Витамини, алкалоиди, нуклеозиди, стероиди
Витамини, алкалоиди, нуклеозиди, стероиди - раздел Химия, Основи на биохимичното инженерство Микроорганизмите произвеждат не само протеини (ензими) и антиби.
Микроорганизмите произвеждат не само протеини (ензими) и антибиотици, но и много други сложни метаболити. Няколко процеса от този тип са от индустриален интерес, като успешно се конкурират със съответните химични процеси на пълен синтез или дори значително ги превъзхождат.
От микробиологично синтезираните витамини [витамин B12, рибофлавин (B2), тиамин, фолиева киселина, пантотенова киселина, пиридоксал] само B12 и B2 се получават индустриално по този начин, като последният все повече се произвежда чисто химически. Витамин В12, наричан още цианокобаламин, се синтезира в природата само от микроорганизми, въпреки факта, че това съединение е необходимо за всички животни. Микробната флора на дебелото черво може да произвежда В12, но човешкото тяло не го усвоява и затова човек трябва да получава В12 от храната. В началото на 80-те години на миналия век световното производство на B12 е приблизително 10 тона, от които около две трети се консумират от фармацевтичната индустрия (като цианокобаламин, хидроксокобаламин, коензим B12 и метилкобаламин), а една трета се използва като добавка към обеднените на B12 растителни храни за домашни любимци.
При производството на витамин В12 в периодичен режим се използват главно организмиPropionibacteria (freudenreichiiиshermanii)(Таблица 12.14), като целият процес е разделен на два етапа - анаеробен (2-4 дни) и аеробен (3-4 дни). Продуктът от анаеробния етап (5'-дезоксиаденозилкобнамид гуанозин фосфат) кондензира с продукта от аеробния
етап (5,6-диметилбензимидазол), като резултаткойто в крайна сметка произвежда витамин В12. Операциите по изолиране включват нагряване (за освобождаване на клетъчно свързан витамин В12) и химическо превръщане в стабилен цианокобаламин.
Таблица 12.14. Характеристики на микробиологичните процеси за получаване на витамин B12 a
Разработен е и непрекъснат двуетапен процес. МикроорганизмътPseudomonas denitrifleansможе да произведе B12 в една стъпка, ако към средата се добавят кобалтови соли и 5,6-диметилбензимидазол като прекурсори. За десет години работа по намирането на по-продуктивни щамове добивът на витамин В12 е увеличен от 0,6 до 60 mg/l. Използваното хранително вещество е меласа от захарно цвекло, която е евтин източник на бетаин. Активната утайка, образувана при третирането на отпадъците, също съдържа B12 (4–10 mg/l), но изолирането му е трудно поради едновременното образуване на много вещества, подобни на B12.
Фармакологично активните ергоалкалоиди се произвеждат от гъбитеClaviceps.Микробиологичният метод позволява да се постигне концентрация на ергоалкалоиди в културалната течност над 5 g/l, което се сравнява благоприятно с изключително сложния пълен химичен синтез и метода на биосинтеза чрез заразяване на ръж. Често срещан проблем в микробиологичните процеси за производство на ергоалкалоиди е разграждането на щама. Увеличаването на биосинтетичните процеси на ергоалкалоидите е трудно поради високата нужда от кислород и чувствителността към скоростта на разбъркване.
Нуклеозидите и нуклеотидите се използват като ароматизиращи добавки към хранителни продукти. В това отношение най-ефективни са пурин-5'-монофосфатите - гуанилова киселина (5'-GMP), инозинова киселина (5'-IMP) и ксантилова киселина (5'-XMP), като тяхната ефективност се повишава още повече в присъствието на глутамат.натрий (вижте органични киселини, раздел 12.6.3). В Япония се произвеждат приблизително 3000 тона 5'-IMP (66%) и 5'-GMP (34%) годишно. Тъй като биосинтезата на нуклеозидите обикновено се регулира от принципа на обратната връзка, тяхното "свръхпроизводство" от микроорганизми изисква или ауксотрофни мутанти и съответните метаболитни крайни продукти, ограничаващи техния растеж, или специални аналози на пуринови бази, които осигуряват потискане на контрола на биосинтезата. В индустриален мащаб нуклеозидите се получават, както е посочено по-горе, микробиологично или чрез хидролиза наin vitroдрождева РНК с микробни ензими илиin vivoс ендогенни рибонуклеази, последвано от екскреция на мононуклеотиди в околната среда.
Биохимичните трансформации, извършвани с помощта на микроорганизми или ензими, обикновено се наричат биотрансформацияили биотрансформация. Биотрансформациите се сравняват благоприятно с небиологичните трансформации, първо, чрез висока специфичност по отношение на субстрата, второ, чрез региоспецифичност (селективност по отношение на определени групи от молекулата), трето, чрез стереоспецифичност (по-специално, възможността за разделяне на рацемични смеси; помнете процеса, включващ имобилизирана L-аминоацилаза, фиг. 4.12) и, четвърто, чрез меките условия на трансформации. Недостатъците на биотрансформациите (при наличието на конкурентни химични методи) включват необходимостта от поддържане на популация от жизнеспособни клетки по време на биотрансформацията и високата цена за извличане на продукта от сложна смес.
Биотрансформациите на стероидите обикновено са много селективно частично окисляване на една позиция на стероидния скелет (например прогестерон). Например разработването и прилагането на метод за селективно микробиологично 11а-хидроксилиранепрогестеронът в крайна сметка намали цената на кортизона от $200/g (през 1949 г.) до $1/g (през 1979 г.).
В табл. 12.15 показва състава на средата и условията за растеж на културата, използвани при такива биотрансформации. Обръща се внимание на определеното време за добавяне на прекурсорното вещество и дългата продължителност на трансформациите. Естествените стероиди и стероли, както и техните производни, се използват в терапията (естрогени, прогестерон и андрогени), както и контрацептиви (естроген и прогестеронови производни), транквиланти, противотуморни лекарства, ветеринарни лекарства, противовъзпалителни средства при лечение на кожни заболявания и артрит (кортизон), средства за регулиране на натриево-калиевия метаболизъм. Последните проучвания включват хиляди различни трансформации на стероиди и стерол с помощта на имобилизирани клетки и ензими, както и комбинации от биологични трансформации и химични реакции.