紫色杆菌素是微生物产生的一种代谢产物，它属于吲哚衍生物，是非水溶性的蓝黑色色素，由两个色氨酸分子氧化缩合而成。

紫色杆菌素早在19 世纪就已被发现[1]。早期研究表明，色素能增加不产色素微生物的呼吸强度，从而认为是一种呼吸色素；由于高色氨酸浓度对菌体有损害，所以色素的合成与色氨酸调控有关，然而，在复杂的完全培养基中又有不产色素菌落，这表明色素对菌体的生存是非必需的次级代谢产物。

近年来，随着研究的深入，紫色杆菌素展示出很重要的生物活性，可以作为潜在的抗肿瘤、抗病毒药物及生物染料，有广阔的应用前景，特别是近几年，越来越受到人们的关注。图2 是近80 年来美国国立生物技术信息中心（NCBI）收录的紫色杆菌图2 NCBI 收录的紫色杆菌素相关文章统计（截止2007 年10 月1 日）素相关文章的统计。

产紫色杆菌素的微生物种类

从19 世纪人们发现Chromobacterium violaceum能够产紫色杆菌素这一现象以来[1]，又有不同的产紫色杆菌素微生物陆续被发现，但全部都属于细菌，其中包括Moss 等[2]1978 年从河水中发现的 C.fluviatile，1956 年Sneath[3]发现的Janthinobacteriumlividum，1985 年McCarthy 等[4]发现的Alteromonasluteoviolacea ， 及2002 年Egan 等[5] 发现的Pseudoalteromonas tunicata，2005 年温露等[6]在我国南海中分离到的P. sp.。

在已发现的产紫色杆菌素的菌株中，对C.violaceum 的研究最为广泛，同时发现C. violaceum是一个对动物及人类的机会致病菌[7－15]，能够导致致命的败血病[7,16]。

1.紫色杆菌素的结构及生物合成途径

从1867 年发现C. violaceum 以来，人们对紫色杆菌素提取纯化进行了研究[17－18]。1959 年，DeMoss等[19]发现色素中除了紫色杆菌素外还有另外一种含量较少的物质——脱氧紫色杆菌素（deoxyviolacein）。Ballantine 等[20]用降解及再合成的方法解析了紫色杆菌素及脱氧紫色杆菌素的化学结构（图1），后来用光谱分析的方法得到了证明[21]。

解析紫色杆菌素生物合成途径研究经过了一个很长的过程。起初，通过研究色氨酸及一些吲哚衍生物对紫色杆菌素合成的刺激来推测细菌体内合成途径[22－26]。Momen 及 Hoshino [27]用同位素标记的底物进行培养实验，发现紫色杆菌素中所有的C、H、N原子都来自色氨酸分子。羟化作用发生在色素合成的第一步，产生中间产物5-羟基色氨酸，说明分子氧参加这个氧化过程，也证明好氧条件对于紫色杆菌素的产生是必要的[22－25, 27]。在色素合成后期一个色氨酸的脱羧反应可能发生，进而产生紫色杆菌素及相关的化合物[22, 27]。2003 年，C. violaceum 全基因组测序完成[28]，为紫色杆菌素合成途径解析及应用提供了保证。但起初认为有4 个相关基因控制整个紫色杆菌素的生物合成[29－30]，直到最近，第5 个基因才得以发现[31－33]，整个代谢途径基本明朗化。

从目前研究结果[24－26, 31－34]来看，紫色杆菌素的整个合成途径中涉及5 个基因，且分布在同一转录单元（图3），根据不同酶的催化顺序，紫色杆菌素合成过程可分为以下5 个步骤（图4）

，相关的酶及其功能总结如表1 所示。

（1）VioA 酶对L-色氨酸氧化反应

VioA 是L-色氨酸氧化酶，相对分子质量为48kDa，依赖FAD。L-色氨酸是合成紫色杆菌素的唯一前体，当FAD 存在时，L-色氨酸经VioA 氧化脱氨，生成吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvic acid，IPA），体外该反应的最适pH 值为9.25。IPA 在NH4+存在时自发与异构体IPA亚氨互变（酮式与烯醇式互变）。

（2）VioB 酶对IPA 氧化反应

VioB 是一个氧化酶，相对分子质量为111 kDa，以二聚体形式存在，在反应体系pH 值7.0 时功能上类似星孢菌素（staurosporine）合成酶StaD、蝴蝶霉素（rebeccamycin）合成酶RebD，能够合成chromopyrrolic acid（CAP）。以IPA 作为底物时VioB 酶反应的Km（Km 表示酶促反应速度最大速率一半时的底物浓度）为450 μmol/L，但在pH 值9.25时不能产生CAP。体外实验表明，VioB 可能是紫色杆菌素整个合成过程的限速酶，体外表达时培养基中添加亚铁血红素前体δ-氨基乙酰丙酸和硫酸亚铁铵VioB 才有生物活性。VioB 还具有过氧化氢酶活性2 个分子的IPA，在VioB 的作用下产生中间产物X（X 带有两个亚胺，具体结构还不清楚），此过程在VioB 不存在时也可自发进行。

（3）VioE 酶对中间产物X 催化反应

VioE 是最近才被发现的，相对分子质量只有22 kDa，位于整个基因簇的最末端，以二聚体形式存在。在VioE 的作用下，对未知的中间产物X 在吲哚环上发生1-2 转变及脱羧反应，产生脱氧紫色杆菌素前体（prodeoxyviolacein）。该反应不需要辅酶及金属离子，且VioA、VioB、VioE 3 种酶间不存在蛋白质间的相互作用。

（4）VioC、VioD 对脱氧紫色杆菌素前体的氧化反应

VioC、VioD 都属于单加氧酶家族，包含黄素且对NAD(P)H 有依赖性，在合成途径的后部分起作用，相对分子质量分别为48 kDa、42 kDa。VioC对脱氧紫色杆菌素前体、紫色杆菌素前体均起催化作用，体内一旦缺失，只能产生紫色杆菌素前体及deoxychromoviridans 、chromoviridans 、oxychromoviridans ， 其中deoxychromoviridans 、oxychromoviridans 为绿色物质。添加NADPH 将明显增加紫色杆菌素前体及紫色杆菌素的量，纯化VioC 时结合辅酶因子FAD；VioD 只对脱氧紫色杆菌素前体起作用，体内缺失将只能产生脱氧紫色杆菌素。在体内作用过程是：脱氧紫色杆菌素前体在VioC 的氧化作用下产生脱氧紫色杆菌素（deoxyviolacein），在VioD 氧化作用下生成紫色杆菌素前体（proviolacein）。

（5）紫色杆菌素的生成

紫色杆菌素前体在氧化酶VioC 的催化作用下最终生成紫色杆菌素。通过以上5 个步骤酶催化，最终生成紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素混合物，其比例约10∶1。整个过程涉及14 个电子的传递。

2.紫色杆菌素发酵工艺研究

目前， 紫色杆菌素的发酵研究主要以C.violaceum 为主（见表2）。研究表明[19, 22, 35－41]，紫色杆菌素的产量与营养因子（如酵母提取物、蛋白胨、L-Try、Zn2+）、物理参数（pH 值、搅拌、温度）有关，还受到群体效应（quorum sensing）分子N-己酰高丝氨酸内酯（HHL）的调节[42]。Mendes 等[40]用统计学的方法优化C. violaceum 产紫色杆菌素的条件，由最初的0.17 g/L 提高到0.43 g/L。但这个产量还比较低，不利于工业化生产，还应进一步发掘高产菌株，并以紫色杆菌素代谢调控理论为依据进行优化。

1.紫色杆菌素的生物活性

自从1939 年Kidder 等[43]误认为色素具有杀死纤毛虫的活性以来，许多学者在各方面对紫色杆菌素生物活性进行了广泛的研究并取得一定成果。紫色杆菌素生物活性的研究结果总结如下。

1.1 广谱抗菌性

lichstein 等[44]用51 株细菌（包括21 个种）对紫色杆菌素粗提物进行抗菌实验，发现紫色杆菌素对革兰氏阳性细菌有显著的抑制作用，对革兰氏阴性细菌有较小的抑制性[43－44]。随后，Duran 等[45]用纯化后的紫色杆菌素进行抗菌实验，表明纯的紫色杆菌素与其混合物（紫色杆菌素+10%脱氧紫色杆菌素）抗菌效果一样。同时，紫色杆菌素还可以抑制植物真菌病原菌（如Rosellinia necatrix，它可以导致桑树根腐病），可以将紫色杆菌素作为杀真菌制剂[46]。在体外，紫色杆菌素具有抗分枝杆菌[Mycobacteriumtuberculosis (H37Ra)]活性，其最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）分别为64 μg/mL 和128μg/mL，这与在对肺结核进行化学疗法中使用吡嗪酰胺（pyrazinamide）的浓度是相当的[47]。据文献报道，紫色杆菌素主要抑制金黄色葡萄球菌（Staploylococcous aureus）、链球菌（Streptococcus sp）、芽孢杆菌（Bacillus sp）、分枝杆菌（Mycobacterium）、奈瑟球菌（Neisseria）及假单胞菌（Pseudomonas）[44,47－50]，但是，它对一些革兰氏阴性细菌抑制效果不好，如黄杆菌（F. balustinum）、黏质沙雷菌（S. marcescens）和大肠杆菌（E. coli）等[49]。

1.2 抗原生动物活性

紫色杆菌素具有杀锥虫活性[22, 51－52]。但向白化病小鼠（18～20 g）腹膜内注射5×104 个锥虫（T.cruz Y 型），然后注射紫色杆菌素及其衍生物（100mg/kg）7 天，仅减少4%发病率，此实验说明紫色杆菌素在体内有较低的杀锥虫活性[47]。紫色杆菌素具有抗利什曼原虫（Leishmania）的活性，其EC50/24 h 为（4.3±1.15）μmol/L[53]。色素具有很强的抗氧化能力[54]，可抑制原生动物捕食。

1.3 抗病毒性

紫色杆菌素混合物（含有10%脱氧紫色杆菌素）对侵染Hela 细胞的单纯性疱疹病毒（herpes simplexvirus，HSV）、脊髓灰质炎病毒（polioviruses）有抵抗活性[55 － 57]，当紫色杆菌素混合物浓度为0.25μg/mL、0.063 μg/mL 时，可以分别抑制62%的单纯性疱疹病毒和56%的脊髓灰质炎病毒。

1.4 抗肿瘤细胞

紫色杆菌素对成纤维细胞（V79）系有很高的细胞毒素活性[51, 58]。对V79 细胞的 IC50 在5～12 μmol，这也说明了紫色杆菌素是通过诱导V79 细胞程序性死亡而起作用的。随后实验表明，紫色杆菌素对白血病细胞（leukemia cells）、淋巴瘤（lymphoma）、肺、结肠[59－60]以及由艾滋病毒（AIDS）引起的淋巴瘤[61]都有很好的细胞毒性作用，细胞的核酸物质从形态上发生改变（包括染色体凝聚、核苷酸量的减少）[59]。紫色杆菌素对结肠癌细胞凋亡过程产生的活性氧簇物（reactive oxygen species，ROS）有很大的影响[62]，它通过激活半胱天冬酶、释放细胞色素C、释放Caco-2 细胞的钙到硫戊巴比妥钠来调节活性氧簇物，还发现紫色杆菌素在Caco-2 和HT29 细胞中对ROS 影响不同，说明紫色杆菌素在不同类型的细胞中有不同的机制。Kodach[63]研究认为，紫色杆菌素有助于增加5-氟尿嘧啶细胞毒性，诱发细胞程序性死亡，抑制Akt 磷酸化作用，终止信号转导，这表明紫色杆菌素在治疗结肠癌细胞时有效，在克服5-氟尿嘧啶的抗性上很有前景。在研究紫色杆菌素致使人的白血病细胞坏死的分子机理[64]时发现：紫色杆菌素能致使HL60 白血病细胞程序性死亡，但是对其它类型的白血病细胞、人正常淋巴细胞及单核细胞没有作用。紫色杆菌素经半胱天冬酶激活、核因子kB（NF-kappa B）转录及p38 有丝分裂原(细胞分裂剂)激活蛋白的激活后对HL60 细胞产生毒性。紫色杆菌素生物活性效应类似于这些细胞中肿瘤坏死因子α（tumor necrosisfactor alpha，TNF-α）信号转导。此外，紫色杆菌素可以直接激活肿瘤坏死因子（TNF）受体1 信号途径，因此，紫色杆菌素是一类新的通过激活肿瘤坏死因子受体1（TNF receptor 1）来调节HL60 细胞程序性死亡的细胞毒类药物。

1.5 遗传毒性

除了以上对人类有益的生物活性外，紫色杆菌素还具有一定的遗传毒性[65]。通过碱性“彗星”法、微核实验发现，当紫色杆菌素浓度为0.19～1.5μmol/L 时对HEp-2 及 MA104 细胞系无明显致DNA 损伤作用，但是对FRhK-4 及“维洛”细胞（VERO cells）DNA 有损害作用，微核实验也表明紫色杆菌素对“维洛”细胞（VERO cells）是阳性。

1.6其它功能

紫色杆菌素能抗可见光辐射[34]，此外，紫色杆菌素可代替人工色素作为染料，对天然原料（如丝绸、棉、毛）及合成原料（如尼龙）都有很好的着色效果[46]。

2.紫色杆菌素的改造

为了提高紫色杆菌素的生物活性及减小其毒性，人们采用与其它物质络合的方法，即轻微改变特定基团的策略。

紫色杆菌素通过与β-环糊精形成络合物，能明显降低色素毒性，提高抗肿瘤活性[66]。分析表明，通常β-环糊精包埋色素分子的极性部分，形成1∶2络合物。形成络合物后，对E. coli 急性毒性没有改变，但是对V79 细胞毒性显著降低；在100 μmol/L时对红细胞脂质过氧化损伤的抑制率提高30%，在500 μmol/L 时则完全抑制（而单色素抑制率只有65%）[67]。此外紫色杆菌素-β-环糊精络合物能显著抑制胃溃疡的发生，提高抗脂氧化酶的活性[68]，能诱发HL60 细胞的程序性死亡[69]。Bromberg 等[70]用各种氧化酶对紫色杆菌素进行修饰，发现辣根过氧化物酶复合物Ⅱ在反应中出现，漆酶能快速转化紫色杆菌素分子。

紫色杆菌素应用展望及存在的主要问题

鉴于紫色杆菌素的生物活性功能，紫色杆菌素作为一种潜在的抗肿瘤、抗病毒药物在医学上具有良好的应用前景，但同时也存在一些需要解决的问题：（1）目前对紫色杆菌素应用过程中的毒副作用研究甚少，应当加强研究，为其进入临床阶段奠定基础；（2）紫色杆菌素有一定的遗传毒性，怎样提高其生物活性、降低其毒性并且和其它抗肿瘤抗病毒药协同作用是今后研究的重点；（3）紫色杆菌素具有很强的生物活性，还可作为生物染料，有很好的应用前景，但是微生物生产紫色杆菌素的产量普遍较低（0.43 g/L）[40]，目前还没有紫色杆菌素的基因工程菌株构建的研究报道，因此筛选高产菌株及构建基因工程菌是其大规模应用中需要解决的重要问题。（4）目前研究都集中在紫色杆菌素上，而对其副产物脱氧紫色杆菌素的生物活性没有进行研究，两者的生物活性有差别吗？从对脱氧紫色杆菌素的生物作用特性及紫色杆菌素生产技术研发的角度看，对脱氧紫色杆菌素的研究是有必要的。紫色杆菌素应用到肿瘤治疗、抗病毒及纺织工业有很广阔的前景，但我国在这方面研究甚少；关于紫色杆菌素研究工作主要在国外展开，并且有关内容已经申请到国际专利进行保护[60, 71－73]，在将来的应用中由于知识产权的壁垒，对我国相关企业会产生不利的影响。因此，我国相关领域的学者应加强对紫色杆菌素基础及应用研究，包括紫色杆菌素的进一步药理实验，以及高产紫色杆菌素菌株的筛选、基因工程菌的构建、发酵工艺的优化等。

紫色杆菌素（violacein，Vio）是细菌以L-色氨酸为前体物合成的一种蓝紫色的非水溶性次级代谢产物，属于吲哚衍生物，由两个色氨酸分子氧化缩合而成。Vio不仅具有良好的着色效果，还具有广谱抗菌、抗病毒、抗氧化、抗原生动物、抗肿瘤等多种重要生物活性，可作为潜在的抗肿瘤、抗病毒药物及保健类天然色素。

来源：弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）基因工程菌株

产品特性：蓝紫色固体粉末

产品规格：50mg/瓶、100mg/瓶、200mg/瓶

产品贮存条件：用玻璃瓶盛装，4℃避光保存

CAS号：548-54-9

经验分子式：C20H13N3O3

分子量 343.34

溶解性：溶于甲醇、乙醇、丙酮、二甲基亚砜，不溶于水

贮存温度：2-8℃