Витамины, алкалоиды, нуклеозиды, стероиды

 

Микроорганизмы продуцируют не только белки (ферменты) и антибиотики, но и многие другие сложные метаболиты. Промышленный интерес представляют несколько процессов такого типа, успешно конкурирующих с соответствующими химическими процессами полного синтеза или даже значительно превосходящих последние.

Из витаминов, синтезированных микробиологически [витамин B₁₂, рибофлавин (B₂), тиамин, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, пиридоксаль], в промышленности таким путем получают только B₁₂ и B₂, причем последний все чаще производят чисто химическим способом. Витамин B₁₂, называемый также цианокобаламином, в природе синтезируется только микроорганизмами, несмотря на то, что это соединение необходимо всем животным. Микробная флора толстой кишки может продуцировать B₁₂, но организм человека не ассимилирует его, и поэтому человек должен получать B₁₂ с пищей. В начале 1980-х годов объем мирового производства B₁₂ составлял примерно 10 т, из которых около двух третей потребляла фармацевтическая промышленность (в виде цианокобаламина, гидроксокобаламина, кофермента B₁₂ и метилкобаламина), а одна треть использовалась в качестве добавок к растительным кормам для домашних животных, обедненным B₁₂.

При производстве витамина B₁₂ в периодическом режиме используются главным образом организмы Propionibacteria (freudenreichii и shermanii) (табл. 12.14), а весь процесс разделяется на две стадии — анаэробную (2—4 сут) и аэробную (3—4 сут). Продукт анаэробной стадии (5'-дезоксиаденозилкобннамидгуанозинфосфат) конденсируется с продуктом аэробной

стадии (5,6-диметилбензимидазолом), в результате чего, в конце концов, образуется витамин B₁₂. Операции выделения включают нагревание (для высвобождения связанного с клетками витамина B₁₂) и химическое превращение в устойчивый цианокобаламин.

 

Таблица 12.14. Характеристики микробиологических процессов получения витамина B₁₂^а

Разработан и непрерывный двустадийный процесс. Микроорганизм Pseudomonas denitrifleans может продуцировать B₁₂ в одну стадию, если к среде в качестве предшественников добавлены соли кобальта и 5,6-диметилбензимидазол. За десять лет работы по отысканию более продуктивных штаммов выход витамина B₁₂ удалось повысить с 0,6 до 60 мг/л. В качестве питательного вещества используется меласса сахарной свеклы, являющаяся дешевым источником бетаина. Образующийся при обработке отходов активный ил также содержит B₁₂ (4—10 мг/л), но его выделение затруднено из-за одновременного образования множества близких B₁₂ веществ.

Фармакологически активные эргоалкалоиды продуцируются грибами Claviceps. Микробиологический способ позволяет добиться концентрации эргоалкалоидов в культуральной жидкости более 5 г/л и этим выгодно отличается от чрезвычайно сложного полного химического синтеза и способа биосинтеза путем заражения ржи. Обычной проблемой в микробиологических способах производства эргоалкалоидов является деградация штамма. Масштабирование процессов биосинтеза эргоалкалоидов затруднено из-за высокой потребности в кислороде и чувствительности к скорости перемешивания.

Нуклеозиды и нуклеотиды применяют в качестве вкусовых добавок к пищевым продуктам. В этом отношении наиболее эффективны пурин-5'-монофосфаты — гуаниловая кислота (5'-GMP), инозиновая кислота (5'-ІМР) и ксантиловая кислота (5'-ХМР), причем их эффективность возрастает еще больше в присутствии глутамата натрия (см. органические кислоты, разд. 12.6.3). В Японии ежегодно производится примерно 3000 т 5'-ІМР (66%) и 5'-GMP (34%). Поскольку биосинтез нуклеозидов обычно регулируется по принципу обратной связи, то для их «перепроизводства» микроорганизмами необходимы либо ауксотрофные мутанты и соответствующие лимитирующие их рост конечные продукты метаболизма, либо особые аналоги пуриновых оснований, обеспечивающие подавление контроля биосинтеза. В промышленном масштабе нуклеозиды получают, как указано выше, микробиологическим путем или посредством гидролиза дрожжевой РНК in vitro с помощью микробных ферментов или in vivo с помощью эндогенных рибонуклеаз с последующей экскрецией мононуклеотидов в среду.

Осуществляемые с помощью микроорганизмов или ферментов биохимические превращения обычно называют биотрансформацией или биопревращением. Биотрансформации выгодно отличаются от небиологических превращений, во-первых, высокой специфичностью по отношению к субстрату, во-вторых, региоспецифичностью (селективностью по отношению к определенным группам молекулы), в-третьих, стереоспецифичностью (в частности, возможностью разделения рацемических смесей; вспомните процесс с участием иммобилизованной L-аминоацилазы, рис. 4.12) и, в-четвертых, мягкими условиями превращений. К недостаткам биотрансформаций (при наличии конкурентоспособных химических методов) относятся необходимость поддержания популяции жизнеспособных клеток в ходе биотрансформации и высокая стоимость извлечения продукта из сложной смеси.

Биотрансформации стероидов обычно представляют собой очень селективное частичное окисление одного положения стероидного скелета (например, прогестерона). Так, например, разработка и внедрение метода селективного микробиологического 11а-гидроксилирования прогестерона позволили в конце концов снизить цену кортизона с 200 долл. за 1 г (в 1949 г.) до 1 долл. за 1 г (в 1979 г.).

В табл. 12.15 приведены состав сред и условия роста культур, используемые в таких биотрансформациях. Обращает на себя внимание определенное время добавления вещества-предшественника и большая продолжительность трансформаций. Природные стероиды и стеролы, а также их производные применяются в терапии (эстрогены, прогестерон и андрогены), а также в качестве противозачаточных средств (производные эстрогена и прогестерона), транквилизаторов, противоопухолевых препаратов, ветеринарных препаратов, противовоспалительных средств при лечении кожных заболеваний и артрита (кортизон), средств для регуляции натрий-калиевого обмена. В последних исследованиях, включавших тысячи различных превращений стероидов и стеролов, применялись иммобилизованные клетки и ферменты, а также сочетания биологических превращений и химических реакций.