生物轉化是利用生物體系或其產生的酶制劑對外源性化合物進行結構修飾的生物化學過程。就其本質而言，生物轉化是生物體系對外源性底物的酶催化反應[1～3]。生物轉化反應具有高效、高選擇性、反應清潔、產物單純、易分離純化、能耗低等優(yōu)點，符合綠色化學的要求。著名化學家Wong ChiHuey教授指出，生物轉化在天然產物化學中的應用具有巨大的潛力，設計與發(fā)展適于生物轉化(酶促)反應的新的底物和利用遺傳工程改變酶的催化性質等都將大大利于其在制藥工業(yè)中的應用[4]。因此，生物轉化方法已經受到研究者的廣泛重視，并正迅速發(fā)展。

1 生物轉化中的主要反應類型

生物轉化的反應類型多種多樣，常見的反應主要有羥基化、糖苷化、氧化還原、異構化、甲基化、酯化、水解、環(huán)氧化以及重排等。

1.1 羥基化反應

羥基化反應是生物轉化中最常見也是最重要的一種反應，羥基化反應可以發(fā)生在多個位置，生成多種有意義的衍生物。自1952年微生物法合成糖皮質激素進入商品化生產以來，羥基化的生物轉化技術成為甾體藥物或其中間體合成路線中不可缺少的關鍵技術。目前腎上腺皮質激素及其衍生物的工業(yè)化生產技術就是利用微生物及其酶系統(tǒng)對甾體化合物11α-、11β-、15α-和16α-位進行羥基化。對于甾體化合物的生物轉化進展，F(xiàn)ernandes等已進行了詳細的綜述[5]。

(-)-象牙洪達木酮寧，一種吲哚型生物堿，在臨床上可用于改善大腦循環(huán)和新陳代謝，經過生物轉化后可得到3種羥基化代謝產物，對這3種產物進行生物學活性檢測，發(fā)現(xiàn)其在氰化物中毒時均表現(xiàn)出大腦保護作用[6]。

脫氫樅酸也可以通過生物轉化的途徑制得一些有活性的物質。1997年Tapia等[7]將脫氫樅酸在Fusariumspecies作用下，于26～28℃下培養(yǎng)7 d得到1β-羥基脫氫樅酸，將1β-羥基脫氫樅酸作用于Serratiasp.和Bacillussubtilis時，顯示良好的活性。

1.2 糖苷化反應

糖苷化反應常見于植物懸浮培養(yǎng)體系介導的生物轉化反應，而在微生物體系中應用較少。 糖苷化反應主要有兩種：一種是羧酸和糖片段之間發(fā)生酯化反應，另一種是羥基和糖片段之間發(fā)生糖基化反應。糖苷化反應可使許多外源化合物的理化性質和生物活性發(fā)生較大的變化，例如，糖苷化反應可將不溶性化合物轉變?yōu)樗苄曰衔?，這一點是微生物培養(yǎng)和化學合成很難做到的。

香豆素是一類很重要的植物次級代謝產物，但大部分香豆素缺乏天然糖苷，水溶性差。在人參根培養(yǎng)液中，7-羥基香豆素在糖基轉移酶的作用下可轉化成糖苷[8]。

丁酸具有體外抑制腫瘤生長和誘導腫瘤細胞分化的作用，但是其在哺乳動物體系中半衰期很短，人們通過懸浮培養(yǎng)的灰葉煙草(NicotianaplumbaginifoliaViv.)細胞糖苷化得到其糖苷，半衰期大大延長，有望開發(fā)為抗癌新藥[9,10]。

1.3 醇酮的氧化還原反應

通過植物細胞培養(yǎng)可將醇轉化為相應的酮，對于一些手性化合物的生產來說，對映選擇性氧化反應是非常有用的。如斧柏烯在木槿屬植物(Hibiscuscannabinus)培養(yǎng)細胞催化下，先脫水成烯，再氧化成酮，此反應與Collins氧化反應比較更符合綠色化學的要求[11]。

醛酮中的羰基也可在生物催化劑的作用下還原成相應的醇。在煙草屬植物(Nicotianatabacum)和長春花屬植物(Catharanthusroseus)細胞懸浮培養(yǎng)液作用下，樟腦醌中的羰基立體選擇性地生成相應的α-酮醇[12]。

1.4 C=C雙鍵的還原反應

C=C雙鍵可加氫還原成飽和的C-C鍵。長變胞藻(AstasialongaPringsheim)的細胞培養(yǎng)物能夠產生2種烯酮還原酶，可以還原芹酮的C=C雙鍵。人們利用此反應來研究Carvene的立體化學及作用機制[13]。

1.5 硝基還原反應

北洋金花(DaturainnoxiaMill.)、長春花(Catharanthusroseus)及Myriophyllum屬植物細胞培養(yǎng)物都能夠將TNT(2,4,6-Trinitrotoluene)經過硝基還原反應生成ADNT(2,4,6-Aminodinitrotoluene)[14，15]。

1.6 環(huán)氧化反應

環(huán)氧化反應可以用于具有細胞毒性的倍半萜烯的結構修飾。莪術(Curcumazedoaria)細胞懸浮培養(yǎng)物中大根香葉酮(Germacrone)的環(huán)氧化反應就是成功的實例之一[16]。

還有文獻報道，將Thujopsene加入紅麻、煙草、長春花的植物細胞懸浮培養(yǎng)體系中，一部分底物發(fā)生環(huán)氧化反應，其轉化產物為3-Epoxythujopsan-5-ol[17]。

1.7 酯化反應和水解反應

Dai等[18]應用長春花、桔梗(Platycodongrandiflorum)懸浮細胞培養(yǎng)體系對天麻素進行生物轉化反應研究。經8 d培養(yǎng)生成天麻素水解后苷元——對羥基苯甲醇[19]。而與水解反應相對，研究發(fā)現(xiàn)乙酸酯化反應也比較容易出現(xiàn)在代謝產物中。在酯化反應中，密葉辛木素(Confertifolin)經過轉化生成2種代謝產物，其中主產物是3β-羥基化密葉辛木素，而另一種代謝產物則是3β-乙酸酯化密葉辛木素。這2種產物很有可能是由一條代謝途徑來完成的，這一推測可能為合成有用的酯類化合物提供捷徑[20]。

1.8 成環(huán)反應

AspergillusalliaceusUI 315是功能強大的微生物，它可使芳烴和烷烴羥基化以及使芳烴化合物脫烷基化。最近發(fā)現(xiàn)它還具有環(huán)化作用，能模仿植物生物合成途徑,使查耳酮分子成環(huán)生成黃酮。隨后的研究證實是一種細胞色素P450酶在行使環(huán)化功能[21]。

2 生物轉化在天然產物化學中的應用

2.1 有機合成及天然產物結構修飾

天然活性藥物常常因為含量低、資源有限、結構復雜、不能采用化學方法合成等缺點而難以開發(fā)成新藥。生物轉化是由酶催化的化學反應，具有位置選擇性和立體選擇性好、催化效率高、反應條件溫和、反應類型多、不污染環(huán)境等特點，因此往往應用生物轉化方法合成有活性的天然產物或尋找有活性的天然產物衍生物，易于得到結構新穎的化合物，且避免了有機合成反應中對其它基團的保護與去保護，簡化了合成步驟，提高了產物的收率，現(xiàn)已成為開發(fā)新藥的有效途徑。

利用結構類似物進行生物轉化對于開發(fā)天然活性藥物具有重要意義。1952年，Murray和Peterson首先成功用黑根霉(Rbizopusnigricans)使孕酮(黃體酮)實現(xiàn)C11羥基化，成為C11α-羥基孕酮(圖1)，成功地解決了皮質激素類藥物合成過程中的難題，也使人們意識到用化學方法極難發(fā)生的C11羥基化，通過微生物轉化能輕而易舉地完成，從而開創(chuàng)了微生物轉化甾體化合物的先例[22]。

圖1 C11α-羥基孕酮的合成

10-羥基喜樹堿(HCPT)，作為抗癌藥，其療效好而且毒性低。近期發(fā)現(xiàn)多種微生物能定向將含量較高的喜樹堿(CPT，圖2)轉化為10-羥基喜樹堿[23]。

圖2 喜樹堿的結構式

2.2 手性藥物合成和拆分

手性藥物目前已成為國際上新藥研究的熱點。據統(tǒng)計，在研發(fā)的1200種新藥中，有820種有手性，占世界新藥開發(fā)的68%以上[24]。當手性藥物進入生命體時，對映異構體因為光學活性不同，而具有不同的生物學活性。如鎮(zhèn)靜藥沙利度胺(又名反應停，Thalidomide，圖3)，其(R)-對映體具有緩解妊娠的作用，(S)-對映體是一種強力致畸劑[25]。

圖3 沙利度胺的結構式

生物體系中的酶具有化學選擇性、區(qū)域選擇性和對映體選擇性，因此生物轉化在不對稱合成手性藥物以及對映異構體的拆分方面顯示出巨大的應用潛力[26]。

2.2.1 酶法拆分手性藥物

酶法拆分是一種比較成熟的生物合成單一對映體的方法。酶的活性中心是一個不對稱環(huán)境，有利于識別消旋體，在一定條件下酶只能催化消旋體中的一個對映體發(fā)生反應而生成不同的化合物,從而使兩個對映體分開[27]。

熒光假單胞菌作用于外消旋體內酰胺后，由于該菌只選擇性地水解右旋體，從而使其與左旋內酰胺分開，后者是抗艾滋病藥物Carbovir的中間體[28]。

2-羥基-4-苯基丁酸乙酯(R-HPBE)是合成多種ACE(血管緊張素Ⅱ轉化酶)抑制劑的重要中間體，例如合成抗高血壓藥西拉普利(Cilazapril)。用脂肪酶催化水解外消旋的HPBE，可以得到光學純的R-HPBE和S-HPBE(圖4)[29]。

圖4 酶法拆分HPBE

2.2.2 酶催化合成手性藥物

最近發(fā)展的主要是微生物或酶直接轉化,或利用氧化還原酶、合成酶、裂解酶、水解酶、羥化酶、環(huán)氧化酶等直接從前體化合物不對稱合成各種復雜的手性化合物。該法不需制備前體衍生物，可將前體 100%地轉化為手性目標產物，因此具有更大的工業(yè)應用價值[27]。

普萘洛爾(心得安，圖5)是非選擇性的β-受體阻滯劑，對β1-受體和β2-受體均有阻滯作用，不僅能降低血壓，也能降低心肌收縮力和心排出量。

圖5 普萘洛爾的結構式

研究發(fā)現(xiàn)，普萘洛爾活性主要取決于S構型(其活性是R構型的130倍)，將普萘洛爾進行拆分得(S)-(-)-普萘洛爾，可降低劑量和副反應。合成普萘洛爾的方法報道較多，利用酶催化來合成其手性前體是一種非常有效的方法[30]。Bevina等利用脂肪酶PS對外消旋的萘氧氯丙醇酯進行水解得到(S)-(-)-1-氯-3-(1-萘氧基)-2-丙醇，最后與異丙胺縮合得(S)-(-)-普萘洛爾[31]。

卡托普利(圖6)是Bristol-Myers Squibb公司開發(fā)的血管緊張素轉化酶抑制劑類抗高血壓藥物，臨床應用廣泛。銅綠假單胞菌可立體選擇性氧化異丁酸得到其重要中間體(R)-2-甲基-3-羥基丙酸[32]。

圖6 卡托普利的結構式

2.3 作為藥物代謝機制的研究模型

近年來，有人發(fā)現(xiàn)藥物的體內代謝產物往往與其微生物轉化產物具有一定的相似性，遂提出將微生物轉化作為藥物體內代謝的模型，從而將生物轉化技術引入到一個新的應用領域。文獻報道華蟾毒精和蟾毒靈在大鼠肝臟的主要代謝途徑為3-OH脫氫及16-位脫乙酰基反應，與微生物轉化具有一定的相似性，例證了微生物轉化可用于制備并輔助鑒定藥物的體內代謝產物。

Hufford研究組對蒿乙醚進行微生物轉化，得到的轉化產物中9β-羥基蒿乙醚、9α-羥基蒿乙醚、2α-羥基蒿乙醚、14-羥基蒿乙醚也是蒿乙醚在小鼠肝細胞中的代謝產物。藥物的體內代謝產物在生物制品中大多含量很低，且雜質干擾嚴重，產物的分離純化與結構鑒定均較困難；而微生物轉化產物的分離過程則相對簡單，且可實現(xiàn)較大量的產物制備，因此可用于輔助鑒定藥物代謝的微量乃至痕量產物，并可大量制備以作深入的研究[33]。

2.4 闡明抑真菌藥物的耐藥機制

最近發(fā)現(xiàn)生物轉化是微生物耐受抑真菌藥物的重要脫毒機制。Aleu等發(fā)現(xiàn)Botrytiscinerea可使具有抑真菌活性的天然化合物Ginsenol和Isoprobotryan-9α-ol的結構發(fā)生改變，生成羥基化產物，從而失去抗真菌作用。該研究成果為抑真菌藥物的研制及耐藥機制的闡明提供了新的思路。Pedras等還發(fā)現(xiàn)植物對病原性真菌的耐受亦存在著類似于生物轉化的機制。植物可使真菌產生的有害物質通過糖苷化、羥基化等反應，失去毒害作用[34]。

3 展望

生物轉化在天然產物化學中的應用已取得不凡的成就，而且其工業(yè)發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮?。但是目前生物轉化研究的主流仍然停留在整體細胞催化水平，對轉化規(guī)律的總結、生物催化機制的闡明以及從分子水平對催化酶展開的研究則相對薄弱得多?？上驳氖?，隨著現(xiàn)代分析技術、現(xiàn)代生物技術(尤其是分子生物學與結構生物學)的飛速發(fā)展，這些新興技術已經開始滲透到傳統(tǒng)的生物轉化研究中來[35]?？梢灶A見，催化酶的研究將是今后生物轉化的研究熱點與發(fā)展趨勢；生物轉化也將與化學方法更緊密地結合。隨著技術的進步，生物轉化將在天然藥物研究與開發(fā)中發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻：

[1] 褚志義.生物合成藥物學[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000：259-262.

[2] Loughlin W A. Biotransformations in organic synthesis[J]. Bioresource Technology, 2000,74(1):49-62.

[3] Rozzell J D. Commercial scale biocatalysis: Myths and realities[J]. Bioorg Med Chem, 1999, 7(10):2253-2261.

[4] 張禮和.化學學科進展[M].北京：化學工業(yè)出版社,2005: 149-150.

[5] 馮冰,馬百平.天然產物的生物轉化研究進展[J].中草藥,2005,36(6): 941-945.

[6] Adachi T,Saito M,Sasaki J, et al. Microbial hydroxylation of (-)-eburnamonine byMucorcircinelloidesandStreptomycesviolens[J]. Chem Pham Bull, 1993,41(3):611-613.

[7] Tapia A A, Vallejo M D, Gouiric S C, et al. Hydroxylation of dehydroabietic acid byFusariumspecies[J]. Phytochemistry, 1997, 46(1): 131-133.

[8] Li W, Koike K,Asada Y, et al. Biotransformation of umbelliferone byPanaxginsengroot cultures[J]. Tetrabedron Letters, 2002,43(32): 5633-5635.

[9] 于榮敏.天然藥物活性成分的生物合成與生物轉化[J].中草藥, 2006, 37(9): 1281-1288.

[10] Kamel S,Brazier M,Desmet G,et al.Glucosylation of butyric acid by cell suspension culture ofNicotianaplumbaginifolia[J].Phytochemistry,1992,31(5):1581-1583.

[11] Fournier D,Hawari J,Streger S H,et al.Biotransformation ofN-nitrosodimethylamine byPseudomonasmendocinaKR1[J].Appl Environ Microbiol,2006,72(10):6693-6698.

[12] Chai W, Hamada H,Suhara J,et al. Biotransformation of (+)-and(-)-camphorquinones by plant cultured cells[J].Phytochemistry,2001,57(5):669-673.

[13] Shimoda K,Hirata T.Biotransformation of enones with biocatalysts——two enone reductases fromAstasialonga[J].Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2000,8(4-6):255-264.

[14] Lucero M E,Mueller W,Hubsten berger J,et al.Tolerance to nitrogenous explosives and metabolism of TNT by cell suspensions ofDaturainnoxia[J].In Vitro Cell Dev Biol(Plant),1999,35(6):480-486.

[15] Hughes J B,Shanks J,Vanderford M,et al.Transformation of TNT by aquatic plants and plant tissue cultures[J].Environ Sci Technol,1997,31(1):266-271.

[16] Sakui N,Kuroyanagi M,Ishitobi Y,et al.Biotransformation of sesquiterpenes by cultured cells ofCurcumazedoaria[J].Phytochemistry,1992,31(1):143-147.

[17] Chai W,Hayashida Y,Sakamaki H,et al.The biocatalytic oxidation of thujopsene by plant cultured-cells[J]. Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,2004,27(2-3):55-60.

[18] Dai J,Gong Z,Zhu D,et al.Biotransformation of gastrodin by cell suspension cultures ofCatharanthusroseus[J]. Zhiwu Xuebao, 2002, 44(3): 377-378.

[19] 嚴春艷,于榮敏.植物生物轉化技術與中藥活性化合物研究[J].食品與藥品,2005,7(10A):4-8.

[20] 王旭,徐威,游松.微生物轉化在藥學中的應用[J].沈陽藥科大學學報,2006, 23(7): 477-482.

[21] 謝春鋒,婁紅祥.天然產物的生物轉化[J].天然產物研究與開發(fā),2005, 17(5): 658-664.

[22] 張春燕,白寶星,王明蓉.甾體藥物生物轉化體系的研究進展[J].國外醫(yī)藥：抗生素分冊,2007,28(5):210-214.

[23] 余伯陽.中藥與天然藥物生物技術研究進展與展望[J].中國藥科大學學報， 2002, 33(5): 359-363.

[24] 盧定強,李衍亮,凌岫泉,等.手性藥物拆分技術的研究進展[J].時珍國醫(yī)國藥,2009,20(7):1731-1734.

[25] 胡文浩,周靜.手性,手性藥物及手性合成[J].化學教學,2009,(5):1-3.

[26] Santaniello E,Ferraboschi P,Grisenti P,et al.The biocatalytic approach to the preparation of enantiomerically pure chiral building blocks[J].Chem Rev,1992,92(5):1071-1140.

[27] 宮麗,卞俊.手性藥物的制備[J].中國藥業(yè),2008,17(23):64-66.

[28] 吳再坤,鐘宏,王微宏,等.手性藥物的活性分析與生物轉化[J].化工技術與開發(fā), 2006, 35(9): 24-27.

[29] 張憲鋒,鄭裕國.酶法拆分手性化合物HPBE[J].生物加工過程,2003,1(2):34-38.

[30] Kapoor M,Anand N,Koul S,et al.Kinetic resolution of 1-chloro-3-(1-naphthyloxy)-2-propanol,an intermediate in the synthesis ofβ-adrenergic receptor blockers[J].Bioorganic Chem,2003,31(3):259-269.

[31] 劉正威.酶法拆分技術研究[J].管理觀察,2009,(5):58.

[32] 蔣育澄,李淑妮,翟全國.手性藥物的酶催化不對稱定向合成[J].化學教育,2008,29(12):9-12.

[33] 湯亞杰,李艷,徐小玲,等.天然活性先導化合物生物轉化[J].中國生物工程雜志, 2007, 27(9): 110-115.

[34] 于德泉,吳毓林.天然產物化學進展[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2005: 368-392.

[35] 葉敏,寧黎麗,占紀勛,等.雷公藤內酯及蟾毒配基類化合物的生物轉化研究進展[J].北京大學學報(醫(yī)學版), 2004, 36(1): 82-89.