Вітаміни, алкалоїди, нуклеозиди, стероїди
Вітаміни, алкалоїди, нуклеозиди, стероїди - розділ Хімія, Основи біохімічної інженерії Мікроорганізми продукують не тільки білки (ферменти) і антибі.
Мікроорганізми продукують не тільки білки (ферменти) та антибіотики, але й багато інших складних метаболітів. Промисловий інтерес представляють кілька процесів такого типу, що успішно конкурують з відповідними хімічними процесами повного синтезу або навіть значно перевершують останні.
З вітамінів, синтезованих мікробіологічно [вітамін B12, рибофлавін (B2), тіамін, фолієва кислота, пантотенова кислота, піридоксаль], у промисловості таким шляхом отримують тільки B12 і B2, причому останній все частіше виробляють чисто хімічним способом. Вітамін B12, званий також ціанокобаламіном, у природі синтезується тільки мікроорганізмами, незважаючи на те, що ця сполука необхідна всім тваринам. Мікробна флора товстої кишки може продукувати В12, але організм людини не асимілює його, і тому людина повинна отримувати В12 з їжею. На початку 1980-х років обсяг світового виробництва B12 становив приблизно 10 т, з яких близько двох третин споживала фармацевтична промисловість (у вигляді ціанокобаламіну, гідроксокобаламіну, коферменту B12 і метилкобаламіну), а одна третина використовувалася як добавки до рослинних кормів збідненим B12.
При виробництві вітаміну B12 у періодичному режимі використовуються головним чином організмиPropionibacteria (freudenreichiiтаshermanii)(табл. 12.14), а весь процес поділяється на дві стадії - анаеробну (2-4 діб) та аеробну (3-4 діб). Продукт анаеробної стадії (5'-дезоксіаденозилкобннамідгуанозінфосфат) конденсується з продуктом аеробної
стадії (5,6-диметилбензимидазолу), в результатічого утворюється вітамін B12. Операції виділення включають нагрівання (для вивільнення пов'язаного з клітинами вітаміну B12) та хімічне перетворення на стійкий ціанокобаламін.
Таблиця 12.14. Характеристики мікробіологічних процесів одержання вітаміну B12 а
Розроблено і безперервний двостадійний процес. МікроорганізмPseudomonas denitrifleansможе продукувати B12 в одну стадію, якщо до середовища в якості попередників додані солі кобальту та 5,6-диметилбензімідазол. За десять років роботи з відшукання продуктивних штамів вихід вітаміну B12 вдалося підвищити з 0,6 до 60 мг/л. Як поживна речовина використовується меляса цукрових буряків, що є дешевим джерелом бетаїну. Активний мул, що утворюється при обробці відходів, також містить B12 (4-10 мг/л), але його виділення утруднене через одночасного утворення безлічі близьких B12 речовин.
Фармакологічно активні ергоалкалоїди продукуються грибамиClaviceps.Мікробіологічний спосіб дозволяє досягти концентрації ергоалкалоїдів у культуральній рідині більше 5 г/л і цим вигідно відрізняється від надзвичайно складного повного хімічного синтезу та способу біосинтезу шляхом зараження жита. Звичайною проблемою в мікробіологічних способах виробництва ергоалкалоїдів є деградація штаму. Масштабування процесів біосинтезу ергоалкалоїдів утруднене через високу потребу в кисні та чутливість до швидкості перемішування.
Нуклеозиди і нуклеотиди застосовують як смакові добавки до харчових продуктів. У цьому відношенні найбільш ефективними є пурин-5'-монофосфати — гуанілова кислота (5'-GMP), інозинова кислота (5'-ІМР) і ксантилова кислота (5'-ХМР), причому їх ефективність зростає ще більше в присутності глутамату.натрію (див. органічні кислоти, розд. 12.6.3). У Японії щорічно виробляється приблизно 3000 т 5'-ІМР (66%) та 5'-GMP (34%). Оскільки біосинтез нуклеозидів зазвичай регулюється за принципом зворотного зв'язку, то для їх «перевиробництва» мікроорганізмами необхідні або ауксотрофні мутанти і відповідні кінцеві продукти метаболізму, що лімітують їх зростання, або особливі аналоги пуринових основ, що забезпечують придушення контролю біосинтезу. У промисловому масштабі нуклеозиди одержують, як зазначено вище, мікробіологічним шляхом або за допомогою гідролізу дріжджової РНКin vitroза допомогою мікробних ферментів абоin vivoза допомогою ендогенних рибонуклеаз з подальшою екскрецією мононуклеотидів у середу.
Біохімічні перетворення, що здійснюються за допомогою мікроорганізмів або ферментів, зазвичай називаютьбіотрансформацієюабо біоперетворенням. Біотрансформації вигідно відрізняються від небіологічних перетворень, по-перше, високою специфічністю по відношенню до субстрату, по-друге, регіоспецифічністю (селективністю по відношенню до певних груп молекули), по-третє, стереоспецифічністю (зокрема, можливістю поділу рацемічних процесів; участю іммобілізованої L-аміноацилази (рис. 4.12) і, по-четверте, м'якими умовами перетворень. До недоліків біотрансформацій (за наявності конкурентоспроможних хімічних методів) належать необхідність підтримки популяції життєздатних клітин у ході біотрансформації та висока вартість вилучення продукту зі складної суміші.
Біотрансформації стероїдів зазвичай є дуже селективним частковим окисленням одного положення стероїдного скелета (наприклад, прогестерону). Так, наприклад, розробка та впровадження методу селективного мікробіологічного 11а-гідроксилюванняпрогестерону дозволили зрештою знизити ціну кортизону з 200 дол. за 1 г (1949 р.) до 1 дол. за 1 г (1979 р.).
У табл. 12.15 наведено склад середовищ та умови зростання культур, що використовуються у таких біотрансформаціях. Привертає увагу певний час додавання речовини-попередника і більша тривалість трансформацій. Природні стероїди та стероли, а також їх похідні застосовуються в терапії (естрогени, прогестерон та андрогени), а також як протизаплідні засоби (похідні естрогену та прогестерону), транквілізаторів, протипухлинних препаратів, ветеринарних препаратів, протизапальних засобів при лікуванні кортизон), засобів для регуляції натрій-калієвого обміну. В останніх дослідженнях, що включали тисячі різних перетворень стероїдів та стеролів, застосовувалися іммобілізовані клітини та ферменти, а також поєднання біологічних перетворень та хімічних реакцій.