Достижения российской науки в области микробной конверсии стероидных соединений
Биоконверсия (биотрансформация) при получении гормонов, простаноидов, витаминов, антибиотиков и других биологически активных веществ.
Термин «биоконверсия». Значение процесса биоконверсии (биотрансформации) в практике получения стероидных соединений.
Биоконверсия (или биотрансформация) заключается в превращении метаболитов в структурно родственные соединения, обладающие более ценными свойствами, чем исходные вещества, под действием микробных клеток. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические.
Наиболее известный процесс биотрансформации – получение уксуса в результате превращения этилового спирта в уксусную кислоту. Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины.
Способность микроорганизмов выступать в роли химических катализаторов впервые удалось использовать в полной мере для синтеза промышленно важных стероидных соединений. В последние 30 лет субстратная стереоспецифичность ферментов нашла широкое применение в производстве стероидов при осуществлении разнообразных реакций: гидроксилирования, дегидроксилирования, эпоксидирования, окисления, восстановления, гидрогенизации, дегидрогенизации, этерификации, гидролиза эфиров и изомеризации. Целью всеобъемлющих исследований в этой области было осуществление специфических структурных перестроек стероидов при мягких условиях. Специфичность таких реакций определяется либо выбором определенного вида микроорганизмов, либо химической модификацией субстрата, стереохимически исключающей другие реакции. Понимание зависимости между строением молекул субстрата и характером перестройки, осуществляемой микроорганизмами, позволило сформулировать требования для каждой конкретной реакции, например, для гидроксилирования. В определении скорости и направления реакции главную роль играют положение и ориентация замещающих групп в молекуле стероидов. История развития методов микробиологического преобразования стероидов представляет собой прекрасный пример сочетания химического подхода со специфичностью и разнообразием биологических систем. Кроме того, на этой основе может быть осуществлен синтез новых стероидов, обладающих лучшими фармакологическими свойствами.
|
|
|
Особенности получения кортизона.
Итак, применение методов, основанных на биоконверсии соединений, наиболее полно иллюстрирует история синтеза стероидных гормонов. В начале 1930-х гг. Кендалл из Фонда Мэйо и Райхштейн из Базельского университета выделили из надпочечников кортизон. Десятилетием позже Хенч из того же Фонда Мэйо установил, что кортизон эффективен при лечении ревматоидного артрита.
|
|
|
Химический синтез кортизона состоит из 37 стадий, и таким образом, 1 г получаемого вещества стоил очень дорого (до 200 долларов). Одна из ключевых стадий синтеза состоит во введении атома кислорода в положение 11α-стероидного ядра; эта стадия необходима для создания физиологической активности молекулы.
В 1952 г Петерсон и Мюррей из «Апджон и К°» обнаружили, что штамм Rhizopus arrhizus способен гидроксилировать прогестерон и тем самым вводить атом кислорода в положение 11α. Прогестерон – это ранний промежуточный продукт синтеза кортизона, и при помощи микробного гидроксилирования (которое осуществляется в промышленности микроорганизмами, близко родственными к R. arrhizus, например, R. nigricans) удалось синтезировать кортизон. При этом синтез кортизона сократился до 11 стадий вместо 37, а стоимость получаемого гормона упала до 6 долларов за 1 г.
Другие преимущества микробной конверсии заключались в том, что брожение происходило при температуре 37 °C в водной среде и при атмосферном давлении, тогда как химический синтез кортизона требовал экстремальных температур и давления.
|
|
|
Сегодня любой атом углерода стероидного ядра можно гидроксилировать при помощи определенных микроорганизмов.
Достижения российской науки в области микробной конверсии стероидных соединений.
Основоположником развития данного направления науки является академик Г.К. Скрябин. Поняв перспективность исследований в области биоконверсии стероидов и их громадное практическое значение, Г.К. Скрябин занялся данными исследованиями, организацией сотрудничества с химиками в системе Академии наук и отраслевых институтов, практической реализацией результатов работы.
Исследования микробиологической биоконверсии стероидов, включая разработку регламентов микробиологического получения стероидных препаратов, на первом этапе проводились объединенными усилиями коллективов Института микробиологии, Всесоюзного научно-исследовательского химико-фармацевтического института, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, заводов им. Л.Я. Карпова и “Акрихин”.
Первый цикл работ Г.К. Скрябина был посвящен поиску в природе микроорганизмов-трансформаторов и выяснению связи систематического положения этих культур со спецификой их трансформирующего действия.
|
|
|
Вторая группа работ обобщала исследования по изысканию путей контролируемого микробиологического превращения стероидов.
Третье направление исследований было связано с использованием микроорганизмов-трансформаторов для микробиологического получения гидрокортизона, эпигидрокортизона, преднизона, преднизолона и дианабола.
Основное внимание исследователей было сосредоточено на микробной конверсии микрокристаллических субстратов и изучении физиологии стероидтрансформирующих штаммов. Главными объектами исследования являлись процессы дегидрирования кортизона и гидроксилирование вещества “S” Рехштейна до гидрокортизона и эпигидрокортизона.
Под руководством Г.К. Скрябина и при непосредственном практическом участии уже в конце 60-х – начале 70-х годов были разработаны и внедрены в производство технологии получения преднизона и преднизолона, впервые в СССР было освоено промышленное производство стероидных препаратов на основе микробиологической трансформации.
Исследования в области микробной биоконверсии стероидов были продолжены под руководством Г.К. Скрябина в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР. В начале 70-х годов вместе с К.А. Кощеенко и другими сотрудниками этого института им были проведены первые эксперименты по иммобилизации интактных клеток микроорганизмов.
В 1975 г. на Советско-американской конференции Г.К. Скрябин выступил с докладом, в котором обосновал теоретические аспекты иммобилизации живых клеток микроорганизмов и возможности их практического использования, в том числе как биокатализаторов пролонгированного действия в синтезе стероидных гормонов. С этого времени значительно интенсифицировались исследования иммобилизованных микроорганизмов. За относительно короткий срок были исследованы физиология иммобилизованных клеток, особенности метаболизма, взаимодействие клеток с носителями и липофильными субстратами, изучены структурно-функциональные характеристики иммобилизованных систем, разработаны различные методы иммобилизации (включение в гели различной природы, адсорбция и др.). Эти исследования позволили сформулировать закономерности поведения живых клеток в иммобилизованном состоянии. С помощью живых иммобилизованных клеток удалось впервые осуществить такие процессы трансформации стероидов как: 1,2-дегидрирование, 1,2-восстановление, стереоспецифическое 17 b-восстановление, 20 a- и 20 -b-восстановление и др. Исследования фундаментального характера сочетались с практическими исследованиями. Так, в начале 80-х годов были разработаны и успешно прошли заводские испытания технологии получения преднизолона на основе использования иммобилизованных бактериальных клеток.
Целый ряд работ имели принципиальное значение для развития микробной биоконверсии стероидов: исследования в области физиологии иммобилизованных микроорганизмов, создание биокатализаторов пролонгированного действия на их основе, разработки технологий получения кортикостероидов и их дегидроаналогов.
Созданное Г.К. Скрябиным направление исследований продолжает активно развиваться. В последние годы исследования сконцентрированы на приоритетных направлениях синтеза стероидных полупродуктов и микробного биокатализа: селективной деградации боковой цепи природных стеринов и биоконверсии липофильных субстратов в нетрадиционных средах. Одним из последних достижений является создание конкурентоспособных технологий получения стероидных полупродуктов на основе молекулярного капсулирования стероидов.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 245; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!