來自海洋的藥物 Part 3
海洋微生物及浮游植物（Marine microorganisms and phytoplankton）
最近幾十年來，有關海洋微生物的研究領域成為許多研究的焦點，而且從這個領域中得到分離與鑑定的嶄新化合物也越來越多。第三集的「來自海洋的藥物」將以一些來自海洋微生物及浮游植物中所萃取得到的化合物拉開序幕。
研究人員發現一種放線菌（actinomycete），Micromonospora sp. 它來自 Didemnum proliferum（Shishijima Is., Japan），會製造一種名為 Diazepinomicin 1 的「二苯二氮平」（dibenzodiazepine）生物鹼（alkaloid）類化合物。
圖1. Didemnum proliferum 海鞘
圖2. Didemnum proliferum 海鞘
圖3. Diazepinomicin 結構
此化合物對於革蘭氏陽性（G(+)）細菌具有抑制的效用1。
此外，在 2003 年時也有一篇期刊報導從這個海鞘類（ascidian）中分離出一種共軛「烯二炔」（enediyne）類的抗生素，這個抗生素被命名為 Shishijimicins，它具有三個家族，分別是 Shishijimicins A-C 2～4。在結構上它不僅帶有一種嶄新的糖類（算是一種由六醛糖的衍生物），同時也接有一個 beta-carboline 的結構。這些結構則共同接到 calicheamicinone aglycone 上。最重要的是，Shishijimicins 對 HeLa 癌細（HeLa cell）胞具有相當驚人的細胞毒殺性（cytotoxicity）能力，其半致效濃度僅僅 1.8～6.9 pM 而已2。
圖4. Shishijimicins 家族結構
其實擁有「共軛烯二炔」這類結構的化合物在上個世紀，約莫是 60 年代時就已經被發現而且對其展開研究了。而在 70 年代時，Bergman 研究了共軛烯二炔類化合物的成環反應，他認為這個結構之所以可以生成，是因為它自身先通過芳基雙自由基的中間體後，再獲得兩個氫原子的機轉進行的，只是在當時並未應用於生物學或藥理方面的研究3。到了 1985 年左右，Edo 等人則發現了一種新的制黴菌素（Neocarzinostatin NCS）具有抗癌、抗菌的功效，重要的是這個化合物中亦含有新型態的烯二炔新骨架結構4，不過一樣地，這個發現依舊沒引起人們的重視。時至 1987 年，Lee M D 和 Golik J 研究團隊發現了天然產物 Calicheamicins 和 Esperamicins 具有抗癌抗菌的生理活性，它們的結構中都帶有共軛烯二炔骨架5，並在以後的研究中，陸續發現了具有該功效的含共軛烯二炔結構特徵的天然產物，如：Dynemicin，Kedarcidin Chromophore，C-1027 chromophore 類等。雖然具有共軛烯二炔結構的天然產物是目前所知的抗癌抗菌功效最強的化合物之一，但因其不穩定且具有毒性，很少被應用於臨床。因此如何設計並合成出具有良好生理活性，穩定低毒，可應用於臨床的化合物，正是目前所有化學家們努力的目標。
圖5. 具有共軛烯二炔結構的天然物
上圖中所列的結構都具有共軛烯二炔，其中 Calicheamicins 和 Esperamicins 分別是從 Micromonospora echinospora ssp calichensis 和 Actinomadura verrucosospora 培養液中分離得到的共軛烯二炔類抗菌素；Dynemicin 是從 Micromonspora chersina 培養液中分離得到的紫色抗癌抗菌素，其絕對構型已由光譜及 X-光繞射所確定；Kedarcidin chromophore 是從 Actinomycete 中得到的；至於 C-1027 則是從 Streptomyces globisporus C-1027 中分離出來的，因此才會命名為 C-1027。早在 1965 年 Ishida 等就已經從 streptomyces carzinostaticus var F-41 中分離出新抗黴菌素 Neocarzinostatin NCS 了，只不過一直到 1985 年其生理活性才被 Edo 發現。
這些天然產物的結構特徵是共軛烯二炔骨架擁有可以摧毀生物目標的能量，但在啟動前被有效地控制著；結構中所有的「糖片段」是作為一種類似導航系統，彷彿攜帶著致命的彈頭到達預定的目標 DNA；而「硫醚鍵」（結構中黃色部分）扮演著啟動者的作用。當烯二炔產生的雙自由基與 DNA 的雙鏈作用時，便奪去氫原子，使 DNA 雙鏈裂解，造成無法修復的損傷，從而起到抗癌抗菌功效。自共軛烯二炔類天然產物的生理活性被發現至今，許多優秀合成小組如 K. C. Nicolaou，S. J. Danishefsky 等在其全合成方面取得了令人矚目的成就，如 Calicheamicins 類、Esperamicins 類、Dynemicins 類等等的化合物已被全合成製造出來5-7。
圖6. DNA 雙股螺旋進行複製時會先反轉成為個別的單股，然後以此為模版進行複製，之後形成新的 DNA chain 後再度成為螺旋狀。
圖7. 而具有共軛烯二炔結構的天然物自身則會形成一苯環結構，然後釋放出自由基，該自由基電子會與 DNA 反應，使 DNA chain 自身發生偶合反應，造成 DNA chain 複製中斷。
而另一種由海床沈積物中（laguna de Terminos, Gulf of Mexico）所分離得到的 Streptomyces 物種中則含有一種名為 Gutingimycin 5 的化合物 8。結構中很明顯的可以看到它具有一個高極性的 trioxacarcin 結構，而此結構的絕對立體化學則經由 X-ray 繞射所決定9。當然，跟許多天然物一樣，這樣的結構並不是為一單獨存在的，它還有一些衍生物而形成一個家族，分別是 Gutingimycin A-F8,10-12。化合物 5 對於廣泛的微生物來說都具備著相當強的抑制性能力10-12。
圖8. Gutingimycin 結構
值得一提的是一種名為 Petrobactin sulfonate 的化合物 6，它屬於 petrobactin，是從海洋細菌 Marinobacter hydrocarbonoclasticus13,14 中所分離得到。因為在過去的研究中顯示，炭疽菌 anthrax bacteria 會製造兩種細菌素，分別是 Bacillibactin 與 Petrobactin，用來奪取人類運鐵蛋白（transferrin）鐵質以增進自己分裂增生的速度。而這個由炭疽菌所產生的 petrobactin ，其衍生物之一就是化合物 6。而化合物 6 目前是第一個海洋含鐵細胞（siderophore）中包含有硫酸根 3,4-二羥基芳香環的化合物。
圖9. 由炭疽菌所產生的一種細菌素 Bacillibactin 之結構
圖10. Petrobactin sulfonate 結構
一種來自日本海中的放線菌，Verrucosispora sp.（deep sediment，Sea of Japan），會產生一種名為 Abyssominins B-D（結構 7～9）的化學成分。
圖11. Verrucosispora sp. 一種放線菌電子顯微鏡圖
圖12. Abyssominins 家族之結構
其中 Abyssomicin C（結構 8）具有對革蘭氏陽性菌（G(+)）相當強的抑制效果，它同時也是 chorismic（一種莽草酸的衍生物）及 對-胺基苯甲酸（PABA）代謝途徑中的抑制劑15。
另外，科學家在一種名為 Petrosia ficiformis（Elba，Italy）海綿當中
圖13. Petrosia ficiformis 海綿
圖14. Petrosia ficiformis 海綿
圖15. Petrosia ficiformis 海綿
所存在的一種 Penicillium brevicompactum 菌株中所分離得到的兩種新的環狀胜肽 Petrosifungins A（結構 10）及 B（結構 11）化合物，這兩個結構中都具有相鄰的 L-pipecolinic acid 之胺基酸，這樣的結構在自然界中也是比較少見到的16。
圖16. Penicillium brevicompactum 菌株
圖17. 由 Petrosia ficiformis 海綿中所分離得到的天然物 Petrosifungins A 及 B 之結構
參考文獻：
1. R. D. Charan, G. Schlingmann, J. Janso, V. Bernan, X. Feng and G. T. Carter, J. Nat. Prod., 2004, 67, 1431.
2. O. Naoya, M. Shigeki and F. Nobuhiro, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 2044 -2045.
3. a) Jones R R, Bergman R G. J. Am. Chem. Soc., 1972, 94, 660-661. b) Lockhart T P, Bergman R G. J. Am. Chem. Soc., 1981, 103, 4082-4096.
4. Edo K, Mizugaki M, Koide Y, et al. Tetrahedron Lett., 1985, 26, 331-334.
5. a) Grissom J W, Gunawardena G U, Klingderg D. Tetrahedron, 1996, 52, 6453-6518. b) Lee M D, Dunne T S, Siegel M M. J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 3464-3465. c) Golik J, Dubay G et al. J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 3461-3463. d) Chatterjee M, Gramer K D, Townsend C A. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 3374-3375.
6. Martin E M, Folkert B, Andre J N. Eur. J. Org. Chem., 1999, 1, 1-13.
7. a) Kappen L S, Goldberg I H, Wu S H. Biochemistry, 1983, 22, 4872-4878. b) Nicolaou K C, Dai W M. Argew. Chem. Int. Ed. Engl., 1991, 30, 1387-1530.
8. R. P. Maskey, M. Sevvana, I. Usón, E. Helmke and H. Laatsch, J. Antibiot., 2002, 55, 1031.
9. R. P. Maskey, M. S. I. Usón, E. Helmke and H. Laatsch, Angew. Chem., Int. Ed., 2004, 43, 1281.
10. F. Tomita, T. Tamaoki, M. Morimoto and K. Fujimoto, J. Antibiot., 1981, 34, 1519.
11. T. Tamaoki, K. Shirahata, T. Iida and F. Tomita, J. Antibiot., 1981, 34, 1525.
12. K. Shirahata, T. Iida and N. Hirayama, Tennen Yuki Kagobutsu Toronkai Koen Yoshishu, 1981, 24, 199.
13. K. Barbeau, G. Zhang, D. H. Live and A. Butler, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 378.
14. R. J. Bergeron, G. Huang, R. E. Smith, N. Bharti, J. S. McManis and A. Butler, Tetrahedron, 2003, 59, 2007.
15. J. Riedlinger, A. Reicke, H. Zähner, B. Krismer, A. T. Bull, L. A. Maldonado, A. C. Ward, M. Goodfellow, B. Bister, D. Bischoff, R. D. Süssmuth and H.-P. Fiedler, J. Antibiot., 2004, 57, 271.
16. G. Bringmann, G. Lang, S. Steffens and K. Schaumann, J. Nat. Prod., 2004, 67, 311.