劉冰花
(成都大學醫(yī)護學院,四川成都 610091)
黏細菌是最高等的原核生物,可滑動,具有多細胞行為,屬于好氧的革蘭氏陰性桿菌[1].由于黏細菌生長緩慢,難于分離純化,對其活性物質的研究相對滯后.近年來,黏細菌作為可產生豐富多樣生物活性物質的微生物類群逐漸受到科研工作者的重視.迄今為止,研究人員已經發(fā)現(xiàn)了黏細菌產生的幾百種結構不同的化合物,這些化合物中許多是以前從未發(fā)現(xiàn)過的.本文對1999年至今科研人員在黏細菌生物活性物質方面的研究工作進行綜述,以期對黏細菌進一步的研究工作有所幫助.
相關研究發(fā)現(xiàn),一株黏細菌可以產生多種不同功能的生物活性物質,并且黏細菌產生的生物活性物質結構奇特,表現(xiàn)出菌株特異性,而不是種或屬特異性.
近10多年來,關于黏細菌中發(fā)現(xiàn)抗腫瘤活性物質的報道很多,例如:Ahn等[2]從黏細菌Myxococcus fulvus的次級代謝物中分離得到myxothiazol和一種新物質KR-025,并發(fā)現(xiàn)myxothiazol和KR-025對人類腫瘤細胞均有明顯抑制作用;施曉瓊等[3]從黏細菌菌株Myxococcus xanthus 095B06中分離到5種明顯抑制腫瘤細胞SMMC-7721、Hela的生長的活性物質,它們分別為Avermectin A1a、Avermectin A2a、Avermectin B1a、Avermectin B2a、麥角甾-7,22-雙烯-3,5,6-三醇(賽勒維甾醇).李健、胡瑋等[4,5]從黏細菌Corallococcus coralloides Cc9736菌株的發(fā)酵產物中分離到一種具有抑瘤活性的生物活性物質CcC;馬中良、李艷利等[6-8]從纖維堆囊菌菌株so oe cpu-1中均發(fā)現(xiàn)了對多種腫瘤細胞有良好抑制作用的SCC;郭文杰等[9-11]從菌株Polyangium vitellinum JsW103和另外6株黏細菌菌株中也發(fā)現(xiàn)了活性較強的抗腫瘤物質.
此外,從相關的報道中可以看到,堆囊菌屬和黏球菌屬產生抗癌活性物質的幾率較高,研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)纖維堆囊菌子實體不但對于腫瘤細胞如肝癌Be17402株系具有很強的體外殺傷活性,其子實體提取物灌胃對小鼠無毒性反應,并能夠明顯抑制移植瘤S180的生長[12].同時,研究人員還發(fā)現(xiàn)同一株黏細菌的代謝產物可以有多個組分具有抗腫瘤活性,但這些代謝產物在在抗腫瘤機制上可能具有顯著的多樣性[13].這些研究說明,黏細菌在抗腫瘤藥物的開發(fā)方面具有極大的潛力.
黏細菌可以產生多種結構獨特的抗細菌抗生素,例如,Irschik等[14]從纖維堆囊菌So ce750和So ce1045菌株的發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)etnangien,研究證明其是一種新的能有效抑制 G+的大環(huán)內酯類抗生素,同時,etnangien還可以抑制細菌和病毒的核酸聚合酶活性;Menche等[15]從纖維堆囊菌So ce1045菌株中又發(fā)現(xiàn)了etnangien的類似物methyl ester etnangien,其對G+的抑制作用更強,抑制RNA聚合酶的活性與etnangien相當,但對DNA聚合酶不起作用, methyl ester etnangien比etnangien更容易從纖維堆囊菌的發(fā)酵液中獲得,并且在中性條件下結構比etnangien穩(wěn)定.
另外,Ahn等[16]從土壤中分離到纖維堆囊菌K M1003,并從該菌的發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)了 Sorangiadenosine,其是一種新的倍半萜烯腺苷,實驗證明,Sorangiadenosine即可抑制 G+,又可抑制 G-;H?fle等[17]發(fā)現(xiàn)黏細菌Stigmatella erecta Pd e32菌株可以產生抗細菌物質5-nitroresorcinol(5-硝基間苯二酚).
此外,還有許多在黏細菌中發(fā)現(xiàn)抗細菌活性物質的相關報道,例如,Gaspari等[18]評價了97株黏細菌產生的抗菌化合物的產量,發(fā)現(xiàn)其中62株有抗菌活性,同時,在一個純化菌株中發(fā)現(xiàn)了一種由黏細菌產生的典型的抗生素Myxovirescin,在3株黏細菌中檢出了可抑制原核生物蛋白質合成的,而通常由放線菌產生的異硫霉素(Althiomycin);劉迎等[19]從黃海邊土壤中篩選到具有廣譜抗菌活性的白色黏細菌So ce cpu-1;殷建華等[20]發(fā)現(xiàn)黏細菌CS211菌株對蠟狀芽孢桿菌、藤黃八疊球菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌具有很強的抑制作用;劉冰花等[21,22]發(fā)現(xiàn)黏細菌Angiococcus sp.菌株胞外物、胞內物均具有抗菌活性,且抗菌譜不同,其中胞外物對G+細菌有較強的抑菌作用,胞內物對部分G+細菌及G-細菌有抑菌作用.
近年來,研究人員從黏細菌中發(fā)現(xiàn)了大量的抗真菌物質,例如,Bode等[23]從黏細菌纖維堆囊菌 So ce705和So ce690的發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)了結構獨特的leupyrrins A1,實驗證明它能夠較好地抑制真菌和小鼠的成纖維細胞;Kundim等[24]從黏細菌 Cystobacter fuscus AJ-13278菌株中分離得到3種新的抗真菌的不穩(wěn)定的化合物(6E,10Z)-2′-O-methylmyxalamide D、2′-O-methylmyxalamide D 和 (6E)-2′-Omethylmyxalamide D;馬輝等[25]從黏細菌Myxococcus fulvus HW-1的發(fā)酵液中分離出9種抑制抗真菌的化合物(1-9).在這9種化合物中,有7種是環(huán)二肽,化合物7、8和9屬于非天然氨基酸組成的環(huán)二肽,均是首次從天然產物中得到的,化合物4、7、8和9均是首次在黏細菌的次生代謝產物中分離得到的.同時,利用稻瘟霉模型和紙片擴散法對分離得到的單體化合物進行抗菌活性評價,發(fā)現(xiàn)化合物4、5、7、8和9對稻瘟霉的生長均有明顯的抑制作用,化合物4不但能中度抑制稻瘟霉的生長,并且能引起菌絲體末端膨大,化合物4、5、7、8和9對枯草芽孢桿菌有明顯抑制作用.
此外,H?fle等[17]發(fā)現(xiàn)黏細菌 Stigmatella erecta Pd e32菌株產生一種新的抗真菌物質aurachin P((1′R,2′S,3′R)-1′-aurachin A);Steinmetz等[26]從Myxococcusfulvus菌株中發(fā)現(xiàn)了抗真菌物質myxothiazol Z;朱斌等[27]發(fā)現(xiàn)黏細菌NUST03菌株可以產生一種強烈抑制黑曲霉的抗生素.
相關研究發(fā)現(xiàn),黏細菌次級代謝物中不但有豐富的抗生素,而且有豐富的酶資源,如纖維素酶、木聚糖酶、溶栓酶等.閆章才[28]首次對溶纖維素黏細菌降解纖維素的機制進行了初步研究,發(fā)現(xiàn)纖維素降解酶以復合體的方式組織在菌體細胞表面.侯配斌[29]以S09733-1為研究對象首次對纖維堆囊菌降解纖維素類物質的基本特性進行了較為全面的表征,而且進一步證明了其纖維素降解酶類以一種高效的多酶復合體形式分布于細胞表面,履行相關的功能.上述研究首次在好氧細菌中發(fā)現(xiàn)類似的降解酶類組織形式存在,突破了纖維素酶復合體的厭氧界限,具有重要的理論意義.
此外,趙曉飛等[30]從黏細菌Angiococcus sp.的發(fā)酵液中分離出一種具有抗凝溶栓雙活性的蛋白MF-1,并對其酶學性質進行初步研究,首次從黏細菌中分離得到具有較高抗凝和溶栓雙活性的且穩(wěn)定不易失活的MF-1蛋白;劉敏等[31]以純化菌株Sorangium cellulosum So 9733-1為材料,對其產木聚糖酶的培養(yǎng)條件進行了優(yōu)化,得出的適宜培養(yǎng)條件組合是,以濾紙粉為碳源,以(NH4)2SO4為氮源,pH值為7.0,溫度為30℃;殷建華等[32]發(fā)現(xiàn)黏細菌Myxococcus xanthus CMC 0605菌株產生的纖維素酶的最適pH為6.0~7.0,最適溫度40℃.
近年來,科研人員采用氣—液色譜、氣—相色譜、氣—質色譜、核磁共振等先進技術,對部分黏細菌活性物質的化學結構進行了闡明(見表1),但仍有很多黏細菌產生的活性物質結構到目前還沒有弄清楚.
在研究黏細菌產生的活性物質性質的同時,科研人員也密切關注著這些活性物質在黏細菌體內的合成途徑.從1999年至今,研究人員采用同位素標記等方法已經弄清楚了黏細菌多種活性物質的合成途徑,例如,aurachin P、5-nitroresorcinol、myxothiazol Z、土臭味素[36,37]、異偶數(shù)脂肪酸[38]、myxochelins A和B[39].
表1 1999年至今已闡明結構的主要黏細菌生物活性次級代謝產物及產生菌
此外,Tse等[40]開發(fā)了一個在大腸桿菌中用于epothilone前體定向生物合成的埃博霉素合成酶的模塊6-9系統(tǒng),為了系統(tǒng)地探討了該系統(tǒng)生物合成的潛力,研究人員還研究了在這個工程研究途徑中最關鍵的第一個模塊——EpoD-M6,接受、延長和處理底物的能力,發(fā)現(xiàn)EpoD-M6被表達、被純化,并且證明其同時接受?;o酶A和acylSNAC底物,被測試的底物中,除了較多的復雜的天然底物外,octanoylSNAC和3 octenoylSNAC被證明是優(yōu)秀的底物.該研究成果將有利于epothilone類似物和相關復雜的聚酮前體的定向合成.
為了更進一步的認識黏細菌,研究人員對它的基因產生了興趣,特別是黏細菌決定生物活性物質的基因.
張曉元[41]研究發(fā)現(xiàn),纖維堆囊菌S09733-1木聚糖酶XynB為內切木聚糖酶,由398個氨基酸殘基組成,完整基因全長1 197 bp,該酶N端大約100個氨基酸與數(shù)據(jù)庫中的現(xiàn)有序列沒有任何同源性,功能未知.高昂[42]研究了XynB N端結構域的功能,結果顯示,XynB中氨基酸114~398為糖基水解酶家族10保守區(qū),氨基酸1~113功能未知,在此基礎上,成功構建了木聚糖酶XynB N端結構域、C端結構域和完整XynB的異源表達質粒,并在大腸桿菌中實現(xiàn)了異源表達,經過一系列的實驗,推測XynB的N端結構域不具有底物結合區(qū)等與木聚糖降解有關的功能,XynB N端結構域與XynB在細胞中的定位有關.上述研究為更加深入地研究XynB N端結構域的功能打下了基礎.
此外,Sandmann等[43]在黏細菌Angiococcus disciformis An d48里轉入了一個鑒別次級代謝物生物合成基因編碼調節(jié)器的轉座子,并用HPLC分析了1 200個轉座子突變體的抽提物,發(fā)現(xiàn)其中6個突變體的myxothiazol產量增加了30倍,通過轉座子及插入位點旁的序列鑒定,發(fā)現(xiàn)一些無活性基因編碼類似于細菌調節(jié)器的蛋白質,如二組分系統(tǒng)和絲氨酸—蘇氨酸蛋白激酶.然而,其他基因產物不類似于任何具有特征的蛋白質,實驗數(shù)據(jù)說明通過引入轉座子的方法鑒別次級代謝物的調節(jié)基因是一種有價值的方法;Perlova等[44]發(fā)現(xiàn)了一株新的生長迅速的嗜熱黏細菌菌株Corallococcus macrosporus GT-2,對該株黏細菌的理化性質的研究發(fā)現(xiàn),株菌的發(fā)酵時間和生長周期都比其他黏細菌短,同時將黏細菌Stigmatella aurantiaca中產生活性物質myxochromides的基因組通過轉座子轉入GT-2菌株,發(fā)現(xiàn)異源宿主GT-2菌株myxochromides的產量明顯高于Stigmatella aurantiaca菌株.
想把黏細菌產生的生物活性物質從發(fā)酵液中提取并純化,就必須提高黏細菌產生生物活性物質的產量.
王寧等[45]在研究一株可降解黃曲霉毒素B1的黏細菌的產酶條件時,通過單因素實驗和正交實驗得到最優(yōu)化的培養(yǎng)基以及培養(yǎng)條件.李越中等[46]研究影響纖維堆囊菌So ce 90菌株合成epothilone的條件時,發(fā)現(xiàn)在指數(shù)期接種、低氮高碳培養(yǎng)、某些鹽離子如CuSO4、較高濃度的氨基酸混合物和乙酸鹽對epothilone的合成有益.劉迎等[19]發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中添加So ce cpu-1次級代謝產物的粗提物作為誘導物可提高菌株So ce cpu-1次級代謝物的產量.羅立新等[47]發(fā)現(xiàn)在利用纖維堆囊菌發(fā)酵生產epothilone的工藝中,添加環(huán)式糊精到發(fā)酵培養(yǎng)基中不僅可以吸附產物同時不影響菌體的生長,還可以減弱產物抑制的現(xiàn)象.
黏細菌產生的生物活性物質已經引起了眾多化學合成研究人員的極大興趣.1999年至今,已經有多種黏細菌產活性物質通過化學合成方法進行了全合成,例如,crocacins A-D[48]、epothilone A和epothilone B[49]、(-)-Ratjadone[50]、(+)-Crocacin D[51]、(-)-Disorazole C1[52]、(-)-Apicularen A[53]、tubulysin的類似物[54]、Melithiazole C[55]、tubulysin U、tubulysin V和它的差向異構體epitubulysin V(不是天然產物)[56].
此外,Krebs等[57]通過一系列化學方法合成了黏細菌Chondromyces crocatus產生的ajudazol A的右半部分的側鏈.H?fle等[58]用化學方法半合成了黏細菌產生的活性物質Aurachin E.Smith等[59]建立了高效合成黏細菌次級代謝物(+)-sorangicin A的藥效基團二氧雙雜環(huán)[3.2.1]辛烷中心的合成途徑.
值得一提的是,由黏細菌 Sorangium cellulosum分泌的具有抗腫瘤活性的epothilones目前已經作為抗癌新藥在全球范圍內進行治療小細胞肺癌、非小細胞肺癌、卵巢癌、前列腺癌、晚期乳腺癌、復發(fā)性膠質瘤等癌癥的臨床試驗.
近10多年來,研究人員對于黏細菌產生的生物活性物質的研究已經取得了極大的進展和大量的成果.但總體上看,對于黏細菌這類藥用潛力很大的細菌群體來說,上述研究工作還遠遠不夠,比如在抗生素的研究方面,研究人員發(fā)現(xiàn)了很多黏細菌可以產生抗生素,但對這些活性物質結構的研究工作還顯得有些滯后.同時,關于黏細菌生物活性物質基因工程方面以及其在農業(yè)方面的研究工作也顯得有些單薄.相信隨著人們的關注,將會有越來越多的人力與物力投入到黏細菌的研究中,從而加快黏細菌的開發(fā)與應用的進程.
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