Выделение и очистка продуктов биотехнологии (стр. 12 )

В последние годы имеются успехи в области асимметрического синтеза аминокислот, позволяющие избежать оптического разделения рацемических аминокислот. Новый подход к этой проблеме стал возможен благодаря открытию гомогенного каталитического гидрирования олефинов с помощью комплексов родия с фосфиновыми лигандами и разработке путей синтеза хиральных фосфинов. Применение комплексов родия с хиральными фосфинами в качестве гомогенных катализаторов для гидрирования N-ациламиноакриловых кислот позволило осуществить асимметрический синтез α-аминокислот с высокой степенью стереоспецифичности и хорошими выходами.

Использование для пищевых, кормовых и медицинских целей аминокислот, полученных химическим синтезом, ставит еще одну существенную технологическую проблему - полное освобождение готового продукта от возможных токсических полупродуктов синтеза.

В последние годы прочные позиции начинает занимать комбинированный химико-микробиологический метод синтеза, при котором исходное соединение получают в результате химических реакций, а конечная стадия осуществляется за счет активности ферментных систем соответствующих штаммов микроорганизмов.

Микробиологический метод синтеза аминокислот основан на способности многих микроорганизмов накапливать в среде значительные количества таких продуктов. Среди микроорганизмов, получивших оценку как потенциальные продуценты глутаминовой кислоты, обнаружено много бактерий, ряд дрожжей и других грибов. Большинство обследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают α-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. Строгой корреляции между видовой принадлежностью микроорганизмов и способностью их накапливать аминокислоты нет.

Несмотря на широкое распространение микроорганизмов, накапливающих аминокислоты в процессе роста, продуцентов, обеспечивающих экономически выгодные выходы этих продуктов, не так много. Получают их обычно путем применения различных, мутагенных факторов. Продуцент должен аккумулировать преимущественно одну аминокислоту. Одновременное присутствие нескольких аминокислот, особенно если они близки по своим физико-химическим свойствам, затрудняет их выделение и очистку.

Ауксотрофные мутанты микроорганизмов, лишенные в результате действия мутагенов, ряда ферментных систем, признаны наиболее ценными продуцентами. Блокада у таких мутантов соответствующих реакций в цепи обмена веществ приводит к сверхсинтезу одного из метаболитов (см. схему биосинтеза лизина).

Наиболее распространенные продуценты аминокислот - грамположительные бесспоровые бактерии, относимые к родам Corynebacterium, Micrococcus, Arthrobacter, Brevibacterium (рис. 16.1) и некоторым другим, но точное таксономическое положение большинства из них определить трудно, так как содержащаяся в публикациях информация явно недостаточна для этого.

Одним из наиболее важных научных положений микробиологического синтеза аминокислот считается вопрос об их происхождении: находящиеся в среде аминокислоты - продукты ферментативного распада белков в результате автолитического процесса или они результат синтеза из других соединений. При использовании синтетических сред для культивирования продуцентов достаточно определенно показано, что аминокислоты, обнаруживаемые в среде, представляют собой продукты синтеза de novo.

Ферментативные реакции синтеза аминокислот протекают внутри клеток. Первоначально аминокислоты накапливаются внутри клеток в виде так называемых свободных аминокислот. На ранних этапах роста культуры свободные аминокислоты включаются в конструктивный обмен микроорганизма. Активное накопление аминокислот в среде в периодической культуре происходит обычно с середины экспоненциальной фазы ее роста, достигая максимума к концу.

16. 4. ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ С ПОМОЩЬЮ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ КЛЕТОК И ФЕРМЕНТОВ

В последние годы внимание исследователей привлекают методы получения аминокислот с использованием иммобилизованных ферментов. Способ имеет ряд преимуществ, в частности, конечный продукт отличается высокой концентрацией и чистотой, нет опасности заражения в ходе реакции посторонними микроорганизмами, в результате синтеза образуются только природные изомеры, имеется возможность осуществления непрерывных технологических процессов.

Микроорганизмы являются основными источниками ферментов, переводимых в иммобилизованную форму. Имея в виду преимущества иммобилизованных ферментов, необходимо учитывать, что они всегда будут дороже растворимых, но их внедрение экономически оправдано при удовлетворении даже одного из приводимых ниже условий: повышение стабильности фермента, обеспечивающее его многократное применение и тем самым сокращение расходов на препарат; улучшение качества продукта благодаря отсутствию в нем следов фермента и предотвращению нежелательных побочных реакций.

Из уже перечисленных способов получения аминокислот можно обратиться к превращению DL-α-амино-ε-капролактама в лизин. Ферменты, участвующие в реакциях гидролиза и рацемизации, могут быть иммобилизованы на ионообменных полисахаридах путем ковалентного связывания. Одно из серьезных технологических затруднений при осуществлении ферментативных реакций на носителях - возможность регенерации кофакторов (если реакция идет при их участии).

Наиболее широкое распространение имеет ферментативный метод получения аспарагиновой кислоты из фумаровой и аммония благодаря активности аспартазы, катализирующей эту реакцию:

Поскольку аспартаза, заключенная в полиакриламидный гели, относительно быстро теряет исходную активность, иммобилизации подвергают микробные клетки, обладающие аспартазной активностью. Хорошим продуцентом аспартазы признаны некоторые штаммы Escherichia coli, клетки которой фиксируются в полиакриламидном геле. При оптимальных режимах выход аспарагиновой кислоты при таком способе достигает 12000-16000 мкМ/ч∙г сухих клеток. Отмечено существенное повышение активности аспартазы клеток Е. coli после их иммобилизации.

Ферментативные методы используются также при синтезе L-аланина декарбоксилированием L-аспарагиновой кислоты с помощью Pseudomonas dacunhae.

16.5. ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОМЕРОВ АМИНОКИСЛОТ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АЦИЛАЗ МИКРООРГАНИЗМОВ

Одним из способов разделения рацематов аминокислот на L - и D-изомеры является ферментативный путь с использованием микроорганизмов, обладающих специфической L-ацилазной активностью. Ацилазы разрывают пептидную связь у ацилпроизводных аминокислот или пептидов, в результате чего образуются соответствующие свободные аминокислоты и пептиды, а также органическая кислота:

При культивировании микроорганизмов, содержащих ацилазы, необходимо соблюдать ряд условий. В частности, вводить в среды вещества, близкие по природе к субстрату действия ацилаз, например, в случае превращения DL-лизина - ε-ацетил-L-лизин. Ацилазы грибов находятся внутри клеток. Поэтому их клетки необходимо предварительно подвергать дезинтеграции, например, применяя ультразвук. Основой использования микробных ацилаз для гидролиза ацилпроизводных аминокислот является специфичность их действия относительно оптической конфигурации и структуры субстрата. Соответственно характеру асимметрического деацетилирования субстрата различают L - и D-ацилазы, причем у микроорганизмов наиболее часто обнаруживаются L-ацилазы. В зависимости от характера отщепляемого ацильного радикала различают ацетил-, бензоил-, хлорацетил-, сукцинил - и другие производные аминокислот. Поскольку наиболее распространенными являются ацетил - и бензоилацилазы, именно эти производные аминокислот предпочтительно использовать в реакциях. Необходимо иметь в виду специфичность ацилазы к аминокислотному остатку. Указанные особенности ацилаз позволяют использовать их для выделения нужной аминокислоты из смеси многих ацилпроизводных:

Остающиеся ацил-рацемат и ацил-D-аминокислота легко отделяются от оптически активной аминокислоты вследствие различий в физико-химических свойствах, например растворимости в органических растворителях и воде, способности сорбироваться на ионитах. Использование D-изомеров теоретически возможно, если иметь в виду дальнейшее применение рацемаз или химических способов. Например, некоторые N-ацетил-D-аминокислоты могут легко превращаться в N-ацетил-DL-аминокислоты путем нагревания в присутствии уксусного ангидрида. Процесс рацемизации может быть реализован также путем применения иммобилизованных ферментов.

6. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИБИОТИКОВ

11.5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ АНТИБИОТИКОВ

Широкое применение антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства поставило задачу получения этих биологически активных веществ в массовых масштабах. Решение этой задачи стало возможным благодаря созданию мощной антибиотической промышленности.

В основе промышленного производства антибиотиков лежит ряд последовательных этапов: получение высокопродуктивных штаммов-продуцентов, разработка наиболее благоприятных условий культивирования продуцента антибиотика с максимальным биосинтезом этого вещества, подбор и внедрение в практику соответствующих методов выделения и очистки антибиотика, создание готовых препаратов и контроль их качества. Каждый из этих этапов должен обеспечиваться соответствующими специалистами (генетиками, микробиологами, технологами и др.).

Производство антибиотиков представляет ныне мощную, хорошо развитую отрасль, входящую в фармацевтическую (в нашей стране в медицинскую и микробиологическую) промышленность. Она занимает одно из ведущих мест в производстве лекарственных препаратов. Особенно широко она развита в США, Англии, Японии, Франции, Италии и других странах. Например, в США ежегодно выпускается антибиотиков и их производных на сотни миллионов долларов. По общему производству антибиотиков Советский Союз занимает ведущее место в мире. По данным Лове и Эландера, только 5-лактамные антибиотики (пенициллин и цефалоспорин) составляют половину общего объема производимых антибиотиков. В 1979 г., отмечают названные авторы, путем биосинтеза только пенициллина было получено около 14800 т на общую сумму 240 млн. долларов.