Контрольные вопросы

Какие вещества называют антибиотиками? Назовите способы получения антибиотиков в промышленности. Среди каких групп организмов больше всего встречается продуцентов антибиотиков? В чем выражается специфичность антибиотиков? Какие антибиотики, образуемые бактериями, вы знаете? Назовите группы антибиотических веществ, образуемые актиномицетами, мицелиальными грибами. Какие способы повышения продуктивности антибиотиков организмами вы знаете? Какие последовательные этапы включает промышленное производство антибиотиков? Какие области применения антибиотиков вы знаете? Перечислите принципы отбора антибиотиков для использования в растениеводстве для борьбы с возбудителями порчи продуктов питания. Какие свойства антибиотиков используют при научных исследованиях?

Литература

1. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. - М., 1986.

2. Производство антибиотиков / Под ред. С.М.Навашина и др. - М., 1970.

3. Антибиотики и их продуценты. Сб. - М., 1975.

4. Ермольева З.В. Пенициллин. - М., Л., Медгиз, 1946. - 153 с.; 2 изд., 1956. - 64 с.

5. Гаузе Г.Ф. Пути изыскания антибиотиков. - М., Изд-во АН СССР, 1958. - 172 с.

6. Навашин С.М., Сазыкин Ю.О. Некоторые направления и перспективы развития науки об антибиотиках // Антибиотики и медицинская биотехнология. - 1985, № 1. - С.3-16.

7. Леонов Н.И., Скрябин Г.К., Солнцев К.М. Антибиотики в животноводстве. - М., Сельхозгиз, 1962. - 232 с.

8. Сазыкин Ю.О. Биохимические основы действия антибиотиков на микробную клетку. - М., Наука, 1965. - 267 с.

9. Навашин С.М., Фомина И.П. Рациональная антибиотикотерапия. - 4 изд. - М., Медицина, 1982. - 495 с.

10. Хохлов А.С. Химия антибиотиков: Развитие органической химии в СССР // Советская наука и техника за 50 лет. - М., Наука, 1967. - С.544-553.

Витамины

Низкомолекулярные органические соединения, присутствующие в живых клетках в очень низких концентрациях, участвующие во всех биохимических и физиологических процессах как важнейшие регуляторы жизнедеятельности. Оказывают сильное и специфическое влияние на рост, развитие и обмен веществ. В отличие от белков, жиров и углеводов количественные потребности организма в витаминах ничтожны. Они играют роль биокатализаторов. Витамины группы В входят в состав ноферментов ряда ферментов, участвующих в углеводном, белковом и жировом обмене. Витамины группы В (тиамин, никотиновая кислота, рибофлавин), а также ретинол, кальциферолы, токоферолы могут участвовать в процессах и реакциях не только в роли коферментов. Например, тиамин и его коферментные формы участвуют в регуляции синтеза макромолекул, рибофлавин - в образовании митохондриальных мембран. Витамин С, -токоферол, -каротин обладают антимутагенным действием. Отсутствие или недостаток витаминов в организме приводит к нарушению обмена веществ, возникновению заболеваний. Человек и высшие животные нуждаются в поступлении витаминов извне.

Первичная цель применения витаминов лечебная, в последнее время основное их количество используется для обогащения кормовых и пищевых рационов.

При обогащении кормовых рационов витаминами резко снижается гибель молодняка сельскохозяйственных животных и птицы, возрастает усвояемость кормов, ускоряется рост, повышается резистентность организмов к заболеваниям, снижаются затраты на единицу продукции или прироста, появляется возможность заменить дорогостоящие и дефицитные корма животного происхождения более дешевыми растительными. Эффект от применения витаминов в животноводчестве связан с недостаточным содержанием некоторых из них в кормах, а также при их заготовке и хранении содержание витаминов снижается.

Витамины используются для интенсификации биотехнологических производств. Например, добавление каротиноидов увеличивает синтез антибиотиков, ферментов, белка, глюкозы, органических кислот, спиртов и т.д. Имеются сведения о применении витаминов в растениеводстве. В Литовской сельхозакадемии в 1982 г. показано, что опрыскивание посевов моркови раствором пиридоксина позволило увеличить урожай на 45,6%, в таких же пропорциях получен эффект и при опрыскивании моркови этим витамином перед хранением.

Экспериментально обоснована связь витаминов с белками. Установлено, что усвоение белка организмом зависит от витаминного комплекса. В середине ХХ в. возросла потребность в сбалансированных кормах. Оказалось, что именно микробиологический синтез наиболее рентабелен при производстве витаминов для животноводства и растениеводства. Поэтому он стал основой промышленного производства для этой цели. В настоящее время изучен механизм биологического синтеза тиамина, рибофлавина, биотина, эргостерина, кобаламинов, коротиноидов и убихинонов, получены представления о путях регуляции этих процессов.

Биосинтетические способы более перспективно применять при синтезе особо сложных по строению витаминов порфириновой и стероидной природы, коэнзимных форм витаминов. Сейчас этим способом производят рибофлавин и витамин В₁₂. Микроорганизмы используются также, как селективные окислители сорбита в сорбозу при получении аскорбиновой кислоты (вит. С), частично - для производства витаминных концентратов -каротина (провитамина А), эргостерина и коэнзимных форм ряда витаминов (кофермента В₁₂, ФАД, коэнзима А). Изучены культуры - продуценты тиамина, пиридоксина, биотина. Теоретически с помощью микроорганизмов можно получить все известные в настоящее время витамины и в этом направлении ведутся изыскания. Необходимо отметить, что наряду с раздельно получаемыми витаминами, специально выпускаемыми для сбалансирования кормовых рационов, в качестве источника некоторых витаминов группы В используется белково-витаминный концентрат, содержащий витамины этой группы. Например, при культивировании дрожжей на углеводородах они могут содержать витамины в количестве, мкг/г сухой биомассы: рибофлавин - 45-220; тиамин - 5-50; биотин - 0,3-3,0; инозит - 400-5700; фолиевая кислота - 3,4-34; парааминобензойная кислота - 3-62; пантотеновая кислота - 30-160; пиридоксин - 9-30; никотиновая кислота - 100-170 (Т.Е.Попова, 1968). Количество витаминов, синтезированных клеткой зависит от штамма и условий культивирования: аэрации, содержания микроэлементов, азота, рН и др. Источниками витаминов группы В могут быть бактерии, водоросли, грибы. Наиболее крупные страны - производители витаминов: США, Япония, Франция, Германия. Ведущую роль в производстве витаминов играет швейцарский концерн Hoffman La Roche, который выпускает от 50 до 70 процентов всех витаминов.

Витамин В₁₂ (цианокобаламин)

Неполимерное соединение с очень сложным строением - (5,6 диметилбензимидазол)-кобамидцианид. Группа витаминов В₁₂ называется корриноиды. В 1972 г. через 25 лет после открытия витамина В₁₂ был осуществлен химический синтез корриноида. Весь процесс состоял из тридцати семи последовательных ступеней. В силу сложности такого синтеза микробиологический метод остается единственным промышленным способом получения витамина. В настоящее время сложилось мнение, что цианокобаламин (В₁₂) не индивидуальное вещество, а группа корриноидных соединений с вариациями в - и -лигандах. В качестве -лиганда он несет группу циана, но может быть замещен группой ОН (оксикобаламин) или группой СН₃ (метилкобаламин), 5'-дезоксиаденозильным остатком (5'-дезоксиаденозилкобаламин).

Витамин В₁₂ участвует в обменных реакциях организма: регулировании жирового и углеводного обмена, в превращении и катаболизме незаменимых аминокислот - метионина, треонина, валина, лейцина, изолейцина и т.д. Он участвует и в модификации нуклеиновых кислот, обеспечивает организм позвоночных предшественником гемоглобина крови. В медицине его применяют для лечения злокачественной (пернициозной) анемии, для срастания костных тканей после перелома, при лучевой болезни, заболеваниях печени, полиневритах. Витамин В₁₂ имеет большее значение для животноводства, при его использовании растительные корма полноценнее усваиваются без включения в рацион дефицитных белков животного происхождения, повышается прирост массы на 10-15% и продуктивность. Необходимость промышленного получения витамина В₁₂ для животноводства заключена в том, что применяемый кормовой белково-витаминный комплекс, состоящий из дрожжевой биомассы, не имеет витамина В₁₂.

Продуцентами при промышленном синтезе витамина В₁₂ могут быть актиномицеты и родственные им организмы, пропионовокислые, метанообразующие и фотосинтезирующие бактерии, одноклеточные водоросли и т.д.

Представители рода Рropionibacterium способны активно синтезировать витамин В₁₂. Природные штаммы образуют 1,0-8,5 мг/л корриноидов, однако мутант Р.shermanii М-82 выделяет до 58 мг/л витамина. Среди представителей семейства Propionibacterium имеются другие виды также способные вырабатывать подобный продукт, прежде всего это Eubacterium limosum (Butyribacterium rettgerii). Истинный витамин В₁₂ в значительных количествах синтезируют представители актиномицетов, в частности Nocardia rugosa - до 18 мг/л. Активные продуценты обнаружены среди представителей рода Micromonospora: M.purpureae, M.echinospora, M.halophitica, M.fusca, M.chalceae. Среди метаногенов можно отметить Methanosarcina barkeri, M.vacuolata, отдельные штаммы галофильного вида Methanococcus halophilus (до 16 мг/л). Корриноиды синтезируют и облигатные анаэробы Clostridium tetanomorphum и Cl.sticklandii, у которых аденозилкобаламин входит в состав ферментных систем, катализирующих специфические реакции изомеризации аминокислот: глутаминовой, лизина, орнитина. Витамин В₁₂ образуют ацетогенные клостридии Cl.thermoaceticum, Cl.formicoaceticum, а также Аcetobacter woodi, синтезирующие ацетат из СО₂. Pseudomonas denitrificons, штамм МВ-2436 синтезирует до 59 мг/л корриноидов. На фирме Мерк в США этот штамм используют в качестве основного продуцента витамина В₁₂. Интерес представляют термофильные бациллы: Bacillus circulans, растущая при температуре 60⁰С и Bac.stearothermophilus - при температуре 75⁰С, которые за 18 часов культивирования дают 2,0-6,0 мг/л витамина. Корриноиды выделяют Rhodopseudomonas palustris, фототрофные пурпурные бактерии Rhodobacter sphericus, Rh. capsulatus, Rhodospirillum rubrum, Chromatium vinosum, синезеленая водоросль Anabaena cylindrica, одноклеточная зеленая водоросль Chlorella pyrenoidosae и красная водоросль Rhodosorus marinus. Продуценты витамина В₁₂ культивируют на средах, как на основе пищевого, так и непищевого сырья: соевой и рыбной муки, мясного и кукурузного экстракта, изопропилового спирта, метанола и пропандиола, выделяя при этом от 1,1 до 160 мкг/л.

В качестве примера рассмотрим получение витамина с использованием пропионовокислых бактерий, в частности Рropionibacterium freudenreichii var. shermanii.

Бактерии культивируют периодическим методом в анаэробных условиях в среде, содержащей кукурузный экстракт, глюкозу, соли кобальта, сульфат аммония. Кислоты, образующиеся при брожении, нейтрализуют раствором щелочи, непрерывно поступающей в ферментер. Через 72 ч в культуру вводят предшественник - 5,6-диметилбензимидазол (5,6-ДМБ), это необходимо, так как в отсутствие 5,6 ДМБ бактерии синтезируют фактор В и псевдовитамин В₁₂ не имеющий клинического значения. Ферментацию заканчивают через 72 часа. Биомассу сепарируют, водой из нее экстрагируют витамин, который накапливается в клетках. Экстракция происходит при рН 4,5-5,0 ед и 85-90⁰С в течение 60 мин с внесением стабилизатора 0,25% р-ра NaNO₂.

Водный раствор витамина В₁₂ охлаждают, доводят рН до 6,8-7,0 ед. 50% раствором NaOH, добавляют Al₂(SO₄)18H₂O и FeCl₃ для коагуляции белков, фильтруют через фильтр-пресс. Раствор очищают на ионообменной смоле СГ-1, с которой кобаламины элюируют раствором аммиака. В дальнейшем проводят еще ряд этапов химической очистки. Конечный препарат кристаллический. Однако используют в виде растворов, таблеток совместно с другими компонентами.

Перспективны исследования по мутагенезу пропионовокислых бактерий для создания высокопродуктивных штаммов, способных расти на дешевом непищевом сырье.

Для обогащения кисломолочных продуктов витамином В₁₂ используют чистые культуры пропионовокислых бактерий или в виде концентрата, приготовленного на основе молочной сыворотки.

Для животноводства витамин В₁₂ получают, используя культуры термофильных метаногенов при росте в среде, содержащей Н₂ и СО₂.

В Японии продемонстрирована возможность получения цианкобаламина с использованием иммобилизованных, измененных в результате мутаций и селективно отобранных клеток пропионовокислых бактерий, которые выделяют витамин в среду.

В настоящее время существует ряд других технологий получения витамина В₁₂ в нашей стране и за рубежом, но разбор их необходимо проводить в курсе основ биотехнологии витаминного производства.