-1 时对包括白血病、肺癌、中枢神经系统癌、黑素瘤、乳腺癌、前列腺癌、肾癌、卵巢癌在内的八种癌细胞株中的 57 种不同的人癌细胞均有抗性作用。研究者们认为PG 的这种抗癌特性与其诱导细胞凋亡的活性密切相关，目前就其机理提出了四种可能：作为 pH 调节器；作为细胞分裂周期抑制剂；作为 DNA 裂解因子；作为胞外信号调节激酶调节器 9I。 2.1.2 抑制癌细胞浸润转移活性 癌细
7、胞转移是造成癌症患者死亡的主要原因 ,PG 可促进细胞浓集，同时抑制细胞附着于胞外基质 (ECM)并抑制癌细胞浸润转移 10l。 2.1.3 抗菌活性 PG 最初是作为一种抗菌的物质来研究的，它具有抗细菌、抗疟疾，抗真菌和抗原生动物的活性。 PG 的体外抑菌试验表明，其对金葡球菌 (耐青、红霉素菌株 )和福氏志贺氏菌有3 很好的抑制效果。此外，它对引起 Chagas 疾病的锥虫有很大的杀伤作用 11。 Chagas 疾病是由锥虫 Trypanosoma cruzi 所引起的原生动物传染病。在南美国家非常盛行，此前只发现苄硝唑可以治愈 12。 Patricia 等人在研究 PG 与苄硝唑对 V7
8、9 纤维原细胞系的细胞毒性时发现，杀锥虫药硝呋噻氧和苄硝唑有更强的杀锥虫活性 13|。 2.1.4 免疫抑制剂活性 选择性免疫抑制包括在自体免疫性疾病治疗和临床器官移植中能抑制信号传递，预防 T 细胞激活。药物 FK506， rapamycin， cyclosporin A（ CsA/CyA）是当前器官移植和治疗自体免疫性疾病常用的药物，这些药物具有很大的毒性。 PG 的免疫抑制活性与上述药物有完全不同的作用机制，竞争性对抗研究表明，它与受体细胞的结合位点既不同于 CyA，也不同于与 FK506 及 rapamycin 的通常结合位点 FK 结合蛋白。 PG 不抑制白介素 2（ IL-2）的分
9、泌，但通过抑制 IL-2 的信号转换而阻断其生物活性。研究表明， PG 色素抑制磷酸化并激活细胞质酪氨酸激酶 JAK-3，与细胞表面受体 common -chain 结合，阻断 common -chain 的信号转换功能从而表现出特效的免疫抑制活性 14。因而， PG 是一种潜在的新型免疫抑制药物。 2.2 生产现状及发展前景 当前 PG 的生产以生物合成为主。 PG 是微生物的次级代谢产物，可由多种细菌和放线菌产生，包括链霉菌属 (Streptomyces)、沙雷氏菌属 (Serratia)和假单胞菌属 (Pseudo mona5)，其中 关于沙雷氏菌属 (Serratia)的研究最多。在对
10、其代谢途径的研究发现， PG 是通过一条二叉的途径合成的。该途径的关键步骤是最后一步酶促缩合反应，即 2一甲基一 3一戊基吡咯(MAP)和 4 一甲氧基一 2， 2 7 一二吡咯一 5 一羧甲基乙醛 (MBC)在酶的作用下缩合生成PG(Prodigiosin)，而催化此反应的关键酶是 PG 缩合酶 (Prodigiosin condensing enzyme，PCE)E33l。另外，在对其生产条件的研究得知，发酵液中碳源、氮源、温度、 pH、通氧量以及微量元素均为影响 PG产量的重要因素。 长期以来，通过生物发酵法生产 PG的产量始终不高。 1973年， Williams以粘质沙雷氏菌 (S
11、marcescens)Nima 株为出发菌株，摇瓶发酵培养 96h 后得到 PG 的最高产量为0 02359 L-1； 1979 年， Alonzo等人以 S marcescens 为出发菌株，通过调节培养基的碳源与氮源的比例，利用摇瓶培养 48h得到 PG的最高产量为 0 19 L-1； 1981 年， Katsumt Nakamura等人专利报道了以 S marcescens R-2为出发菌株，摇瓶培养 48h得到 PG的最高产量为 0 1719 L-1E36“1； 1994年， Sole等人以 S marcescens为出发菌株，通过调节培4 养基的 pH，利用摇瓶培养 48h 得到 P
12、G 的最高产量为 0 29 L-1。由予 PG 更多更奇妙的活性为人们所发现，其生产亦愈来愈为人们所重视。近年来，随着研究的深入， PG 的产量较以前有了大幅的提高。 2000年， Cang S等人以一株可以利用乙醇的 S marcescens$389为出发菌株，通过摇瓶培养 48h，使得 PG的产量一举提高了数十倍，达 2 959 L-1； 2001年， Jungdon B等人以 Serratia sp KH-95(KFCC 10970)为出发菌株，尝试利用反应器扩大发酵合成 PG，通过一系列的工艺条件优化，在有内置吸附剂的生物反应器中， PG 产量达到前所未有的最高点，为 13 19 L-
13、116。 随着 PG 应用的逐渐推广和其市场需求的不断增大，其合成研究也在不断发展。尽管全合成生产 PG 产量高且价格低廉，但相较于全合成，生物合成更具优势。通过生物合成生产PG 安全可靠，符合人们对绿色天然的追求。然而，生物合成也有产量较低、分离困难等自身的缺点。因此，如何改造菌株，优化发酵工艺，寻求一条经济可行的生物合成 PG 的途径，将成为今后 PG 研究的热点。 三、总结部分 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
14、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 Shieh W Y, Chen Y W, Chaw S M, et al. A red, facultativelyanaerobic, marine bacterium isolated from sea waterJ. Int JSyst Evol Microbiol, 2003, 53:479-484. 2 Pandey R, Chander R, Sainis K B. A novel prodigiosin-likeimmunosuppressant from an
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