Технология производства низина. Антибиотические свойства низина.
НИЗИНЫ (NISINS).
Низины относятся к антибиотикам, которые образуются собственно бактериями. Антибиотическое вещество - низин - выделен из культуры молочнокислого стрептококка Streptococcus lactis. Низин подавляет развитие ряда грамположительных и некоторых кислотоустойчивых бактерий, не оказывает влияния на грамотрицательные бактерии, дрожжи и плесневые грибы. Этот антибиотик подавляет развитие многих микроорганизмов: пневмококки, группу стрептококков, различные виды Bacillus , Clostridium, Mycobacterium tuberculosis, Lactobacillus, Corynebacterium, немногие виды Streptomyces, Micrococcus pyogenes. Низин не оказывает антимикробного действия на Escherichia coli, Salmonella typhi, Shigella, некоторые виды Neisseria. Свойства низина, а также особенности его химического строения привлекли к этому антибиотику внимание ученых. Что касается применения, следует отметить, что низин не используется в медицинской практике, но с успехом применяется в ветеринарии для лечения маститов у коров. Также имеет большое применение в пищевой промышленности в качестве консерванта некоторых скоропортящихся продуктов, а также для предупреждения порчи сыров. Есть сообщения об активности низина в отношении малярийного плазмодия, но этот вопрос пока остается не до конца изученным.
Строение низина.
Установлено, что низин имеет молекулярную массу, равную 3500, он может полимеризоваться и образовывать димер (молекулярная масса 7000) и тетрамер. Полимеризацию низина связывают с наличием в его молекуле дегидроаланина. В состав молекулы низина входят 30 аминокислотных остатков следующих аминокислот: лизин, гистидин, аспарагиновая кислота, серин, пролин, глицин, аланин, валин, метионин, изолейцин, лейцин, остатки редко встречающихся серосодержащих аминокислот: лантионин и b-метиллантионин, ненасыщенные аминокислоты - дегидроаланин и b-метилдегидроаланин.
Биологическая активность низина обусловлена наличием в его молекуле a,b-ненасыщенных аминокислот (дегидроаланин, b-метилдегидроаланин). Димеры и тетрамеры низина, подобно мономеру, обладают биологической активностью. Низин влияет на споры чувствительных к нему бактерий, которые более богаты катионами по сравнению с вегетативными клетками, и выступает как катионитный детергент. Низин, адсорбируясь на поверхности спор, в момент прорастания спор нарушает прониаемость цитоплазматичесой мембраны и таким образом подавляет рост развивающихся клеток бактерий. Этот антибиотик способен реагировать с сульфгидрильными группами биологически важных соединений, выводя их из реакций метаболизма.
Технологические стадии производства низина.
Приготовление посевного материала.
Штаммы-продуценты из пробирок в колбы со стерильной питательной средой на качалки, оптимальные tо и рН=6.5 - 6.8.
Инокуляторы для наращивания посевного материала (малый посевной аппарат, затем большой посевной аппарат; постоянный долив питательной среды). С понижением рН среды увеличивается выделение низина из клеток в культуральную жидкость. При рН=4.3 более 90% низина выделяется в среду, а при рН=6.8 выделяется 40% антибиотика.
Но интенсивная аэрация культуры молочнокислого стрептококка не оказывает благоприятного влияния ни на рост бактерий, ни на образование низина.
Питательная среда: в средах, содержащих недостаточное для нормального развития количество азота (1-2 мг% NH2 при норме 29 мг%), сильно снижается рост стрептококка и образование антибиотика. Лучшими азотсодержащими компонентами в средах являются дрожжевой автолизат, пептон, казеиновый гидролизат. Высокий выход антибиотика наблюдается при развитии молочнокислого стрептококка на средах, содержащих аммонийные соли органических кислот.
Источник углерода - глюкоза. Добавление к среде с глюкозой двух-, трех-, четырех- и пятиуглеродных органических кислот способствует повышению роста продуцента антибиотика и некоторому увеличению образования им низина.
При засеве свежей питательной среды культурой Streptococcus lactis вместе с посевным материалом вносится и низин, так как количество общего низина в процессе развития бактерий снижается и к концу периода лаг-фазы клетки стрептококка практически не содержат антибиотика. А синтез низина происходит после экспоненциального роста бактерий в период ранней стационарной фазы.
Установка для биосинтеза антибиотика Снижение общего количества низина в лаг-период развития Streptococcus lactis и синтез антибиотика в более поздний период роста подтверждает значение низина в качестве важной части бактериального ростового цикла стрептококка (низин, по-видимому, связан с контролирующим механизмом, который не оказывает влияния на скорость роста продуцента антибиотика, но задерживает начало роста новых клеток). Снижение синтеза антибиотика к концу периода лаг-фазы обусловлено изменением третичной структуры или степени полимеризации антибиотика. Этого процесса инактивации низина можно избежать путем добавления в среду казеина, в результате чего наблюдается стабилизация антибиотической активности и большое образование низина. У низина в отличие от других полипептидных антибиотиков путь синтеза сходен с путем образования белков, т.е. связан с рибосомным механизмом. Синтез низина идет через образование низиноподобных белков-предшественников биосинтеза антибиотика, причем превращение пренизина в низин происходит под действием фермента на внешней поверхности клетки стрептококка (есть предположение и о том, что ответственность за биосинтез низина несут определенные плазмиды, в которых локализованы соответствующие гены образование молекулы антибиотика). Сам механизм биосинтеза низина и его молекулярная масса позволяют рассматривать этот антибиотик не как полипептид, а как низкомолекулярный основной белок.
Стадия предварительной обработки культуральной жидкости, клеток микроорганизма и фильтрации (отделения культуральной жидкости от биомассы продуцента).
В результате рассмотренных аспектов биосинтеза видно, что образуемый антибиотик почти полностью выделяется из клеток в культуральную жидкость (б?льшая часть его). Тогда антибиотик выделяют из культуральной жидкости методами экстракции растворителями, не смешивающимися с жидкой фазой, осаждают в виде нерастворимого соединения или сорбируют ионообменными смолами. При содержании антибиотика (как в нашем случае) в культуральной жидкости и в клетках продуцента, первичной операцией его выделения является перевод антибиотика в фазу, из которой наиболее целесообразно его изолировать. При этом антибиотик, содержащийся в культуральной жидкости, и клетки с антибиотическим веществом, переводят в осадок, из которого антибиотик экстрагируют. Отделение нативного раствора от биомассы и взвешенных частиц проводят методами фильтрации (нутч-фильтр, друк-фильтр, сепараторы) или центрифугирования.
Стадия выделения и очистки антибиотика
Во избежание инактивации антибиотика под влиянием внешних факторов при его выделении и очистке необходимо соблюдать максимальную осторожность.
Основные методы очистки:
Метод экстракции (Многократный перевод антибиотика из одного растворителя в другой с предварительным осаждением (кристаллизацией)).
Ионообменная сорбция (Пропускание водного раствора антибиотика через колонки с соответствующими ионообменными смолами, сорбция на них, а раствор с примесями, имеющий противоположный антибиотику заряд, проходит через колонку. Адсорбированный на смоле антибиотик элюируют, получают очищенный, концентрированый препарат. А раствор можно вновь пропустить через ионообменную смолу, но с противоположным зарядом, тогда на смоле осядут примеси, а более очищенный раствор пройдет через колонку.
Осаждение (Связывание антибиотика с веществами с целью получения соединения, выпадающего в осадок, который с помощью фильтров или центрифугирования отделяют от нативного раствора, промывают, высушивают. Образовавшееся соединение растворяют и антибиотик экстрагируют или вновь осаждают. )
Одна из стадий очистки - концентрирование полученных растворов (отгонка большей части растворителя в вакууме).
Стадия сушки, получение готовой продукции, изготовление лекарственных форм (биологический и фармакологический контроль), расфасовка.
Виды сушки: лиофильная сушка (при температуре -8, -12 °С) распылительная сушилка (раствор антибиотика пневматически распыляется до мельчайших капель в камере с потоком нагретого воздуха) сушка в вакуум-сушильных шкафах (для высушивания зернистых и пастообразных антибиотических препаратов).
Расфасованный и упакованный антибиотик с указанием показателя биологической активности, даты выпуска и срока годности поступает в продажу.