张琳，宫春杰

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430086）

天然产物是动物、植物以及微生物体内的组成成分或代谢产物，具有不同的生物学功能，在自然界中广泛存在。例如，食用天然色素主要是从动植物组织中提取；抗生素主要是微生物产生的具有抗病原体功能的次级代谢产物。目前，人们对许多天然产物的功能尚不了解，需要进一步进行探索研究。微生物作为生态环境中广泛存在的一类群体，蕴藏的天然产物是有待发现的资源宝库。

1 天然产物概述

1.1 天然产物种类

天然产物主要包括萜类、甾体、香豆素类、酮类、抗生素、色素、有机酸、蒽醌、多糖、多肽、脂肪酸以及蛋白质等[1]。近年来，研究人员关于新型天然产物开展了大量的研究工作，如尼瑞斯制药公司从海洋放线菌中发现的化合物NPI-3114和NPI-3304具有抗菌性[2]；或采用新技术提高产量，如重建菌株黑曲霉T132发酵产酒精，将转化率提高到86.8%[3]。在我国经济增长和丰富物种资源背景的推动下，天然产物的研究也获得了具有一些新类型、新结构的原创性成果。

1.2 天然产物功能

天然产物本质为次级代谢产物，结构和化学成分复杂，需其他小分子作为底物经催化反应合成，具有一定的生物活性和功能[4]。天然产物具有种类、结构和功能多样性的特点。目前，天然产物在药物开发和代谢研究中应用广泛，可用作治疗剂、化妆品和农药等，这些产品多达千种。例如，花生四烯酸可降低患肿瘤的风险，预防心脑血管病，可由嗜冷菌希瓦氏菌（Ac10）低温诱导生产[5]。海洋中由于盐浓度高、压强大、温度低，使海洋微生物具有区别于陆生微生物的代谢途径，从而生产独特的天然产物，因此海洋生物是天然产物的主要资源宝库。如海洋链霉菌（TPA0879）能够产生含有一个γ-内酯的聚酮类化合物，可有效抑制癌细胞的扩散[6]。由此可见，天然产物可用于医学治疗，或农业上用于防治有害生物，或用作药剂的模板物、引导物[4]。目前，已有不同生物种属来源的天然产物被发现并应用，如分离于细菌的抗寄生虫药伊维菌素、抗肿瘤药物博莱霉素和阿霉素，分离于短皮酵母和桔霉的抗真菌药物等。

2 微生物来源的天然产物的应用

2.1 天然产物与抗癌药物

天然产物作为药物或前体可用作抗癌药物或用于相关研究，目前，约50%的溶瘤药物来自天然产物。如卡非佐米可治疗多发性骨髓瘤，罗米地辛用于T细胞淋巴瘤的治疗，通过天然产物溶瘤剂可靶向其他分子靶标。深海皮生球菌（MT1.1和MT1.2）能够产生吩嗪类化合物，通过对K562细胞的IC50值（半抑制浓度）可以确定其可以用于肿瘤治疗研究[6]。从海绵黑松枝菌分离出类似于片胺的酚吡咯、新阿米拉林和5-羟基新阿米拉林具有抗肿瘤功能，可以抑制HIV-1整合酶和MCV拓扑异构酶[7]。

2.2 天然产物与抗心脑血管疾病

心脑血管疾病是导致人类死亡的主要原因之一，占总死亡人数的1/3，超过了其他各类癌症、传染病和意外伤害造成的死亡人数，所以降低其死亡率至关重要，其药物研究也必不可少。如他汀类药物分子康帕以及洛伐他汀是从青霉和曲霉中发现的两种天然产物分子，可抑制细胞内胆固醇的合成，从而预防和治疗冠心病[8]。

2.3 天然产物与移植

移植是一种常见的治疗手段，能引起机体的组织排斥反应，如从原核微生物提取物中分离得到镧硫磷的环状肽杜拉霉素可作为拮抗剂，抑制移植排斥反应[9]。从多孔木霉菌中发现的环孢霉素，在早期也被应用于抑制排斥反应。另外，器官移植过程中易遭受真菌感染，但不宜使用抗生素，而天然产物中有很多抗真菌化合物，并很少产生抗药性。例如，在微生物次级代谢产物中发现的白僵菌素、小檗碱以及雷帕霉素等已被广泛用于临床[10]。

2.4 天然产物与抗菌剂

日常生活中，有些微生物对人们生活可造成负面影响，发现和研究抗菌剂具有重要意义。例如，链霉菌素是从链霉菌培养物中分离，具有抗菌性能。目前，分离的抗菌化合物有丝裂霉素C、波非罗霉素、放线菌素、利福霉素和格尔丹霉等。从海洋低温环境生长的真菌康氏木霉中分离得到5个新的聚酮衍生物，分别为7-邻甲基甲酰胺和木霉酮A、木霉酮B、木霉酮C和木霉酮D，对细菌有抑制作用和协同抗真菌活性[11]。此外，被毛孢（BCC）产生的天然环肽Hirsutellide A表现出抗分枝杆菌活性[12]。

2.5 天然产物与植物促生

植物与微生物共生的关系是目前的研究热点，植物根部的微生物种类丰富，从中可以发现大量促进植物生长的物质[13]。例如，可可醇是一种环氧环己烯化合物，是从诱导马铃薯小薯的真菌培养滤液中分离而得，喷洒在马铃薯和牵牛花等植物中，可以减短块茎和花芽形成时间，故可应用于种子、花蕾等农业生产[14]。从黄丝曲霉（FS2）中释放的β-石竹烯可以刺激植物生长和提高植物抗性或耐性，且实际研究中发现其可促进白菜生长和诱导其产生抗病性[15]。此外，研究发现假单胞细菌可保证植物保持健康不感染疾病，研究微生物与植物的相互作用可以发现细菌可产生促植物生长化合物。

2.6 天然产物与抗衰老

衰老是机体退化的特征，服用有机合成药物抗衰老对人体伤害较大，而天然产物副作用小，在开发抗衰老药物上有独特的优势，目前已有几十种具有抗衰老作用的天然药物被报道。如研究人员对黄丝曲霉（ABRF2）发酵粗提物中分离得到3-甲基-4-氧代戊酸，该物质在抗衰老和抗癌的分子对接分析中，与标准药物相比具有更强的结合能力，有作为开发抗衰老药物的潜力[16]。此外，对黄乳牛肝菌的发酵物进行乙醇提取，发现其提取物具有很好的抗氧化、抗衰老、抗肿瘤活性，所以对其提取物进行分析，有进一步开发成药物的可能[17]。

3 天然产物成分分析方法

3.1 毛细管电泳法

毛细管电泳法（CE）是对多种离子化合物进行高选择性和高效分离的方法，在环境、法医、食品以及生物分析等多个领域都有应用，其原理是根据样品在介质中的电迁移率不同进行分离，具有操作简便、快速分析等特点，最常用的是毛细管区带电泳法（CZE）。将CE与其他分析分离技术结合，多用于食品、天然产物等分析中，其中与质谱法结合的分析技术应用最为普遍[18]。

生物胺是一种对人体具有伤害作用的次级代谢物，会在食品的微生物发酵过程中产生。Adımcılar等[19]将样品用三氯乙酸水溶液处理、真空过滤后，采用CE-电容耦合非接触式CE电导检测器（C4D）进行分析，在分离介质pH为2.05时可以很好地从样品中分析得到生物胺。Gatea等[20]以0.5 mol/L磷酸、0.5 mmol/L CTAB和15%甲醇为背景电解液（BGE），BGE/水（1∶1）为样品基质，对益生菌进行毛细管电泳分析，可以得到小链脂肪族有机酸和芳香族有机酸。

3.2 薄层扫描法

薄层扫描法（TLCS）是采用可见光或紫外线照射经薄层层析的薄层色谱板，对有吸收或能产生荧光或能淬灭荧光的层析斑点扫描，对扫描的图谱进行定量分析。TLCS操作简便、样品检测快速，且检测的结果准确可靠，可广泛应用于不同领域中的成分分析[21]。

倪孟祥等[22]应用薄层色谱法测定南极放线菌N-I的代谢产物对α-葡萄糖苷酶的抑制活性，得到南极放线菌N-I发酵液中的抑制剂含量为91.6%，且相对于高效液相色谱法进行初度分析的结果更为接近事实。

3.3 色谱法

色谱法在各个分析领域是重要的分析手段，利用样品在流动相和固定相之间的分配系数不同达到分离的目的，或利用样品与流动相或固定相之间相互作用的性质不同，同时分离不同种类的分子。常用的色谱法分为气相色谱法和高效液相色谱法。

3.3.1 气相色谱法

气相色谱法是通过将少量样品快速蒸发为气体，与惰性气体混合流动进入色谱柱，由于气相中的各组分在固定相之间的分配系数不同进行分离。该方法具有分辨率高、灵敏度高、样品用量少、可快速分析的特点，但是操作复杂，成本高。在此基础上发展的微气相色谱具有生产和维修成本低、体积小、耗能少等优点。

Salmerón等[23]采用顶空气相色谱法对乳酸菌发酵谷物基质进行分析。对发酵液进行pH调节和蒸发，收集器收集挥发性物质并提取500 μL的顶空样品，用检测器进行分析，得到乳酸菌发酵物中含有挥发性风味物质乙醛、丙酮和乙酸乙酯等，同时对这些挥发性物质进行定量分析。

3.3.2 高效液相色谱

高效液相色谱（HPLC）是对混合物或溶解在样品溶液中的目标成分进行分析，采用高压液流将流动相从装有固定相的色谱柱的一端泵入，固定相位于塔底端，另一端与加压流动相相连接，通过流动相中目标溶质分子与其他溶质分子分别与固定相的相互作用性质的不同进行分析。在气相色谱中不能加热的物质可采用HPLC法分析，其具有高度敏感、高性能等特点，但不适用于某些特定的化合物。例如，Du等人[24]利用HPLC-ESI-MS/MS联用技术可以分析橄榄小单孢菌发酵过程中氨基环己醇-氨基糖苷类生产途径中产生的生物合成同系物，实现了对橄榄枝菌发酵过程中产生的10种生物合成中间体的同时分析。

3.4 质谱法（MS）

质谱法是利用样品中各成分在被辐照或电离效应之后获得更高的能量变成离子状态，该状态在电场和磁场的作用下，可按照质荷比的大小进行分离，得到的质图谱与标准图谱进行比较即可对化合物进行分析[25]，常与其他技术联用。例如，可与液相色谱法联用分析天然产物成分，与气相色谱联用检测化合物等，同样都具有操作简单、快速检测、检测限低等优点。李园园等[26]将从土壤中分离纯化出的178株放线菌分开进行发酵，对于每株放线菌的发酵液在乙醇提取后通过HPLC-MS分析，发现 41株放线菌的发酵产物具有抗菌活性。

4 结语

天然产物占所有治疗性化合物的1/3～2/3，这些天然产物从自然界分离出来，部分被直接作为产品使用，部分作为半合成衍生物使用，并且其中约35%来源于微生物。所以微生物天然产物仍然是天然产品的重要来源，然而海洋、两极中的低温微生物往往被人类忽视。在天然产物的潜在来源中，细菌已被证明是重要来源[27]。此外，在海洋真菌系统发育多样化报道中，已发现100多种真菌可以代谢出用于药物生产的活性物质。但真正用于生产实践的低温微生物资源很少，因此加大开发与利用低温微生物资源对人类社会的发展有积极的意义。