Біотехнологія виробництва антибіотиків

Промислове виробництво антибіотиків включає кілька стадій:

1. Виготовленя середовища для культивування продуцента і посівного матеріалу. Для кожного продуцента використовується своє оптимальне середовище, яке забезпечує ріст продуцента і максимальне утворення антибіотика, містить доступні та дешеві компоненти, забезпечує застосування економічно вигідних способів виділення і очищення антибіотика. У деяких випадках для значного підвищення біосинтезу антибіотика в середовище вносять попередників синтезу певного антибіотика.

2. Біосинтез антибіотика. Ферментацію проводять у спеціальних ферментерах, які забезпечують оптимальні умови для росту продуцента і максимальне утворення антибіотика.

3. Попереднє оброблення культуральної рідини. Залежно від того, виділяється антибіотик у культуральну рідину частково чи є в середині клітин, використовують різні спосби його виділення. Для антибіотиків, які виділяються з культуральної рідині, застосовують методи екстракції розчинниками, осадження або сорбції іонообмінними смолами. Внутрішньоклітиннні антибіотики екстрагують органічними розчинниками. Відділення розчину від біомаси та інших баластних речовин проводять методом фільтрації або центрифугуванням.

4. Виділення і очищення антибіотика. Основними методами є екстракція, осадження, сорбція на іонообмінних матеріалах, упарювання, сушіння.

5. Отримання готової продукції, приготування лікарських форм, фасування. До антибіотиків, що використовують у медицині, ставлять високі вимоги (високий ступінь очищення, стерильність препарату тощо), тому стадії очищення і стандартизації проводять у стерильних умовах. Найчастіше для сушіння використовують ліофілізацію при температурі -8, -12^оС.

Готовий продукт піддають біологічному і фармакологічному контролю. Біологічний конроль включає визначення стерильності, фармакологічний – токсичності, пірогенності, токсикогенності тощо. Встановлюють максимальну дозу антибіотика, дози, що викликають повну і 50 % загибель експериментальних тварин. Готова форма лікарського засобу надходить до споживача із зазначенням біологічної активності і дати виготовлення.

Антибіотики немедичного призначення, що застосовують у сільському господарстві, одержують також в умовах стерильності, проте готовий продукт – це висушена біомаса продуцента або культуральне середовище, яке містить також біологічно активні речовини (вітаміни, ферменти, амінокислоти).

Для виробництва одного з найбільш розповсюджених антибіотиків – пеніциліну, використовується високопродуктивний промисловий штам Penicillium notatum (syn. chrysogenum). Його культивують у 100 – 1000-літрових ємностях – ферментерах, у присутності фенілоцтової кислоти на багатому поживному середовищі. Для забезпечення безперервного виходу пеніциліну декілька ферментерів працюють у змінному режимі.

По закінченні ферментації культуральну рідину відокремлюють фільтруванням, клітини плісняви промивають. Із одержаного фільтрату промиванням за допомогою бутанолу і джерела іонів калію в спеціальних установках-кристалізаторах одержують кристалічну калієву сіль пеніциліну 99,5 % чистоти. Виділений і очищений антибіотик пеніцилін є вихідною речовиною для наступних хімічних модифікацій. Оброблений ферментом пеніцилінамідазою (продуцентом якого є спеціальний бактеріальний штам), пеніцилін у результаті видалення із молекули бензольної групи при 37⁰С у водному середовищі перетворюється в 6-амінопеніцилову кислоту (6-АПК). Ця кислота як антибактеріальний засіб має слабку активність, однак, структура ядра 6-АПК є зручною основою для модифікаційних маніпуляцій, у результаті яких, при приєднанні бічних груп антибактеріальна ефективність препарату значно зростає.

Отримання 6-амінопеніцилової кислоти (6-АПК) хімічним синтезом є досить складним завданням. Отримання нових аналогів пеніциліну пов’язано зі зміненням його бічного ланцюга при збереженні цілісності «ядра» антибіотика, яким є 6-АПК. Найпростіший шлях отримання антибіотиків цього класу – отримання 6-АПК з подальшим ациліруванням її аміногрупи з отриманням напівсинтетичних аналогів. У теперішній час для отримання 6-АПК використовують іммобілізовані бактеріальні клітини, які містять пеніцилінамідазу, або чистий фермент пеніцилінамідазу. Більшість 6-АПК отримують за допомогою іммобілізованих ферментів.

Більшість антибіотиків добре розчинні в органічних кислотах і нерозчинні у воді. Для отримання антибіотиків, як правило використовують екстракцію, яку проводять у декілька стадій. На першій стадії із водної фази переводять сполуки в органічну фазу, потім з цієї фази знову переводять у водну фазу, при цьому забезпечується як концентрування, так і очищення цільового продукту.

При отриманні пеніциліну (в 1 л поживного середовища міститься 35 г антибіотика) видаляють біомасу міцелію фільтруванням. Оскільки рН пеніциліну знаходиться у діапазоні 2,5–3,1, то культуральне середовище доводять до рН 2,0-3,0, після чого проводять екстракцію органічними розчинниками. Для цього використовують систему культуральне водне середовище-амілацетат (або бутилацетат) у співвідношенні 10:1 (v/v)/ При цьому в органічну фазу переходить майже весь пеніцилін. Для додаткового очищення проводять повторну екстракцію водним розчином фосфатного буферу (рН 5-7,5). Антибіотик отримують у вигляді натрієвої солі осадженням із водно-бутанолової суміші.

Крім пеніцилінів і цефалоспоринів до β-лактамних антибіотиків належать цефаміцини, продуцентами яких є актиноміцети, що відносяться до роду стрептоміцетів (Streptomyces).