Биотехнология стероидных гормонов

Наличие в молекуле стероидов 11-гидроксильной группы обусловливает физиологическую активность гидрокортизона (кортизола) и преднизолона. Гидроксилированию подвергаются субстраты самого различного строения - от производных эстрана до сложных молекул стеринов, сапогенинов и т. п. Причина этого - очень широкая субстратная специфичность гидроксилаз, которую демонстрируют многие микроорганизмы. Например, штамм Cunninghamella blakesleeana, который вводит оксигруппу в 11-положение обширного набора стероидов - различных производных эстрана, тестостерона, кортексолона, прогестерона и т. д.

Получение 14-гидроксипрогестерона при помощи Bacillus cereus является одним  из немногих примеров гидроксилирования  при помощи бактерий. 15-гидроксилирование  осуществляется также многими микроорганизмами, основное место среди которых занимают Fusarium и Penicillium.

Главным препятствием, стоящим на пути дальнейшего развития промышленного микробиологического  гидроксилирования стероидов, так  же как и вообще микробиологических трансформаций этих соединений, является низкая производительность ферментаций, несмотря на высокий процентный выход по субстрату. Это обусловлено, с одной стороны, нерастворимостью стероидных субстратов в воде, с другой - токсичностью растворителей, применяемых при внесении стероида и невозможностью использования высоких концентраций субстрата. [7,10]

                                 2.2. Дегидрогенизация стероидов

Наличие двойных  связей коренным образом влияет на физиологическую активность препаратов. Используя эту реакцию, получают такие эффективные препараты, как преднизолон. Чаще всего микроорганизмы дегидрируют положения 1,2 и 4,5, но описано и введение двойной связи в положения 7,8; 8,9; 9,11; 16,17; 17,20. Реакции дегидрогенизации осуществляют бактерии и актиномицеты, особенно часто это микоформы Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia. Широкая субстратная специфичность дегидрогеназ показана на большом экспериментальном материале; она позволяет использовать в качестве субстратов ацетаты стероидов, которые являются полупродуктами во многих технологических схемах получения стероидов. Например, Mycobacterium globiforme 193, дегидрирующая 1,2-связь в кортизоне, так же эффективно превращает и кортизонацетат в преднизонацетат с выходом 86%. Исследование показало, что для этой культуры характерна максимальная удельная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста.

Реакция дегидрогенизации позволяет  получать преднизолон из кортизона, дианабол из метилтестостерона, преднизолон  из гидрокортизона. Продукты 1,2-дегидрирования образуются с высокими выходами -- до 86%. Распространенность этой реакции объясняется не только наличием соответствующих дегидрогеназ у большого числа микроорганизмов, но и химическими свойствами данного участка стероидной молекулы, ее нестабильностью, особенно при наличии кетогруппы в 3-м положении и (или) двойной связи 4,5. Этими свойствами стероидной молекулы объясняется и доступность связи 1,2 для микробных оксидоредуктаз. Во многих случаях показана обратимость реакций дегидрогенизации и восстановления.

                            2.3. Микробиологическое восстановление

Этот процесс  используется в меньшей степени, чем дегидрирование. Он осуществляется главным образом дрожжами и анаэробными  бактериями, представителями микрофлоры кишечника млекопитающих, осуществляющими превращение холестерина в копростерин:

Описаны процессы насыщения двойных связей также  и аэробными культурами, широко известными как окислители - актиномицетами, микоформами и даже грибами. Например, культура Aspergillus flavus восстанавливает ароматическое кольцо некоторых стероидов. [5]

                    

                 

 

                    2.4. Окисление гидроксильной группы в кетогруппу

Одна из наиболее частых реакций, осуществляемых микроорганизмами (бактериями, актиномицетами, грибами). Наибольший практический интерес представляют окислительные превращения гидроксильных групп у 3, 17 и 20-го атомов стероидной молекулы. Окисление гидроксила в третьем положении легко осуществляется у соединений с ненасыщенным кольцом А, а также при наличии двойной связи в положении 4. К этому же типу окислительных превращений относят введение кетогруппы в молекулу стероида.

                                        2.5. Гидролиз эфиров стероидов

Микробиологический  гидролиз эфиров стероидов был открыт в 1938 г. Практическая ценность этой реакции определяется тем, что ацилированные стероиды являются обычными промежуточными продуктами химического синтеза, в котором используется ацильная защита функциональных групп. Хотя гидролиз ацильной группы легко осуществим химическим путем, он часто приводит к побочным нежелательным продуктам.

Микробиологическое  расщепление эфирной связи осуществляется представителями различных таксономических  групп, в частности флавобактериями. Культура Вас. Megaterium обладает специфической  активностью по отношению к 21-ацетатам стероидов с диоксиацетоновой цепочкой.

Дезацилирующая  способность часто встречается  среди микоформ, мукоровых и несовершенных  грибов, актиномицетов. Особенность  приведенной реакции состоит  в том, что она проводится обычно одновременно с другими процессами - гидроксилированием, дегидрогенизацией и др. Ценность представляют как культуры, избирательно отщепляющие ацильную группу, так и микроорганизмы, способные наряду с гидролизом эфирной связи осуществлять еще какую-либо практически важную реакцию. [8]

Культуры, гидролизующие  эфирные связи без побочных реакций, обнаружены в разных таксономических  группах. Очень интенсивно проводят реакцию дезацетилирования представители  видов Actinomucor corymbosus, Mucor lamprosporus, Actinomyces flavis, A. pheochromogenes, Nocardia sp. и Arthrobacter simplex. Выход реакций достигает 95%. [3]

                               2.6. Отщепление боковых цепей стероидов

Представляет  огромный интерес как путь получения  ценных продуктов из относительно дешевых природных стероидов животного и растительного происхождения - стеринов, желчных кислот, сапогенинов.

Возрастающая  потребность в производстве стероидных препаратов, а также истощение  сырьевой базы делает все более актуальным поиск новых источников сырья. Стоимость диосгенина, получаемого из различных видов диоскореи, за последние годы возросла более чем в 10 раз в результате истощения запасов этих растений. В связи с этим возрос интерес к более доступным природным стеринам.

Основная трудность  при использовании фитостеринов заключается в необходимости селективного удаления насыщенной алифатической боковой цепи с сохранением целостности стероидного скелета. Удовлетворительных методов химического расщепления до сих пор не удалось разработать, перспективными считаются лишь микробиологические способы. Однако промышленный интерес представляют только процессы расщепления боковой цепи, не затрагивающие стероидного ядра.

Проблема расщепления  боковой цепи стеринов с сохранением  стероидного скелета может быть решена следующими способами:

1) синтезом модифицированных  стеринов, заместители в кольце  А или В которых не позволяют  микроорганизмам осуществлять 1,2-дегидрирование  или 9-гидроксилирование;

2) инкубацией  стеринов в присутствии соединений, ингибирующих действие ферментов 9-гидроксилазы или 1,2-дегидрогеназы;

3) получением  мутантных штаммов, не способных  осуществлять определенные стадии  расщепления самого стероидного  ядра.

Эти три способа, а иногда и их комбинации в сочетании  с оптимальными условиями режима ферментации позволили получить из ряда стеринов большой спектр промежуточных соединений, применяемых для химического синтеза высокоактивных стероидных препаратов. [3,6,7]

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    3. Методы проведения процессов микробиологических   

                                         трансформаций

Несмотря на разнообразие биотрансформаций стероидов, методы проведения микробиологических реакций довольно единообразны. При  поисковых работах, где не требуется  или нет возможности применять  большие количества вещества, ограничиваются проведением реакции в колбах на качалках, загрузка стероида в колбу составляет 100 - 200 мг. Для загрузок порядка 1 - 2 г стероида применяют стеклянные ферментеры. В промышленности и на опытных установках применяют стальные аппараты, оборудованные аэрирующими и перемешивающими устройствами.

Собранный стеклянный ферментер стерилизуют и загружают  стерильной питательной средой с  заранее внесенной в нее в  асептических условиях трансформирующей культурой. Особое внимание уделяют соблюдению асептики во всех операциях. Стерилизацию в зависимости от объекта осуществляют автоклавированием питательной среды при 110-120°С в боксах, освещаемых бактерицидными лампами. Операции по загрузке, отбору проб проводят в пламени газовой горелки. Загрузка питательной среды в ферментер, как правило, осуществляется передавливанием стерильным сжатым воздухом. Время роста культуры микроорганизма-трансформатора определяется появлением максимальной трансформирующей активности и может колебаться от нескольких часов для одних культур до нескольких суток для других. Для многих культур-трансформаторов характерна максимальная трансформирующая активность в период снижения удельной скорости роста культуры. [9]

Растворимость стеринов в воде очень низка. В  настоящее время стерины, предназначенные для окисления, в небольшой концентрации (порядка 1 г/л) вносят растворенными в малотоксичном, смешивающемся с водой растворителе (ацетоне, спирте, диметилформамиде). При более высоких концентрациях стеринов (выше 1 г/л) их вносят в среду в виде мелкоизмельченной пудры; для этого кристаллы стерина растирают в специальной аппаратуре или разрушают ультразвуком.

Другой способ внесения стеринов для биотрансформации состоит в том, что стерин, например, ситостерин, растворяют в смеси гептан/этиленхлорид, добавляют при перемешивании воду и отгоняют растворитель нагреванием смеси до 95°С. При таком методе концентрация ситостерина в водной суспензии может достигать 140 г/л.

Трансформация стеринов микроорганизмами основана на их использовании в качестве источника углерода, поэтому стимуляция роста трансформирующих штаммов должна приводить к увеличению выхода продуктов расщепления стеринов. Процесс стимулируется насыщением среды кислородом. Добавление в питательную среду некоторых масел в количестве 1-3 мас.% (соевого, арахисового, рапсового, оливкового) повышает выход продукта трансформации. Аналогичные результаты получены с применением глицеридов животного и растительного происхождения (тристеарин, триолеин, трипальмитин). Механизм стимуляции роста глицеридами, вероятно, состоит в устранении гидрофобности стеринов, т. е. глицериды действуют так же, как неионные ПАВ (твин), обычно применяемые для микробиологических процессов трансформации. Температурный режим микробиологических трансформаций стероидов не отличается от принятых для других микробиологических процессов и составляет 24-33°С. Условия рН определяются при отборе штамма культуры-трансформатоа и колеблются в широком интервале.

Микробиологический  контроль осуществляется только на стадии выращивания трансформирующей культуры. Аналитический контроль реакции трансформации ведется путем отбора проб через определенные временные интервалы и анализа их методом тонкослойной хроматографии на силуфоле в присутствии «свидетелей» - исходного стероида, целевого продукта трансформации и некоторых промежуточных и побочных продуктов, если они участвуют в данном процессе. [6]

После завершения трансформации культуральная жидкость, отделенная от мицелия (или другой биомассы), экстрагируется несмешивающимся с водой органическим растворителем, пригодным для растворения соответствующего стероида (этилацетат, метиленхлорид или хлороформ). Экстракт, отделенный от водной фазы, проходит требуемую очистку (окрашенные примеси обычно отделяют обработкой с активированным углем, затем уголь отфильтровывают); далее его концентрируют в вакууме и полученный осадок стероида перекристаллизовывают из подходящего растворителя. В препаративных целях при работе с небольшими количествами стероидов очистку продукта трансформации можно проводить методом колоночной хроматографии.

Специфической особенностью процесса микробиологических трансформаций является использование  чистых культур микроорганизмов-трансформаторов. Поэтому необходимым условием технологического режима является соблюдение мер для предотвращения развития посторонней микрофлоры. Последняя постоянно присутствует в воздушных потоках, циркулирующих в производственных помещениях, и представлена в основном мезофильными микроорганизмами, оптимальная температура развития которых находится в пределах 24 - 30°С. Такой же температурный оптимум характерен, как правило, и для микроорганизмов-трансформаторов.

Все операции по подготовке и выращиванию трансформирующих культур проводят в стерильных условиях с соблюдением правил и норм, разработанных и утвержденных для производств микробного синтеза. Однако внесение стероидного субстрата на трансформацию (в растущую на полноценной питательной среде культур при использовании бактерий или в водную суспензию неразмножающихся клеток - в случае применения грибного мицелия) и сам процесс трансформации, как правило, проводят не стерильно. Для уменьшения вероятности загрязнения используют стерильную воду при приготовлении суспензии стероидных субстратов, поскольку сами стероиды обычно неустойчивы в условиях автоклавирования. Одним из вариантов решения этой проблемы может служить способ внесения стероидного субстрата в питательную среду до засева ее трансформирующей культурой в момент, когда температура среды после автоклавирования снизится до 80°С и безопасна для субстрата. После выдержки в течение 30 мин среду со стероидом охлаждают до 33°С и в нее стерильно вносят трансформирующую культуру.