4.4 Биотехнология получения вторичных метаболитов
Принципы получения вторичных метаболитов основаны на особенностях их образования клетками микроорганизмов. Биосинтез вторичных метаболитов фазоспецифичен и происходит после завершения стадии роста, в идиофазе, благодаря чему их и называют идиолитами.
4.4.1 Получение антибиотиков
Антибиотики – самый большой класс фармацевтических соединений, синтез которых осуществляется микробными клетками. К этому же классу относятся противогрибковые агенты, противоопухолевые лекарства и алкалоиды. В мире ежегодно производится антибиотиков на 20 млрд. долларов. Еще более широко, чем в медицине, они используются в растениеводстве, животноводстве, ветеринарии, пищевой промышленности.
В 1928 г. английский микробиолог Флеминг установил способность зеленой плесени Penicillum notanum вызывать гибель микроорганизмов, а во время 2-ой Мировой войны был начат промышленный выпуск антибиотиков. Следует отметить, что в 1871 г. лечебные свойства плесени были описаны русским дерматологом А.Г. Полотебновым.
К антибиотикам относятся низкомолекулярные эффекторы изначально природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток. В настоящее время описано 12000 антибиотичных препаратов, из которых в клинике применяется около 200. Около 97 % известных антибиотиков токсичны, поэтому в практике не используются. В химическом отношении они представляют собой сборную группу органических веществ.
По типу действия антибиотики делят на бактерицидные, вызывающие гибель микроорганизмов и бактериостатические, нарушающие способность микроорганизмов делиться. По спектру действия различают антибиотики узкого и широкого действия. К последним относят тетрациклины, макролиды, амилогликозиды, которые назначают в случае неидентифицируемых возбудителей болезней, при длительном применении они вызывают дисбактериоз.
Особенностью антибиотиков является специфичность их действия. Эти эффекторы подавляют один или несколько процессов лишь у некоторых микроорганизмов. В зависимости от специфики действия антибиотиков на молекулярном уровне различают следующие группы соединений, вызывающие у бактерий:
1) нарушение биосинтеза пептидогликанов клеточной стенки;
2) нарушение отдельных этапов процесса трансляции (трансляция – реализация генетической информации);
3) повреждение цитоплазматической мембраны;
4) нарушение биосинтеза нуклеиновых кислот;
5) нарушение энергетического обмена.
Антибиотики широко используются для расшифровки механизмов биосинтеза белка, нуклеиновых кислот и структуры клеточных стенок бактерий.
Изыскание новых антибиотиков обусловлено и потребностями практики, и накоплением резистентных форм микроорганизмов по отношению ко многим антибиотикам. Устойчивость микроорганизмам придает фермент лактамаза, превращающий пенициллин в пенициллиновую кислоту. Поэтому новые аналоги антибиотиков получают при использовании природных ингибиторов β-лактамаз – клавулановой и оливановой кислот.
Химические методы получения антибиотиков очень сложны и не могут конкурировать с их биосинтезом методами биотехнологии.
Существует несколько способов получения как природных, так и полусинтетических антибиотиков:
1) ферментация микроорганизма-продуцента с подходящим пред-шественником, что индуцирует синтез антибиотиков в идиофазе;
2) использование для биосинтеза блокированных мутантов. У таких мутантов блокирован синтез нужного антибиотика. Используя низкую субстратную специфичность ферментов вторичного метаболизма и вводя аналоги предшественников антибиотика, их переводят в аналоги самого антибиотика. Этот процесс называется биосинтез, или мутасинтез:
а) предполагается последовательность реакций, ведущая к синтезу антибиотика
;
б) отсутствие синтеза антибиотика у «блокированного» мутанта
;
блокированное звено метаболизма
в) синтез модифицированного антибиотика после введения аналога предшественника (D*)
– модифицированный
антибиотик.
Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актинамицетами, эубактериями и другими микроорганизмами. Шесть родов филаментозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков, в том числе пенициллин и цефаллоспорин, а три рода актиномицетов – 3000 антибиотиков. Среди актиномицетов наибольший вклад вносит род Streptomyces, один из видов которого – S. griseus синтезирует более 50 антибиотиков.
Процесс культивирования идиолитов проходит две фазы (двухступенчатое культивирование). На первой фазе происходит накопление достаточного количества биомассы, которая выращивается на подходящей для роста микроорганизма среде. Эта фаза должна быть быстрой, а питательная среда дешёвой. На второй фазе осуществляется запуск и активный синтез антибиотика. На этой фазе ферментацию ведут на продуктивной среде. Образование антибиотиков регулируется условиями культивирования микроорганизмов. Поэтому оптимизация питательной среды является главным фактором в повышении выхода продукта.
Большинство антибиотиков получают при глубинной аэробной ферментации периодического действия в асептических условиях.