Мікробіологічний синтез тетрациклінів

Особливості тетрациклінів

У основі хімічної структури тетрациклінових антибіотиків лежить гідронафтацен – конденсована система з чотирьох частково гідрованих бензолових кілець. Розрізняються ці антибіотики лише характером замісника в положеннях 5 і 7, що видно з представленої нижче хімічної структури молекули тетрацикліну.

До тетрациклінових антибіотиків і споріднених до них з'єднань, що утворюються в процесі біосинтезу, відносять в даний час близько 34 з'єднань. До найбільш широко відомих тетрациклінових антибіотиків, окрім трьох, вказаних вище, відносяться 6-деметілтетрациклін (у положенні 6 відсутня метильна група), 7-хлор-6-деметилхлортетрациклін, 7-бромтетрациклін, а також метациклін і доксициклін, отримані в результаті хімічної модифікації молекули окситетрацикліну.

Дослідження антибіотиків тетрациклінового ряду почалося в 1948 р. Першим був відкритий 7-хлортетрациклін - Ауреоміцин, продуцентом якого з'явився грунтовий актиноміцет - Act. aureofaciens, забарвлений в золотисті тони, звідки і відбулася назва цього антибіотика. У 1952 р. був отриманий аналог ауреоміцину в нашій країні (Всесоюзний НДІ антибіотиків), який був названий біоміцином. Потім послідувало відкриття інших антибіотиків цього ряду, які вказані вище.

Враховуючи труднощі синтетичного отримання тетрацикліну, до цих пір в промисловості їх отримують шляхом біосинтезу. Тетрацикліни близькі між собою по хімічній структурі, тому властивості їх також повторюють багато в чому один одного.

Всі антибіотики тетрациклінового ряду мають амфотерний характер. Основні властивості їх обумовлені диметиламіногрупою. Кислі властивості тетрациклін проявляє за рахунок фенольного гидроксилу в кільці D і головним чином за рахунок енольних груп (положення 12 і 3). При цьому найбільш сильні кислотні властивості проявляє енольна група в положенні 3. Будучи амфотерною речовиною, тетрациклін розчиняється в лугах і кислотах з утворенням солей.

Солі тетрацикліну у водних розчинах гідролізуються - при стоянні концентрованих розчинів випадає осад основи. Надлишок кислоти попереджає гідроліз і випадання осаду основи. Наявність в молекулі тетрацикліну двох систем зв'язаних подвійних зв'язків, що включають кетонні і енольні групи (обкреслені пунктиром), обумовлює забарвленість цих з'єднань і характерне поглинання в УФ-світлі.

Всі тетрацикліни мають схожі між собою спектри.

Характерною властивістю тетрациклінів є розкладання їх лугом з утворенням ізотетрациклінів, що супроводиться посиленням фарбування в порівнянні з самим антибіотиком. Окрім загальних реакцій, властивих всьому тетрацикліну (реакція з розчином хлориду заліза (III), розкладання лугами, утворення азобарвника), відрізнити їх один від одного можна по різному фарбуванню при дії концентрованої сірчаної кислоти. При цьому утворюються ангідротетрацикліни, забарвлені для кожного тетрацикліну в певний колір, наприклад, у разі окситетрацикліну утворюється пурпурно-червоне забарвлення, а у разі тетрацикліну - фіолетове.

Характерною особливістю всього тетрацикліну є здатність їх флюоресцувати в УФ-світлі, що використовується для підтвердження їх достовірності.

Тетрациклін відноситься до групи антибіотиків, отримуваних із стрептоміцетів, який випускається як на Україні, так і за кордоном. Ці антибіотики володіють широким спектром антимікробної дії. Механізм дії: порушують синтез білка. Тетрацикліни, які синтезуються мікроорганізмами на середовищі, що містить кукурудзяну муку, кукурудзяний екстракт, а також інші живильні речовини, що обумовлюють біосинтез антибіотика, широко поширені в природі.

Мікробіологічний синтез тетрациклінів

Існує три способи отримання антибіотиків:

1. біологічний синтез, використовуючи високопродуктивні штами мікроорганізмів;

2. хімічний синтез. За допомогою цього методу отримують всі синтетичні антибіотики.

3. комбінований спосіб.

У виробництві тетрацикліну застосовують мікробіологічний синтез, який можливо проводити одним із способів культивування: глибинне або поверхневе. В даний час поверхневе культивування не вважається за перспективне. В порівнянні з ним глибинне культивування має ряд переваг:

- при його застосуванні можливо змінювати склад живильного середовища в широкому інтервалі значень концентрацій різних компонентів, досягаючи при цьому максимального виходу цільового продукту з одиниці об'єму устаткування ферментації;

- у технологічному процесі значно скорочується частка ручної праці;

- він вимагає менше витрат на організацію процесів автоматизації стадії ферментації;

- дає можливість спростити подальшу переробку біомаси мікроорганізмів з метою виділення і очищення готового.

Всі перераховані достоїнства привели до того, що в даний час для отримання тетрациклінів переважно використовують глибинний метод культивування продуцентів. Як продуцент тетрацикліну використовують Streptomyces aurefaciens.

При глибинному культивуванні продуцентів ферментів виділяють, як і в будь-якому біотехнологічному процесі, 5 етапів:

1. Приготування живильних середовищ залежить від складу компонентів.
Деякі заздалегідь подрібнюють, відварюють або розщеплюють. Готові до розчинення компоненти подають при постійному помішуванні в ємність для приготування середовища в певній послідовності. Стерилізацію середовища проводять або шляхом мікрофільтрації за допомогою напівпроникних мембран, або за допомогою високих температур. Стерилізуються також всі комунікації і апарати. Повітря очищається до і після аерації. До - тому що містить частинки пилу органічної і неорганічної природи, після - оскільки несе клітини продуцента.

2. Отримання засівного матеріалу. Для засіву живильного середовища матеріал готують також глибинним методом. Отримання посівного матеріалу полягає в збільшенні маси продуцента в 3-4 стадії. Об'єм посівного матеріалу залежить від фізіологічних особливостей продуцента.

3. Виробниче культивування. Біосинтез ферментів в глибинній культурі протікає протягом 2-4 діб при безперервній подачі повітря і перемішуванні. Висока концентрація живильних речовин на перших етапах можуть гальмувати зростання біомаси продуцента, тому часто свіже середовище або деякі її компоненти вводяться у ферментер на стадії активного зростання. Температурний оптимум знаходиться в інтервалі 22-32°С. У сучасних технологічних процесах ведеться безперервне автоматичне визначення вмісту в середовищі вуглеводів, кількості метаболітов, що утворилися, і концентрації клітин. Дані поступають в комп'ютер, який визначає стратегію корекції процесу і автоматично регулює його. Цим досягається максимальна продуктивність і якнайкраща якість продуктів.

4. Виділення. У міцелії тридобової культури зазвичай залишається не більше 15% ферментів. Останні виділяються в навколишнє рідке середовище. В цьому випадку препарати ферментів виділяють з фільтратів після відділення біомаси.

5. Отримання товарної форми.