Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів

4.   Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів.

Антибіотики – група речовин мікробного походження, застосовуються як протимікробні й протипухлинні препарати.

 Нині відомо більше 3000 речовин антибіотиків, виділених з різних організмів. Їх поділяють на класи згідно з хімічною структурою: пеніциліни, цефалоспорини, тетрацикліни, антрацикліни, аміноглікозиди, макролідні антибіотики тощо.

З їх допомогою контролюється ріст рослин і ведеться боротьба з хворобами. Майже всі антибіотики спроможні придушувати широке коло патогенів: гриби, бактерії і мікоплазми. Проводяться пошуки і антивірусних антибіотиків. В деяких країнах дозволено використовувати антибіотики медичного призначення або синтезовані для захисту рослин в чистому

вигляді або в суміші з фунгіцидами.

Деякі зарубіжні фірми вже випускають препарати антибіотиків

спеціально для захисту рослин: бластоцидин, касугиміцин, поліоксин,

валідаміцин та інші. В нашій країні найбільш поширенішими антибіотиками є трихотецин, фітобактеріоміцин і фітолавін-100.

 Всі антибіотики були виділені за рахунок мікроорганізмів, число їх було суттєво збільшено шляхом хімічної модифікації. Цілі модифікації:

1.   Розширення спектра дії і підвищення ефективності антибіотиків.

2.   Зниження токсичності і позбавлення їх побічної дії.

3.   Створення аналогів, які стійкі до розщеплення мікробами.

4.   Удосконалення способів їх введення.

Розглянемо комплекс біотехнологічних проблем, які безпосередньо зв’язані з процесом біосинтезу антибіотиків. Цикл розвитку продуцентів антибіотиків, як правило, складний. Більшість антибіотиків являється вторинними речовинами. В екологічному плані утворення антибіотиків розглядається як фактор адаптації: здатність до утворення антибіотиків важлива для продуцента не постійно, а лише коли виникають несприятливі умови для росту цих мікроорганізмів, наприклад при контакті з специфічними продуктами життєдіяльності іншого мікроорганізму.

Для налагодження виробництва антибіотиків за допомогою біотехнологій, потрібно знати про генетичну детермінацію утворення антибіотиків. Інформація про генетичний контроль біосинтезу важлива для розробки технологій, які дозволяють людині впливати на утворення антибіотиків на генетичному рівні. Відомо, що в утворенні антибіотиків може бути включено до 1% генів продуцента (наприклад в роду Streptomyces) і ця частина ДНК не втрачається під час селекції в природних умовах, хоч її експресія може затримуватись на тривалі періоди. Цим підкреслюється еволюційне значення антибіотиків. Також за синтез антибіотиків відповідають деякі плазміди. Але наявність в плазмідах структурних генів для ферментів біосинтезу антибіотику доведена лише для метиленоміцину. Тому в більшості випадків плазмідам приписується роль регуляторів процесів синтезу. При виробництві антибіотиків в ферментерах може відбуватись процес втрати плазмід міцелієм через механічні впливи на нього. Це призводить до зменшення утворення антибіотиків і швидкого росту непродуктивного міцелію в ферментерах. Але відомо також, що у ряду промислових продуцентів плазміди не знайдені.

Період ферментації на багатих поживними речовинам середовищах поділяються на трофофазу і ідіофазу. Відомо, що під час трофофази антибіотики у значних кількостях не утворюються. Це обумовлено або репресією ферментів їх синтезу, або ж посттрансляційним контролем. Але молекулярні механізми регуляції біосинтезу антибіотиків складом поживного середовища (вуглеводними, фосфорними та азотовмісними компонентами) ще далеко не вивчені. Дуже вірогідно, що майбутній прогрес в області біосинтезу може бути пов’язаний з використанням ще мало вивчених плейотропних біологічних регуляторів первинного метаболізму типу високо фосфорильованих нуклеотидів, від яких залежить інтенсивність синтезу макромолекул і відповідно рівень внутрішньоклітинного фонду низькомолекулярних метаболітів.

Перейдемо до розгляду біотехнології виробництва антибіотиків. Існує декілька способів отримання нових антибіотиків. Вони базуються на модифікації антибіотиків ферментами мікроорганізмів.

Особливо успішно модифікація антибіотиків мікроорганізмами проходить в наступних процесах.

1.         При ферментативному гідролізі пеніциліну з утворенням 6-амінопеніцмлланової кислоти (6-АПК), яка являється цінним вихідним продуктом при виробництві деяких напівсинтетичних, важливих для медицини аналогів пеніциліну. В промисловості 6-АПК, ядро молекули пеніциліну або бензилпеніциліну при участі штамів, які з високим виходом утворюють в ході ферментації пеніцилін азу. Для цієї ж цілі також використовують іммобілізовану пеніциліназу. На основі 6-АПК дістали біля 40000 напівсинтетичних пеніцилінів. Можливий також процес перетворення бензилпеніциліну в ампіцилін (рис.3). При цьому спочатку проводять гідроліз бензилпеніциліну здійснюють за допомогою мутантного штаму Kluyvera citrophila, після чого в ферментер вносять мутант Pseudomonas melanogenum і метиловий ефір DL-фенілгліцину. В ролі каталізатора виступає ацилаза, яка

утворюється мутантом P. Melanogenum.

Рис.3. Синтез ампіциліну

2.         У медицині широко застосовуються аміноглікозидні антибіотики (стрептоміцин, неоміцин, канаміцин, гентаміцин). Бактерії, які здатні їх інактивувати, були виділені не тільки від хворих, але й як самостійні штами, що утворюють антибіотики. Їх ферментативна активність може бути частиною механізму детоксикації, за допомогою якого продуценти захищають себе від шкідливої дії вироблених ними антибіотиків. Встановлення механізму модифікації дозволило планувати і здійснювати хімічний синтез нових аналогів, стійких до такої інактивації. Відомо, що при інактивації антибіотиків проходять модифікації, до числа яких відносяться N-ацетилування, О-фосфорилювання, О-нуклеотидування.

Інактивація антибіотиків по іншому механізму, включаючи гідроліз, гідроксилювання, епоксидування, фосфорилювання, або відновлення, звичайно призводить до утворення повністю, або частково неактивних похідних. Їх вивчення дозволяє синтезувати нові аналоги, виявити ті ділянки молекул, які відповідають за антибіотичну активність, а також створити раціональні основи „конструювання” антибіотиків і удосконалення їх виробництва. В деяких випадках отримати корисні попередники за допомогою бактерій не вдається. Так, при виробництві цефалоспорини в основному утворюється цефалоспорин С, який далі гідролізують до 7-аміноцефалової кислоти і її використовують як субстрат для добування нових цефалоспоринів.

3.         В випадку прямої ферментації використовуються мікроорганізми, які використовують антибіотик для синтезу біологічно активних сполук в присутності деяких попередників або інгібіторів метаболізму. Наприклад, Penicillium chrysogenum не тільки синтезує пеніцилін, але й включає феніл оцтову кислоту в бензилпеніцилін, а інші попередники – в аналоги пеніциліну. Цей принцип знаходить широке застосування, наприклад, при отриманні нових блеоміцинів шляхом додавання амінів до культури S. verticillus і нових актиноміцинів – шляхом додавання 4-метилпроліну до середовища для вирощування S. parvulus.

4.         Мутантні мікроорганізми-продуценти іноді утворюють біологічно активні проміжні продукти якого-небудь визначеного шляху біосинтезу антибіотиків або сполуки, які можуть виявитись попередниками при створенні нових антибіотиків. „Блоковані” мутанти цього типу не здатні утворювати потрібний антибіотик, я що в середовищі відсутній метаболічний попередник, який в нормі утворюється при участі ферменту, який діє услід за блокованою ланкою метаболізму. Оскільки ферменти, які беруть участь у вторинному метаболізмі, часто володіють відносно низькою субстратною специфічністю, аналоги попередників антибіотиків можуть бути відносно легко перетворені мутантом в аналоги самого антибіотика. Цей процес називається мутаційним біосинтезом. Наприклад Nokardia mediterranei синтезує біля 20 різних рифаміцинів.

Крім антибіотиків, важливе значення для медицини та різних галузей народного господарства має біосинтез алкалоїдів. Алкалоїди представляють собою дуже важливу групу біологічно активних речовин, основу багатьох лікарських препаратів. До алкалоїдів відносять речовини природного походження, які, як правило, містять азот і мають достатньо складну структуру.

Алкалоїди синтезуються в основному рослинами, грибами, бактеріями і актиноміцетами. Велика увага приділяється саме мікроорганізмам, як джерелам цих речовин. Знання фізіолого-біохімічних особливостей мікроорганізмів-продуцентів, механізмів біосинтезу алкалоїдів дає можливість керувати процесом отримання алкалоїдів безпосередньо в ході їх синтезу. Методами селекції і генетики на основі диких штамів можуть бути отримані високоактивні продуценти алкалоїдів. Тобто є цілий ряд переваг отримання антибіотиків за допомогою мікроорганізмів в порівнянні зі способами добування їх з рослинного матеріалу.

Найбільший інтерес в якості продуцентів в зв’язку з перспективою їх використання в промисловості представляють гриби, і в першу чергу аскоміцети з родів Сlaviceps i Penicillum, які мають здатність синтезувати ергоалкалоїди.

Все більший інтерес до ергоалкалоїдів пояснюється унікальним спектром їх біологічної активності, який може різко змінюватись в залежності від структури. Якщо спочатку для в медицині використовували неочищені грубі екстракти алкалоїдів, то тепер все більш широке застосування знаходять напівсинтетичні похідні, в якості вихідних для яких виступають природні ергоалкалоїди. Такі похідні характеризуються меншою токсичністю, простотою синтезу і є більш ефективними.

Ергоалкалоїди і їх похідні використовують для профілактики і лікування мігрені, в якості препаратів, які регулюють кров’яний тиск, для лікування різних порушень гормонального обміну, наприклад хвороби Паркінсона.

В промисловості застосовують глибинне культивування Claviceps purpurea (ріжки). Цей спосіб вперше був здійснений Абе з співробітниками і розвинений Чейном і іншими групами дослідників із різних країн.

Для ергоалкалоїдів характерна наявність тетрациклічної ерголенової або ерголінової системи (рис.4.).

Рис.4. Типові представники ергоалкалоїдів.

а— эрголін; б — лізергінова кислота; в — агроклавін

Механізм біосинтезу ергоалкалоїдів у різних культур може мати свої особливості, але основні його етапи являються для всіх вивчених продуцентів спільними. Попередниками ергоалкалоїдів являються триптофан і γ,γ-диметилалліпірофосфат. Перша стадія біосинтетичного шляху - утворення 4-γ,γ-диметилаллітриптофану (ДМАТ) – каталізується ферментом ДМАТ-синтетазою. Наступна стадія – метилування ДМАТ з наступним декарбоксилуванням, модифікацією ізопреноїдного бічного ланцюга з замиканням кільця С.Кінцевим продуктом цих перетворень являється ханоклавін-1, із якого через ханоклавін-1-альдегід, агроклавін і елімоклавін утворюється лізергінова кислота, попередник алкалоїдів лізергінової кислоти – амідів лізергінової кислоти і пептидних ергоалкалоїдів. Попередниками інших клавінових алкалоїдів служать агроклавін і елімоклавін. Біосинтез

5.Виробництво і застосування стероїдів і вітамінів.

                 V.    Добування металів за допомогою біотехнологій. Біогеотехнологія.

Людство протягом ряду століть одержувало метали з багатих руд і концентратів. Вони в більшості випадків характеризувалися порівняно простим хімічним складом. Однак існуюча технологія найчастіше не вирішувала і не вирішує такі проблеми, як комплексне і раціональне використання природних ресурсів, охорона навколишнього середовища і т.д.

Існуюча технологія не дозволяє також економічно вигідно переробляти складні руди і концентрати. Наприклад, існують родовища золота, олова, міді, цинку, марганцю й інших металів, добування яких з руд по традиційних схемах складне чи неможливо. Очевидним уже є і те, що в недалекому майбутньому кондиційні руди взагалі будуть вироблені і тоді постане питання про видобуток металів з бідних руд, різних відходів і гірських порід. Тому тепер постало питання про розробку більш досконалих технологічних схем отримання металів з руд, концентратів, гірських порід і розчинів, зокрема гідрометалургійних. Одним з їхніх різновидів є мікробіологічний спосіб.

 На стику біотехнології і хімії виникає біогеотехнологія металів – наука про вилучення металів із руд, концентратів, гірських порід і розчинів під дією мікроорганізмів або їх метаболітів при нормальному тиску і температурі від 5 до 80 ºС.

Підземне і купинчасте  бактеріально-хімічне вилуговування міді із бідних руд і урану в промислових масштабах здійснюється в багатьох країнах світу. Вже в 80-х роках тільки міді добували сотні тисяч тон в рік. Собівартість такої міді була нижчою (часто в 2-3 рази), ніж вартість міді, що добували традиційним шляхом. (http://www.allmetal.ru/info/dict/view.php?i=149).

Також існують процеси чанового бактеріально-хімічного способу вилуговування, які застосовують для переробки складних мідних, цинкових, нікелевих, олово- та золотовмісних руд; технології неперервного бактеріально-хімічного способу добування золота і срібла, яка забезпечує вилучення золота і срібла більше 90%.

За допомогою бактерій можливо якісно очищувати різні концентрати від домішок, при чому ці домішки також можливо використовувати. Наприклад із свинцевих концентратів можливо практично повністю вилучити мідь, цинк і кадмій і при цьому концентрація Cu і Zn в розчині може сягати 50 і 100г/л відповідно. За допомогою бактеріально-хімічного способу можливо селективно переводити в розчин із металоколоїдних колективних мідно-цинкових концентратів до 90% цинку, а далі добути концентрати міді і кадмію при вилученні їх відповідно до 80 і 90%.

До нових тенденцій розвитку біотехнології або біогеотехнології металів належить віднести збагачення гірських порід і руд, наприклад, бокситів (вилуговуванням. Si), сульфідування окисленных руд, біосорбцію металів із розчинів. Використання бактеріально-хімічних. способів дозволяє розширити сировинні ресурси, забезпечити комплексність використання сировини без утворення складних гірничодобувних комплексів, автоматизувати процеси, підвищити продуктивність праці і культуру виробництва, вирішити багато проблем навколишнього середовища.

Література

1.   Биотехнология / отв. ред. академик А.А. Баев – М: Наука, 1984, - 311с.

2.   .Сассон Альбер, Біотехнологія: Свершения и надежды, - М: Мир,1987, 411с.

3.   http://www.rccnews.ru/Rus/FinancialInstitution/?ID=46499

4.   http://www.rccnews.ru/Rus/Pharmaceuticals/?ID=8062

5.   В.Т. Емцов, Рубежи биотехнологии, - М: Агропромиздат,1986,159с.

6.   Бест Д., Химия и биотехнология. В кн. Биотехнология. Принципы и применение. / под. ред. И. Хиггинса, Д. Баста, Дж. Джонса, - М: Мир, 1988, 479 ст.

7.   http://www.allmetal.ru/info/dict/view.php?i=149

8.   http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php