БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.11. Продукция медицинского назначения

Одним из наиболее успешных и экономически выгодных направлений микробиологической промышленности является производство медицинских препаратов. Обычно они эффективны в относительно малых количествах и имеют довольно высокую стоимость. Получение их в ферментерах позволяет снизить себестоимость. В последующих разделах рассматриваются наиболее эффективные методы получения медикаментов.

12.11.1. Производство пенициллина

Производство антибиотика пенициллина — хороший пример использования периодического культивирования с добавлением субстрата для получения вторичного метаболита.

12.9. Что такое а) антибиотик, б) периодическое культивирование с добавлением субстрата, в) вторичный метаболит?

С момента открытия в 1928 г. (разд. 12.10,2) пенициллин спас, возможно, миллионы жизней. Впервые он был использован в широких масштабах во время второй мировой войны, когда его применяли главным образом для лечения солдат, страдающих гонореей — заболеванием, которое передается половым путем. Когда антибиотик стал доступен в больших количествах, его стали использовать для лечения болезней, более опасных для жизни, таких как пневмония. До использования антибиотиков смертность от пневмонии достигала 30%. Действие пенициллина связано с подавлением синтеза клеточной стенки у некоторых бактерий, в особенности у грамположительных бактерий (разд. 2.3.1, клеточная стенка). Погибают только растущие клетки. Некоторые бактерии содержат плазмиды, которые делают их устойчивыми к пенициллину (разд. 2.3.1, плазмиды). К настоящему времени известно несколько сотен пенициллинов, молекулы которых имеют одну и ту же базовую структуру, но различные боковые цепи. Некоторые из них являются синтетическими, некоторые — полусинтетическими, некоторые — природного происхождения. Они имеют разную специфичность; другими словами, они различаются по эффективности воздействия на разные бактерии. Это является хорошим стимулом для поиска альтернативных форм антибиотика.

Направленный скрининг подходящего штамма гриба Penicillium, из которого выделили пенициллин, был впервые предпринят в начале второй мировой войны в США, несмотря на то, что Флеминг открыл пенициллин в Англии (у Penicillium notatum). Поиск был организован ученым из Оксфордского университета сэром Говардом Флори (Н. Florey), которого поддержали американцы, располагавшие большими ресурсами. Были исследованы культуры и образцы почв со всего света, однако оказалось, что наибольшей продуктивностью обладает штамм Penicilliumchrysogenum, который вырос на заплесневелой дыне, купленной на местном рынке. С тех пор благодаря селекции высокопродуктивных мутантных штаммов, а также разработке методов культивирования, выделения и очистки, производство пенициллина возросло примерно в 2000 раз.

Решающее значение имеет состав среды, используемой в процессе ферментации. Предпочтительным источником углерода является глюкоза. Глюкоза обеспечивает рост гриба, однако подавляет продукцию ферментов, необходимых для синтеза пенициллина. Поэтому обычно стимулируют быстрый рост гриба в первые 30—40 ч, а затем добавляют глюкозу в низкой концентрации либо контролируемыми дозами, либо постоянно (т. е. это периодическое культивирование с добавлением субстрата). Источником азота является дешевый белок, например соевая или рыбная мука. Кроме того, в среду добавляют фосфат, карбонат кальция и фенилуксусную кислоту, которые повышают выход продукта, так как они необходимы для образования молекулы пенициллина. Поскольку пенициллин является вторичным метаболитом, он образуется уже после начальной, быстрой фазы роста. К первичным метаболитам, которые формируются на первой фазе роста, относятся, например, такие продукты дыхания, как двуокись углерода и этиловый спирт.

Посевной материал выращивают из спор гриба. Для инокуляции ферментера объемом 50 000 дм³ требуется 3—5 тонн мицелия. Поскольку пенициллин необходим в огромных количествах, для его производства построен ферментер объемом до 200 000 дм³. Ежедневно потребляется около 500 кг глюкозы. Выход пенициллина сильно зависит от температуры, которая может подниматься до 2 °С в час, поэтому нужно внимательно следить за этим фактором. Необходимо также контролировать значение pH и поддерживать его между 6,5 и 7,0. Процесс продолжается примерно 15 сут.

Дальнейшая переработка начинается с удаления мицелия путем фильтрации. Пенициллин остается растворенным в жидкой фазе среды. Его экстрагируют серией растворителей. При каждой экстракции удаляется часть примесей, так что пенициллин становится все чище и чище, пока он не окажется растворенным в воде в чистом виде. Затем воду удаляют путем выпаривания в вакууме, а пенициллин кристаллизуется в виде натриевой или калиевой соли (сам по себе пенициллин является слабой кислотой).