Промислова мікробіологія. Виробництво вторинних метаболітів

Відео: Фізіологія рослин. Тонкошарова хроматографія (Д. Ветошкина)

Вторинні метаболіти (ідіоліти) - це низькомолекулярні сполуки, не є необхідною умовою на стадії зростання чистої культури, однак вони необхідні для функціонування зрілої популяції. Часто вони виконують захисну роль при конкуренції з іншими мікроорганізмами. До них відносяться антибіотики, алкалоїди, гормони росту рослин, токсини.

виробництво антибіотиків

Антибіотиками називають продукти життєдіяльності організмів, що володіють антибактеріальною дією. Більшість відомих у даний час антибіотиків є речовинами, які виділяються різного виду мікроорганізмами - бактеріями, дріжджами, плесенями, актиноміцетами. Антибіотики отримані також з тваринних тканин і вищих рослин (фітонциди).

Ідея використання антагонізму між мікроорганізмами (так званого «антибиоза») для придушення хвороботворних мікробів належить І. І. Мечникову, що поклав в кінці минулого століття початок сучасному вченню про лікарські речовини мікробів.

Для того щоб антибіотичну речовину могло бути застосоване в медичній практиці, необхідна сукупність високої антибактеріальної активності і відсутності токсичної дії по відношенню до макроорганізму. З великого числа виділених і вивчених антибіотиків цього найважливішого вимогу достатньо небагато з`єднання.

У хімічному відношенні антибіотики - речовини дуже різноманітні, хоча деякі з них представляють цілі класи з подібною структурою, наприклад: пеніциліни, тетрациклін та ін. В даний час встановлено, що речовини, подібні за хімічною структурою, схожі й за характером дії. Так, пеніциліни діють на клітинну стінку бактерій і перешкоджають її синтезу. Деякий час бактерії ще розмножуються, але, позбавлені клітинної стінки, скоро гинуть.

Антибіотик стрептоміцин, проникнувши в клітку мікроба, досягає рибосом (місця синтезу білків) і блокує їх діяльність.

Актиноміцин діє на молекулу ДНК, в результаті стає неможливим синтез інформаційної РНК, яка переносить до рибосом «накази» ДНК про синтез білків. Подібне дія виявляє і рифампіцин, хоча і дещо іншим способом: він знижує активність РНК-полімерази і РНК не може утворюватися.

На ДНК діють і молекули протипухлинного антибіотика мітоміцину С: міцно зв`язуючись з нею, він перешкоджає подальшому синтезу ДНК.

При повторних впливах молекул антибіотика клітина мікроба гине. Якщо ж антибіотик вводиться в недостатній кількості, то клітини мікроба відновлюються, і мікроб виживає і дає потомство, стійке (резистентное) до дії даного антибіотика.

Наведені приклади дії антибіотиків - це лише окремі випадки їх різноманітного біохімічного впливу на мікроорганізми.

Класифікація антибіотиків

Серед основних принципів класифікації антибіотиків розглянемо наступні:
1. Класифікація антибіотиків за біологічним походженням:
а) антибіотики, що виробляються мікроорганізмами, що відносяться до еубактеріям;
б) антибіотики, утворені мікроорганізмами, які належать до порядку Actinomycetales;
в) антибіотики, утворені ціанобактеріями;
г) антибіотики, утворені недосконалими грибами;
д) антибіотики, утворені грибами, що відносяться до класів базидий-міцетов і аскомицетов;
е) антибіотики, утворені лишайниками, водоростями і нижчими рослинами;
ж) антибіотики, утворені вищими рослинами;
з) антибіотики тваринного походження.

2. Класифікація за спектром біологічної дії:
а) протибактерійні антибіотики вузького спектра дії, активні переважно відносно грампозитивних організмів;
б) протибактерійні антибіотики широкого спектру дії;
в) протитуберкульозні антибіотики;
г) протівогрібние антибіотики;
д) протипухлинні антибіотики.

3. Класифікація антибіотиків за хімічною будовою:
а) антибіотики ациклического будови;
б) антибіотики аліциклічного будови;
в) тетрациклін;
г) ароматичні антибіотики;
д) антибіотики-хінони;
е) антибіотики-кислородсодержащие гетероциклічні сполуки;
ж) антибіотики-азотсодержащие гетероциклічні сполуки;
з) антибіотики-аміноглікозиди;
і) металлсодержащие антибіотики.

Основні етапи промислового одержання антибіотиків

Після встановлення високих лікувальних властивостей першого антибіотика - пеніциліну відразу ж виникли завдання організації його виробництва у великих кількостях. На першому етапі промислове отримання цього препарату носило примітивний, економічно нерентабельний характер. Вирощування продуцента антибіотика здійснювалося на середовищах, що знаходяться в невеликих судинах, при поверхневому культивуванні гриба.

Процес розвитку гриба тривав 8-10 діб. Такий спосіб культивування гриба при великій витраті праці давав вельми низький вихід антибіотика, і собівартість препарату була відповідно дуже високою. В результаті пошуків шляхів найбільш раціонального способу виробництва антибіотика був запропонований метод глибинного вирощування гриба в спеціальних ємностях-ферментаторах при продуванні повітря і перемішуванні культуральної рідини.

Сучасне промислове отримання антибіотиків - це складна багатоступенева біотехнологічна схема, що складається з ряду послідовних стадій:

1. Стадії біосинтезу (утворення) антибіотика. Це основна біологічна стадія складного процесу отримання антибиотического речовини. Головне завдання на цій стадії - створення оптимальних умов для розвитку продуцента і максимально можливого біосинтезу антибіотика.

Висока результативність стадії залежить від рівня биосинтетической активності продуцента антибіотика, часу його максимального накопичення, вартості середовищ для культивування організму, в тому числі вартості застосовуваних попередників, а також загальних енергетичних витрат на процеси, пов`язані з розвитком продуцента антибіотичної речовини.

2. Стадії попередньої обробки культуральної рідини, клітин (міцелію) мікроорганізму і фільтрації (відділення культуральної рідини від біомаси продуцента). Ефективність стадії багато в чому визначається складом середовища для вирощування продуцента антибіотика, характером його зростання, місцем основного накопичення біологічно активної речовини (в культуральної рідини або внутрішньоклітинно).

3. Стадія виділення і очищення антибіотика. На цій стадії, в залежності від властивостей антибіотика, його хімічної будови і основного місця накопичення антибиотического речовини, застосовують різні методи виділення і очищення. В якості основних методів використовуються екстрація, осадження, сорбція на іонообмінних матеріалах, упаривание, сушка. Особливість цієї технологічної стадії визначається тим, що на першій стадії роботи мають справу з невеликою концентрацією (~ 1%) антибіотика в оброблюваному розчині, тоді як на подальших етапах його концентрація збільшується до 20-30%. Все це вимагає застосування різних ємностей і обсягів використовуваних реагентів.

4. Стадії отримання готової продукції, виготовлення лікарських форм, розфасовки. Особливість стадії визначається дуже високим вимогам до якості кінцевого продукту. У разі випуску антибіотиків, призначених для ін`єкцій, препарати повинні бути стерільнимі- отримання таких антибіотичних препаратів, приготування різних лікарських форм, дозування (розфасовка) і упаковка повинні здійснюватися в асептичних умовах.

Для максимального виходу антибіотика при культивуванні продуцента використовують комплекс заходів, що включають підбір найбільш сприятливих для цих цілей поживних середовищ і режимів культивування організму. Весь цей комплекс заходів включається в поняття «керований біосинтез».

У промислових умовах керований біосинтез вимагає суворого дотримання технологічного процесу як на стадії підготовки інокулята, так і на стадії біосинтезу. На стадії підготовки інокулята особливу увагу звертають на склад середовища, на якій вирощується організм, на вік клітин або міцелію. На стадії біосинтезу, крім складу середовища, велику роль відіграють швидкість споживання тих чи інших компонентів, попередники, регуляція процесу аерації культури, підтримка відповідних температури і рН середовища та інших показників режиму культивування.

У сучасних умовах виробництва вживають заходів до максимального зниження собівартості препаратів шляхом інтенсифікації всіх стадій технологічного процесу і, перш за все, підвищенням ефективності першої стадії - біосинтезу антибіотичної речовини.

Для цього необхідно:
а) впровадження у виробництво найбільш високопродуктивних штамів мікроорганізмів - продуцентів антибіотиків;
б) створення та забезпечення найбільш сприятливих умов розвитку продуцента антибіотика на відносно дешевих середовищах;

в) широке використання математичних методів планування процесу розвитку організму і електронно-обчислювальної техніки з метою оптимізації та моделювання умов його культивування, що забезпечують максимальний вихід антибіотика;

г) застосування сучасного обладнання на всіх стадіях технологічного процесу з автоматизованими контролюючими пристроями основних параметрів розвитку організму і стадій біосинтезу антибіотика.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик