综述：氨基糖苷类的生物合成与生物技术工程：合成途径、相关酶及工业应用前景

氨基糖苷类抗生素（AGs）的生物合成途径及酶工程优化策略研究，重点分析氨基环醇核心形成、糖基化修饰及 tailoring 改造等关键酶促步骤，探讨合成生物学与代谢工程在提升AGs立体选择性、降低毒性和抗耐药性方面的应用潜力，总结绿色生物制造与理性设计AG衍生物的未来方向。

　　

作者：苏耀武、卢娜、张蕾、李芳雅、于小蕾、王娟、高文远、张环宇 河北省中医药大学传统中药加工技术创新中心，石家庄，050200，中国

摘要

氨基糖苷类（AGs）是一类自20世纪50年代以来在医学上广泛使用的抗生素。使用传统化学方法进行高度立体选择性的修饰仍然存在挑战。生物合成方法通过微生物中的基因编码途径实现AGs的酶促合成，提供了一种更高效、更具选择性和环保的替代方案。已经阐明了关键AGs（如新霉素（NEO）、卡那霉素（KAN）、庆大霉素（GEN）、妥布霉素（TOB）、阿普拉霉素（APR）和西索霉素（SIS）的生物合成路线，这些路线包括氨基环醇核心的形成、糖基化以及后续的修饰步骤。由于对细菌耐药性、肾毒性和耳毒性的日益关注，修改酶或重新编程合成途径的生物技术方法为开发下一代AGs提供了有前景的策略。本文总结了AGs生物合成的最新进展，重点介绍了基于酶的方法，并概述了通过生物技术实现AGs工业化生产和合理设计衍生物的未来方向。

引言

天然次级代谢产物具有多样的结构和生物活性，已成为药物开发的重要资源。其中，糖苷在自然界中储量丰富，广泛应用于医药、食品、表面活性剂和化妆品领域。例如，N-(α-D-葡萄糖吡喃糖基)水杨酰肼（NGSH）已被证明具有抗癌作用[1]。氨基糖苷类（AGs）是一类主要的糖苷，通常包含两个或更多氨基修饰的糖单元，这些糖单元连接在一个氨基环醇核心上。天然AGs是重要的抗生素和高效的RNA配体[2][3][4]，它们通过靶向RNA抑制细菌中的蛋白质合成，最终导致细菌死亡[5]。AGs因其对多种细菌的强活性而被广泛用于治疗严重感染，尤其是新生儿败血症[6]。由于其商业可用性、高效率和低成本，AGs一直是研究的热点。 AGs最早于20世纪40年代在自然界中被发现。迄今为止，已有20多种天然AGs被用于临床治疗[7]。链霉素（STR）来自Streptomyces griseus，是1943年首次鉴定出的天然AG抗生素。随着技术的进步，越来越多的AGs被分离和鉴定出来，包括新霉素（1949年，来自Streptomyces fradiae）、卡那霉素（1957年，来自Streptomyces kanamyceticus）、庆大霉素（1963年，来自Micromonospora echinospora）、妥布霉素（1968年，来自Streptomyces tenebrarius）、阿普拉霉素（1968年，来自Streptoalloteichus tenebrarius、Streptoalloteichus hindustanus和Saccharopolyspora hirsuta）以及西索霉素（1970年，来自Micromonospora inyoensis）（图1）[8]。为了克服细菌耐药性和降低毒性，半合成AGs得到了广泛研究，其中值得注意的例子包括迪贝卡辛（1975年，源自卡那霉素）、阿米卡辛（1977年，源自卡那霉素）、奈替米星（1985年，西索霉素的衍生物）、异帕米星（1988年，源自庆大霉素）和阿贝卡辛（1990年，基于迪贝卡辛）[9]。 进入21世纪后，天然AGs的化学合成受到了广泛研究[10][11]。人们不断努力实现立体选择性的糖基化。例如，从苯开始，通过一系列十个线性反应（包括铜催化的、对映选择性的脱芳香化氢胺化）实现了异原子的高效精确引入，从而合成了(+)-利福霉素[12]。位点特异性的化学糖基化通常较为复杂，选择性较低。传统的路易斯酸促进的引入碱性氮的糖基化方法具有挑战性[13]。此外，修饰AGs涉及大量的保护与去保护步骤，导致合成过程漫长且原子和步骤效率低下[14]。近年来，环境问题逐渐受到关注，因此迫切需要开发使用温和、环保且成本效益高的合成方法。随着合成生物学的进步，AGs的生物合成引起了越来越多的兴趣。合成生物学为AGs的开发提供了高特异性、高催化活性和绿色方法[15]。另一方面，合成生物学和代谢工程的努力倾向于优先开发毒性较低的衍生物。 尽管AGs的化学合成已经得到了系统的综述[11]，但在过去十年中发表的几篇综述也涉及了AGs的生物合成和生物技术生产方面的内容[16][17][18]。本文旨在通过系统地连接天然AGs及其衍生物的结构特征、生物活性和生物合成途径，提供一个独特而综合的视角，而不是重复这些工作。特别是，我们强调了通过生物合成和酶工程策略引入的特定结构修饰如何影响抗菌活性、耐药性和毒性，从而为下一代AGs的合理设计提供依据。此外，本文还强调了途径工程、绿色生物制造和生物降解策略的最新进展，这些领域在之前的综述中尚未在统一的框架下进行过全面讨论。通过整合生化、结构和工程学的视角，本文旨在补充现有文献，并概述下一代AGs可持续发展的关键挑战和未来方向。

结构鉴定

AGs由一个含有多个氨基基团和糖单元的氨基环醇核心组成（图2）[19]。AGs的抗菌活性与氨基基团的数量和位置密切相关，而羟基基团的影响较小。AGs通过与小核糖体亚单位中的16S rRNA结合来发挥作用，干扰蛋白质合成并最终导致细胞死亡。这些抗生素被归类为具有多种结构的杀菌剂。链霉素（STR）就是一个含有氨基环醇核心的例子。

活性与结构多样性

植物和微生物是天然产物合成的工程师[22]。大多数AGs是由放线菌天然产生或半合成的[23]。由于广谱抗菌活性、强抗菌效力[24]和优异的抗生素后效应（PAE），AGs在20世纪60年代和70年代被广泛引入临床应用。半个多世纪以来，它们一直是临床和农业领域使用最广泛的抗生素[25]。

氨基糖苷类的生物技术生产

AGs是一类伪寡糖，其特征是环醇核心与多个氨基糖相连。作为天然产物，它们的生物合成过程复杂且受到严格调控。典型的生物合成步骤包括环醇核心的形成、糖基化和氨基基团的引入。首先，糖基转移酶、脱乙酰酶、脱氢酶和氨基转移酶催化寡糖骨架的逐步构建。随后的修饰反应包括……

未来展望

自20世纪80年代以来，第三代喹诺酮类抗生素（如诺氟沙星和环丙沙星）已在临床实践中使用。同时，第三代和第四代头孢菌素（如头孢他啶和头孢吡肟）也迅速出现。由于这些药物的强抗菌活性，AGs在临床上的使用逐渐减少。尽管在化学修饰方面付出了大量努力，但这种方法仍面临挑战……

结论

近年来，通过对传统AGs的深入研究和新AGs的开发，人们对这些化合物的兴趣重新兴起。AMK、GEN和KAN等化合物的生物合成途径逐渐明确，导致了许多糖基转移酶、甲基转移酶和其他酶的发现。此外，正在开发新一代AG衍生物，以减少抗生素耐药性和毒性并提高生物降解性。合成生物学方法为AGs的发展提供了新的途径…… 苏耀武：撰写——综述与编辑、初稿撰写、概念构思。 卢娜：撰写——综述与编辑、初稿撰写、概念构思。 张蕾：指导。 李芳雅：指导。 于小蕾：指导。 王娟：资金获取。 高文远：资金获取。 张环宇：指导、资金获取、概念构思。 作者声明没有利益冲突。 作者感谢以下项目的财政支持：河北省农业研究系统（HBCT2024110201、HBCT2024110205）、国家自然科学基金（22407069）、山东省自然科学基金（ZR2023QB246）、山东省医疗与健康技术项目（202302021586、2024020410491）、山东省妇幼保健青年科技创新项目（SFYZXJJ-2024018、SFYZXJJ-2024026）。

2-DOS

2-脱氧链丝菌胺

AACs

氨基糖苷酰转移酶

ABK

阿贝卡辛

AcPM

2'-N-乙酰-PM

AD

厌氧消化

AGs

氨基糖苷

AGAs

氨基糖苷类抗生素

AHB

γ-氨基羟基丁酸

AHBA

4-氨基-2-羟基丁酸

AMEs

氨基糖苷修饰酶

AMK 阿米卡辛

APR 阿普拉霉素

ANTs 氨基糖苷核苷酸转移酶

APH 氨基糖苷磷酸转移酶

ARGs 抗生素耐药基因

BGC 生物合成基因簇

CF 囊性纤维化

CTB 羰基妥布霉素

DBK 迪贝卡辛

GA 庆大霉素A

GA2 庆大霉素A2

GB