Microbial-Catalyzed Biotransformation of Multifunctional Tirterpenoids Derived from Phytonutrients
- 作者
- Syed Adnan Ali Shah, Huey Ling Tan, Sadia Sultan, Muhammad Afifi Bin Mohd Faridz, Mohamad Azlan Bin Mohd Shah, Sharifah Nurfazilah, Munawar Hussain
- 单位
- Faculty of Pharmacy, Universiti Teknologi MARA (UiTM), Puncak Alam Campus; Atta-ur-Rahman Institute for Natural Products Discovery (AuRIns), Universiti Teknologi MARA (UiTM); Faculty of Chemical Engineering, Universiti Teknologi MARA (UiTM); Department of Basic Sciences, DHA Suffa University
- 杂志
- International Journal of Molecular Sciences（2014）
- DOI
- 10.3390/ijms150712027
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用微生物（细菌和真菌）催化生物转化，对结构复杂的三萜类天然产物进行化学、区域和立体选择性修饰，以获得具有生物活性的半合成类似物和新先导分子，克服化学合成中区域选择性和立体选择性差、多步反应总产率低的问题。
研究策略
综述了近年来微生物（主要是丝状真菌和细菌）催化四降三萜、四环三萜和五环三萜类底物生物转化的研究进展，总结了不同菌株对三萜骨架的羟基化、氧化、还原、内酯化、糖基化等反应的选择性。
核心内容
该综述系统总结了微生物催化三萜类天然产物生物转化的研究进展，重点梳理了丝状真菌与细菌对不同三萜骨架（四降三萜、四环三萜和五环三萜）的化学、区域及立体选择性修饰能力。文中指出，微生物转化可在温和条件下实现化学合成难以完成的12β/17β羟基化、重排及Baeyer-Villiger氧化等反应，并提供了大量产物结构鉴定数据。关键结果方面，Mucor sp. M881可选择性转化柠檬苦素类底物为12β或17β羟基衍生物；nigranoic acid经Trichoderma sp. JY-1转化后产物70和71的抗HIV EC50分别为8.8和7.6 mg/mL，治疗指数达9.12和10.1；化合物155（betulone）的抗氧化活性较betulin提高2倍。此外，约65%抗菌药和41%抗癌药源自天然产物或其半合成衍生物。该工作表明微生物转化是制备结构复杂且具生物活性的三萜类似物的高效绿色途径，通过菌株改良与发酵优化有望进一步降低生产成本，推动其在药物开发中的商业化应用。
创新点
系统总结了不同真菌和细菌菌株对三萜类底物的化学、区域和立体选择性修饰能力；指出微生物转化可在温和条件下实现挑战性的12β/17β羟基化、重排、Baeyer-Villiger氧化等反应；并提供了大量产物结构鉴定数据。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mucor sp. M881 (NCIM 881) | 柠檬苦素（tetranortriterpenoid）生物转化 | — | — | 催化 | 对azadiradione、epoxyazadriadione、gedunin等底物进行12β或17β选择性羟基化 |
| Cunninghamella blakesleeana NRRL 1369 | 环黄芪醇（cycloastragenol）生物转化 | — | — | 催化 | 催化环黄芪醇重排为ranunculane骨架，并进行羟基化、开环等反应 |
| Glomerella fusarioides ATCC 9552 | 环黄芪醇生物转化 | — | — | 催化 | 产生羟基化和3,4-开环产物 |
| Mycobacterium sp. NRRL 3805 | 环黄芪醇生物转化 | — | — | 催化 | 24小时内氧化环黄芪醇 |
| Cunninghamella elegans AS 3.1207 | 环黄芪醇生物转化 | — | — | 催化 | 产生多种区域选择性羟基化代谢物 |
| Syncephalastrum racemosum AS 3.264 | 环黄芪醇及熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 对环黄芪醇产生羟基化、羰基化、酯化及扩环产物；对熊果酸产生羟基化和内酯化产物 |
| Doratomyces stemonitis AS 3.1411 | 环黄芪醇生物转化 | — | — | 催化 | 产生3-羰基化产物 |
| Mucor spinosus AS 3.3450 | 20(S)-原人参二醇（20(S)-protopanaxadiol）生物转化 | — | — | 催化 | 产生8个12-氧代羟基化代谢物 |
| Aspergillus niger AS 3.1858 | 20(S)-原人参二醇生物转化 | — | — | 催化 | 产生7个羟基化、脱水及乙氧基化代谢物 |
| Bacillus megaterium ATCC 13368 | 二萜类（dipterocarpol）羟化 | — | CYP106A2 | 催化 | 催化dipterocarpol生成7β-羟基和7β,11α-二羟基产物 |
| Bacillus megaterium（重组P450全细胞催化剂） | 11-酮-β-乳香酸（KBA）羟化 | — | 重组细胞色素P450酶 | 催化 | 选择性催化KBA 15α-羟基化 |
| Dictyosporium heptasporum YMF1.01213 | 南五味子酸（nigranoic acid）生物转化 | — | — | 催化 | 产生九元内酯环及甲氧基化衍生物 |
| Trichoderma sp. JY-1 | 南五味子酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生15α,16α-二羟基及重排产物，产物70/71具抗HIV活性 |
| Fusarium lini NRRL-68751 | 齐墩果酸（oleanolic acid）生物转化 | — | — | 催化 | 产生山楂酸（maslinic acid）和2α,3β,11β-三羟基齐墩果酸 |
| Colletotrichum lini AS3.4486 | 齐墩果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生15α-羟基齐墩果酸 |
| Alternaria longipes | 齐墩果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生6个羟基化和糖基化产物，其中79等对HeLa细胞有细胞毒活性 |
| Penicillium adametzii | 齐墩果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生21β-羟基、7α,21β-二羟基及糖基化产物 |
| Mucor rouxii | 齐墩果酸及羽扇豆醇（lupeol）生物转化 | — | — | 催化 | 对齐墩果酸产生7β/21β羟基及3-氧代产物；对lupeol产生含氧衍生物 |
| Rhizomucor miehei CECT 2749 | 齐墩果酸和山楂酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生30-羟基化及内酯化产物，如quercetaroic acid、canthic acid |
| Trichothecium roseum | 齐墩果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生15α-羟基和7β,15α-二羟基-3-氧代产物 |
| Streptomyces griseus ATCC 13273 | 齐墩果烷型五环三萜（oleanolic acid、3-氧代齐墩果酸、3-乙酰齐墩果酸、esculentoside A、phytolaccagenin）生物转化 | — | — | 催化 | 催化C-4和C-20甲基氧化、C-28羧基甲基酯化等反应 |
| Aspergillus ochraceus CICC 40330 | 齐墩果烷型五环三萜糖基化 | — | — | 催化 | 催化C-28羧基糖基酯化，如生成28-O-β-D-葡萄糖苷 |
| Absidia glauca | 3-氧代齐墩果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生1β、11α、21β羟基化及内酯化新产物 |
| Cunninghamella blakesleeana CGMCC 3.910 | 山楂酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生7β、15α羟基化及四羟基化产物 |
| Syncephalastrum racemosum CGMCC 3.2500 | 熊果酸（ursolic acid）生物转化 | — | — | 催化 | 产生5个极性代谢物，其中118和120具有抗HCV活性 |
| Umbelopsis isabellina（内生真菌） | 熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生11-烯-28,13-内酯及1β/7β羟基化产物 |
| Nocardia sp. NRRL 5646 | 熊果酸及白桦脂酸衍生物生物转化 | — | — | 催化 | 催化甲基酯化、3-氧化脱氢、α-羟基乙酰化等反应 |
| Nocardia sp. 45077 | 熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生熊果酮酸和3-氧代-1,12-二烯衍生物 |
| Nocardia sp. 46002 | 熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 仅产生熊果酮酸 |
| Aspergillus flavus ATCC 9170 | 熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 氧化3-羟基生成3-氧代熊果酸 |
| Pestalotiopsis microspora（内生真菌） | 熊果酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生15α,30-羟基化及3,4-开环产物 |
| Aspergillus ochraceus（未注明菌株） | 羽扇豆醇（lupeol）生物转化 | — | — | 催化 | 产生两个氧化衍生物134和135 |
| Cunninghamella blakesleeana AS 3.970 | 18β-甘草次酸及11-酮-β-乳香酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生7β-羟基、二羟基及多种氧化产物，部分具抗菌和NO抑制活性 |
| Mucor polymorphosporus | 18β-甘草次酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生6β,7β-二羟基、27-羟基、24-羟基及7α-羟基产物 |
| Absidia pseudocylindrospora ATCC 24169 | 18β-甘草次酸生物转化 | — | — | 催化 | 产生7β,15α-二羟基、3-氧代、15α-羟基等产物 |
| Gliocladium viride ATCC 10097 | 18β-甘草次酸生物转化 | — | — | 催化 | 与Absidia等共同转化甘草次酸产生多种羟基化产物 |
| Cunninghamella echinulata ATCC 8688a | 18β-甘草次酸生物转化 | — | — | 催化 | 转化甘草次酸产生13β-羟基-7α,27-氧桥产物等 |
| Armillaria luteo-virens Sacc QH | 白桦脂醇（betulin）氧化 | — | — | 催化 | 6天内将白桦脂醇转化为白桦脂酸 |
| Aspergillus foetidus ZU-G1 | 白桦脂醇氧化 | — | — | 催化 | 6天内将白桦脂醇转化为白桦脂酸 |
| Aspergillus oryzae | 白桦脂醇氧化 | — | — | 催化 | 6天内将白桦脂醇转化为白桦脂酸 |
关键发现
- 微生物转化可实现三萜类底物的高度区域和立体选择性修饰。例如，Mucor sp. M881可将柠檬苦素类底物选择性转化为12β或17β羟基衍生物
- nigranoic acid经Trichoderma sp. JY-1转化后产物70和71的抗HIV EC50分别为8.8和7.6 mg/mL，治疗指数为9.12和10.1
- 化合物155（betulone）的抗氧化活性比betulin高2倍。此外，约65%的抗菌药和41%的抗癌药来源于天然产物或其半合成衍生物。
研究结论
微生物催化生物转化是制备结构复杂、具有生物活性的三萜类化合物的高效绿色途径，可产生具有商业化价值的药物和先导分子；未来通过菌株改良、遗传工程和发酵优化可进一步降低生产成本，使微生物转化在药物开发中更具竞争力。