Виробництво вторинних метаболітів: отримання різних препаратів

Відео: Міжнародний рік природних волокон

Напівсинтетичний спосіб отримання пеніцилінів

В даний час велике значення має так званий напівсинтетичний (біологічний + хімічний) спосіб отримання аналогів природного пеніциліну, що володіють рядом цінних властивостей. Вихідним продуктом в синтезі служить 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК)
Кислоту отримують в результаті біосинтезу, при розвитку штаму цвілі Penicillium chrysogenum, в специфічних умовах його культивування (при відсутності попередників в середовищі) або частіше шляхом ферментативного дезацілірованія бензилпеніциліну за участю пеніціллінацілаз. При цьому утворюється 6-АПК і фенилуксусная кислота.

Ацилированием аміногрупи 6-АПК отримано ряд нових напівсинтетичних антибіотиків, які кислотостійких в шлунку, що не піддаються деструкції в організмі пеніциліназою, мають більш широким спектром дії:
У табл. 4.1 наведені найбільш напівсинтетичні пеніциліни.

Хімічний синтез природного пеніциліну було проведено в 1957 р Дж. Шеен з співробітниками, однак він був багатостадійний, давав низький вихід бензилпеніциліну і тому не знайшов практичного застосування.

отримання цефалоспоринів

Цефалоспорини відносяться до групи Р-лактамних антибіотиків, близьких за структурою до пеніциліну. Основний продуцент цього антибіотика - гриб Cepholosporium acremonium:
Цефалоспорин пригнічує розвиток грампозитивних і грамнегативних бактерій, але антибіотична активність набагато нижче, ніж у пеніциліну. Структура Р-лактамного кільця його також нестійка, і гідролізується ферментом цефалоспориназ.

Напівсинтетичні аналоги цефалоспорина Останнім часом методом змішаного (біологічного та хімічного) синтезу отримано велику кількість аналогів цефалоспорина. Багато з цих сполук мають важливе практичне значення.

Основою напівсинтезу цефалоспоринів служить 7-аміно-цефалоспорановая кислота, яка виходить в результаті відщеплення ацильного залишку від цефалоспорина З під дією ферменту ацілази. Модифікація основного ядра цефалоспорина може відбуватися з двох сторін молекули:
Хімічним або біотехнологічним (ферментативним) шляхом можна отщепить праву ацетоксігруппу (-ОСОСН3) 7-аміноцефалоспорановой кислоти з утворенням 7-амінодеацетоксіцефалоспорановой кислоти і на її основі синтезувати напівсинтетичні антибіотики, широко застосовуються в медичній практиці.

Загальна формула напівсинтетичних цефалоспоринів
У табл. 4.2 наведені деякі медичні препарати, отримані на основі напівсинтетичних цефалоспоринів.


Модифікація молекули цефалоспорина призводить до суттєвих змін антимікробних властивостей: розширення спектра антимікробної дії, збільшення стійкості антибіотиків до лактаму-зам, підвищенню ліпофільних властивостей речовин, що дає можливість використовувати їх в таблетках.

Отримання стрептоміцину Яскраво вираженою здатністю виробляти антибіотичні речовини мають, крім цвілі і бактерій, а також і променисті грибки - актиноміцети, зазвичай мешкають в грунті. Порівняно швидка загибель більшості патогенних мікробів при попаданні в грунт тісно пов`язана з явищем антагонізму актиноміцетів і бактерій.

Вивчення цього явища привело до відкриття в 1943 р С. Ваксманом другого після пеніциліну антибіотика - стрептоміцину, стійкого не тільки до грампозитивних, але і до грамнегативних, і кислотостойким бактеріям:
У цьому сенсі він перевершує пеніцилін, який майже не активний до останніх двох груп збудників інфекції. Особливо важливою властивістю стрептоміцину є його висока активність до збудника туберкульозу.

У своїй структурі стрептоміцин містить (а) N-метил-Б-глюкозамін, (б) - стрептозу і (в) - стрептидина і є сильним органічним підставою. У практиці застосовують його солі з кислотами (соляної, сірчаної та ін.)

При культивуванні стрептоміцину в якості джерела енергії потрібно швидко метаболізуються цукор (наприклад, глюкоза), який вводять на початку процесу. Однак швидкість його асиміляції повинна бути строго обмежена кількістю присутнього азоту і фосфату, що в іншому випадку призводить до надмірного росту міцелію і зниження виходу антибіотика.

На практиці азот вводиться у вигляді складних сполук (фільтрат барди і залишки олійного насіння), які протягом тривалого процесу ферментації повільно розкладаються, виділяючи аміачний азот, рН середовища 7,0-8,0, температура ферментації ~ 28,5 С. На стрептоміцин НЕ діє ні пенніцілаза, ні більшість мікроорганізмів-якщо на більш пізніх стадіях процесу відбувається інфікування культури, то утворився стрептоміцин не руйнується.

Типові промислові середовища представляють суміші 2,5% -й глюкози, 4% -й соєвого борошна з низьким вмістом олії, 0,5% -й барди і 0,25% -й кухонної солі-в деяких випадках додають сухі дріжджі, м`ясні екстракти і кукурудзяний екстракт. В процесі ферментації можуть використовуватися масла і жирні кислоти (як поживних компонентів або як піногасники). Процес ферментації розвивається так само, як і в разі виробництва пеніциліну, причому освіту стрептоміцину протягом перших трьох днів не відбувається. За 6 днів концентрація стрептоміцину досягає кінцевої величини - 0,8%.

Оскільки міцелій виходить набагато дрібніший, його не можна зібрати на волокнистому фільтрі, тому для освітлення субстрату використовують кизельгур, в результаті чого відфільтрована маса робиться придатною для згодовування худобі. Субстрат поділяють на іонообмінної колоні.

отримання тетрацикліну

У 1948 р з грунту було виділено новий вид актиномицета -Streptomyces aureofaciens, який утворює антибіотики - хлортетрациклин, тетрациклін та інші речовини:
Як було знайдено, ці антибіотики мають широкий антибіотичну дію відносно грампозитивних і грамнегативних бактерій, рикетсій, спірохет, хламідій і т. Д. Їх застосовують в сільському господарстві як стимулятори росту тварин і птахів.

Хлортетрациклин був першим з виділених тетрацикліну. Залежно від властивостей штаму як джерело енергії можуть бути використані різні вуглеводи, проте для промислового виробництва становлять інтерес лише сахароза, крохмаль і глюкоза. Максимальні виходи антибіотика досягаються в результаті обмеження вмісту неорганічного азоту в середовищі і заміною його складними речовинами біологічного походження (борошном олійного насіння, арахісом, копрою - ядром кокосового горіха).

У середу в багатьох випадках додають кров`яну борошно, рибне борошно і гідролізований казеїн. В обмежених концентраціях використовують кукурудзяний екстракт і барду при певному змісті фосфатів. Вміст фосфатів є важливим фактором, оскільки поки весь неорганічний фосфат повністю не буде перетворений в нуклеїнові кислоти і інші продукти обміну, освіта тетрацикліну не відбувається. Також в середовищі необхідна присутність катіонів мікроелементів (Со, Сі, Zn, Mn, Fe).

Зразковий склад поживних середовищ: крохмаль (зерно в перемеленої і набряклому стані) 2-5%, сахароза (у вигляді цукру або цукрової меляси) 1-3%, борошно з оливкового насіння (відходи з низьким вмістом жирів, арахіс або соя) 1- 3%, м`ясні відходи (кров`яна або м`ясна борошно) 0,2-0,5%, кукурудзяний екстракт 0,2- 1,0%, амонієві солі 0,1-0,5%, вапно 0,5%, кухонна сіль 0,1-0,5%, солі мікроелементів.

Для ферментації бажано застосовувати ферментатори, виготовлені з нержавіючої сталі або іншого стійкого матеріалу. Протягом чотирьох днів, поки триває процес, середовище має аерувати. Остаточне значення виходу продукту наближається до 1%. Препарат може бути обложений додаванням вапна до рН 8,8. Потім він фільтрується на фільтр-пресі, екстрагується розведеною кислотою і очищається за допомогою фракційного осадження: після перекристалізації можна отримати продукт, що досягає 98% чистоти.

Окситетрациклин був вперше виготовлений в 1950 р при культивуванні актиномицета Streptomyces rimosus. Середовище і умови ферментації подібні використовуваним при виробництві хлортетрациклина, за тим винятком, що в якості джерела азоту можуть бути використані нітрати і кукурудзяний екстракт.

Окситетрациклин утворює нерозчинний комплекс з солями четвертинного амонійного підстави, і цей комплекс може бути легко відділений від субстрату, після чого його розм`якшують соляною кислотою і потім кристалізують у вигляді солі оцтової кислоти. Як і інші тетрацикліни, цей препарат випускається головним чином у вигляді таблеток або суспензії.

Тетрациклін був отриманий після хлортетрациклина і окситетрацикліну, причому майже одночасно як шляхом спрямованої ферментації за допомогою відібраних штамів Streptomyces aureofaciens в умовах низького вмісту хлоридів в живильному середовищі, так і шляхом каталітичного відновлення хлортетрациклина.

У методі спрямованої ферментації використовується ряд організмів, в тому числі і Streptomyces vicidifaciens, при цьому отриманий штам в адекватної середовищі може забезпечити великі виходи тетрацикліну або рівну кількість хлортетрациклина і тетрацикліну пропорційно кількості присутніх іонів хлору. У випадках, коли необхідно уникнути утворення хлортетрациклина, вміст хлориду в середовищі не повинно перевищувати 17 год. / Млн.

Якщо необхідно використовувати в якості основних компонентів субстрату складні біологічні речовини, то в умовах промислового виробництва для контролю рівня хлоридів є два способи:
1) видаляти більшу частину хлориду, пропускаючи компоненти, такі, як цукор-сирець і кукурудзяний екстракт через іонообмінні смоли. Цей метод цілком ефективний, якщо застосовується до розведених розчинів;

2) вводити в середу речовини, що уповільнюють утилізацію хлориду, наприклад, броміди. Виявилося, що при концентраціях від 10 до 350 ч. / Млн., Іони брому практично пригнічують утворення хлортетрациклина, навіть в присутності іонів хлору в концентраціях 1500 год. / Млн. На практиці застосовують бромистий натрій (5%).

Отримання антибіотиків-макролідів

Велику групу антибіотиків (еритроміцин, олеандоміцин і ін.), Що містять у своїй структурі макроциклічні лактоном фрагмент і продукуються різними штамами Streptomyces., Складають так звані макроліди.

Найбільш відомим представником цієї групи є еритроміцин, який за спектром антибактеріальної дії близький до пеніциліну і застосовується для лікування хворих з підвищеною чутливістю до пеніциліну і тетрацикліну.
Культивування продуцента еритроміцину триває 150 годин при рН ~ 7 на середовищі, приготовленої на основі крохмалю, соєвого борошна, масла, кукурудзяного екстракту, сухих дріжджів і вапна. Культуральну рідину фільтрують на Кизельгур, і антибіотик екстрагують за допомогою амилацетата. Зазвичай фільтрат культури і розчинник пропускають через встановлений в системі змішувач, а потім через звичайну центрифугу. Антибіотик можна розбавити буферним розчином, осадити ацетоном і хлористим натрієм, і, нарешті, кристалізувати його з ацетонового розчину.

Широке і успішне використання антибіотиків в медицині призвело до їх використання і в інших областях, в тому числі:
- в ветеринарії (з тими ж цілями, що і в медицині);
- для боротьби з деякими хворобами рослин бактеріального і грибкового походження;
- в якості добавки до кормів тварин, так як вони прискорюють ріст і збільшують ступінь перетворення кормів в м`ясо;
- в якості консервантів швидкопсувних продуктів;
- для придушення бактеріальної флори при здійсненні різних процесів при виробництві вакцин.

Наука про антибіотики продовжує швидко розвиватися. З одного боку, тривають пошуки нових, ще більш ефективних препаратів біотехнології, в тому числі з імуностимулюючу, протипухлинну, противірусну дію, з іншого боку, розширюються роботи по хімічному синтезу похідних цих речовин і хімічної модифікації природних антибіотиків.

Тривають роботи зі створення нових і удосконалення діючих процесів біотехнології, які передбачають створення екологічно чистих безвідходних технологій.

Розвиток досліджень в цьому напрямку і впровадження їх в практику є одним з найперспективніших розділів природознавства.

Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик