Материал: Феофилова, Е. П. Фундаментальные основы микологии и создание лекарственных препаратов из мицелиальных грибов

получениякаротина.Всвязистем,чтосозданиебиотехнологии получения каротиноидов внесло много нового в эту науку, мы сочли возможным более подробно остановиться на ряде био- технологических приемов, которые потом использовались для получениядругих БАВ из грибов, в частности пренолов и, осо- бенноубихинона, широко применяемого в косметике.

Биотехнологический способ получения β-каротина.

Первый регламент получения β-каротина биотехнологиче- ским способом с использованием гетероталличных штаммов B. trispora в20-литровыхферментерахбылпредложенещев1963 году.Однакоэтотспособненашелдальнейшегоиспользования, так как стоимость микробиологического каротина оказалась выше, чем получаемого путем химического синтеза. Прошло несколькодесятилетий,исимпатиилюдейобратилисьвсторону природных пищевых илекарственных препаратов.

Всвязисэтиммикробиологическийспособполучениякаро- тинаначалактивноразвиватьсяи, несмотрянато,чтокаротин можно было получать из бактерий, водорослей, растений и грибов,чемпионамисталигетероталличныештаммыB. trispora. Ониспособнывусловияхзавода(10-кубовыеферментеры)ста- бильнообразовыватьдо3–4г/лкаротина,чтосразузначительно снизилостоимостьэтогоизопреноидаисделалопроизводство экономически выгодным.

Однако для этого понадобились многочисленные исследо- вания, позволившие создать высокоактивные штаммы и подо- брать соответствующие условия культивирования. В 80-е годы прошлого столетия определенные успехи были достигнуты приполученииспонтанныхмутантов, которыепозволили вус- ловиях завода увеличить выход каротина на 10–15%. Несколько позжебылиразработаныметодысиспользованиеммутагенных соединений. С этой целью, например, споры B. trispora экспо- нируютсясN-метил-N’-нитро-N-нитрозогуамидиномвтечение 30минутв100мгмутагена(выживаемостьспороколо1%).Выход каротиноидов вышеусупержелтогомутанта (в 6 раз выше,чем у других мутантов и дикого штамма). Однако такие мутанты в заводскихусловияхдостаточнобыстротерялисвоюактивность, ивферментеренаблюдалосьвытеснениеэтихштаммовдикими.

http://www.mycology.ru

© Национальная академия микологии, 2013

112 Фундаментальные основы микологии и создание лекарственных...

Следует также отметить, что повышение уровня β-каротина у B. trispora путем генетических комбинаций возможно в более умеренныхпределах,чем,например,уPhycomyces blakesleeanus,

итакие штаммы в производственных условиях недолго сохра- няютсвоюактивность.

Известно, что поднять продуктивность штаммов можно по- вышениемуровняилиактивностисоответствующихферментов или измением биосинтетического пути с использованием ре- комбинантныхДНК. Последнийметоддаетвозможностьполу- чать каротиноиды у штаммов микроорганизмов, неспособных

ксинтезу этого пигмента. Например, были получены штаммы

Candida utilis, E. coli, S. cereviseae, способные синтезировать не толькоβ-каротин,ноиликопин,однакотакиемикроорганизмы ненашлипрактическогопримененияиз-занизкихинестабиль- ных выходов конечного продукта.

Большое значение имели исследования, позволившие уве- личить выход конечного продукта путем изменения условий культивирования. В конце ХХ века наиболее высокий выход каротина получали при совместном культивировании (+)- и

(–)-штаммов мукорового гриба при использовании среды, со- держащей соевую и кукурузную муку, фосфат калия, тиамин

ине менее 4% растительного масла. В качестве стимуляторов каротиногенеза рекомендованы многочисленные соединения, например,β-ионон,керосин,линолеваякислота,рядгетероци- клических соединений и антиоксиданты.

Всвязистем,чтостимуляторовсинтезакаротинауB. trispora предложено достаточно много, целесообразно классифициро- вать их согласнохимическомустроению.

Терпеноиды.Основныминайденнымистимуляторамисреди терпеноидовбыли2,2,6-триметилциклогексанол,α-иβ-пинены, α- и β-иононы и α- и β-метилиононы, а также гераниол. Наи- большийвыходβ-каротинаполучилиприсовместномдействии 2,2,6-ацетил-1-циклогексана (1 г/л) и β-ионона (1 г/л), однако в практике до сих пор применяют один β-ионон (0,1%) на фоне растительного масла.

Отходыпроизводства.Это–цитрусоваяпульпа,цитрусо- ваямеласса, биомассанекоторыхмицелиальныхгрибов,дрож-

http://www.mycology.ru

жей ибактерий. При концентрации цитрусовой пульпы (3–5%) выход каротина был выше, чем с β-иононом (102–120 мг/100 мл против 101,3 мг в контроле с β-иононом). Активным стимуля- тором в цитрусовой мелассе является фракция органических кислот,автвердомостатке–сахароза.Биомассамицелиальных грибов,дрожжейибактерийтакжеувеличиваетвыходкаротина, новменьшейстепени,чемцитрусоваяпульпа,астимулирующий эффектбиомассыобъясняетсядействиеморганическихкислот цикла Кребса.

Гетероциклические азотсодержащие стимуляторы.

Наиболееинтересенформилпиридин,которыйвконцентрации 0,0025% стимулируетсинтез β-каротина на 184% посравнению с контролем. Повышение концентрации формилпиридина до 0,05–0,2% увеличивает образование каротина до 220–173%. Хороший эффект дает совместное действие 4-оксипириди- на (0,3%) вместе с β-иононом или триметилциклогексаном. Активными стимуляторами синтеза β-каротина могут быть также α-пирролидин, сукцинамид, нембутал, изоникотин и изониазид. Эти соединения используют нафоне β-ионона или 2,6,6-триметил-1-ацетилциклогексана. Синтез β-каротинасти- мулируют также пиридазин (на 68%); пролин (на 6%) и изони- котинэтилгидразин (в концентрации 0,75%, выход β-каротина составляет2730мг/л,т.е.почтина200%посравнениюсконтро- лем). Все эти стимуляторы вносятся после окончания периода интенсивного роста биомассы. Получены также данные о сти- мулирующем действии фенилпроизводных – диметилфталата и вератрола.

Добавки неионных ПАВ для стимуляции синтеза β-ка-

ротина у B. trispora. С целью увеличения образования три- споровых кислот (считается, что это должно стимулировать образование каротина) добавляли в синтетическую среду (70 г L-аспарагина, 2 гдрожжевогоэкстракта, 1 г КН2РО4, 1,5 гMgSO4 × 7Н2О, тиамин гидрохлорид – 5 мг в 1 л дистиллированной воды) антиоксидант и Span 20. В результате уровень каротина увеличивался в 15 раз и достигал 2,3 г/л по сравнению с той же средой, но без ПАВ. Одновременно в 15 раз возрос уровень триспоровых кислот (8,8 мг на 2 г сухого мицелия, а без Span

http://www.mycology.ru

© Национальная академия микологии, 2013

114 Фундаментальные основы микологии и создание лекарственных...

20 – 0,6 мг/л). Полагают, что ПАВ непосредственно влияют на уровеньтриспоровыхкислот,ате,всвоюочередь,увеличивают выход каротина.

Действие бензуронов на образование каротина. Уста-

новлено, что производные мочевины (фторбензурон и другие) такжестимулируютсинтезкаротина.Например,слабымстиму- лирующим эффектом обладает 3,4-дихлоранилин. Интересно, что образование каротина стимулируется твинами, например, твином 20, приблизительно в 1,5 раза, атакже мочевиной.

Кроме химических соединений, выход каротина удалось увеличить путем использования других факторов, например, действием света различного спектрального состава и кисло- рода. Белый свет влияет на спорообразование B. trispora, и это используется в заводской практике ((+)- и (–)- штаммы после выдерживания в темноте в течение 3–4 суток подвергаютосве- щениювтечение48–56часов).Вначале90-хгодоввлаборатории экспериментальной микологии ИНМИ РАН было показано, что ультрафиолет ингибирует, синий и красный свет оказыва- ют нейтральное действие, и только зеленый свет стимулирует спороношение B. trispora.

Более подробные исследования показали, что зеленый свет существенно влияет на спорогенез (+)- и (–)-штаммов, однако длякаждогоштаммадолжныбытьподобранысоответствующие режимы, причем (+)-штамм является более активным споро- образователем. Установлен интересный факт: если в качестве посевного материала использовать споры, образованные при освещении ЗС, то выход каротина в мицелии будет выше, по сравнениюсмицелием,выросшемиз«темновых»спор(7944,8и 596,4мг/лсоответственно,на4-есутки,кукурузно-соеваясреда без масла и без β-ионона).

Содержание кислорода в ферментере также влияет на вы- ход каротина. Чтобы создать соответствующую концентрацию кислорода (более 50% от уровня насыщения), насыщали среду чистымкислородомиодновременнодляпредотвращениявспе- ниваниясредывферментередобавлялиповерхностноактивное веществоSpan20(сурфактант).Приконтролеуровнякислорода и вспенивания среды можно получить высокую концентра-

http://www.mycology.ru

цию β-каротина – 1190 мг/л через 6 дней с выходом биомассы B. trispora – 2,5% повесусухогомицелия, т.е. приблизительнов 5 развыше,чемприобычномкультивировании. Интереспред- ставляютданныеостимулирующемдействииперекисиводорода насинтезβ-каротина(на46%)уB. trispora (выход152мг/гсухой биомассы).

В биотехнологическом процессе получения каротина суще- ственноевниманиеуделяетсятакжехимическимхарактеристи- кам конечного продукта. Анализ каротиноидов, полученных в 3-кубовом ферментере, проводится обычно методом RP-HPLC. Всмесикаротиноидовдолженпреобладатьβ-каротин(92–96%), другие каротиноиды составляют 8–4% от суммы всех кароти- ноидов. β-Каротин в основном представлен all-trans-изомером

(90–95%), но есть и 15-cis, 13-cis и 9-cis-изомеры (10–15%). Кри-

сталлический β-каротин имеет различные формы кристаллов в виде 6-угольной пирамиды.

Ферментации,направленныенаполучениеβ-каротина с использованием только одного (–)-штамма B. trispora.

Используя N-метил-N’-нитро-N-нитрозогуанидин, этилметан- сульфонат(EMS),азотнуюкислоту,аналогинуклеотидов,акри- дин, ультрафиолет, рентгеновские лучи, γ-лучи и комбинации этих мутагенов, получили (–)-штаммы B. trispora, способные синтезировать больше β-каротина, чем дикие. Такие штаммы представляютинтересдлязаводскойпрактики,таккакфермен- тации содним штаммом более надежны.

Сцельюувеличениясинтезаβ-каротинавсредувыращивания добавляют гиполипидемические агенты, такие какловастатин

– агент, понижающий уровень стеринов (т.е. эргостерина), правастатин, понижающий уровень липопротеина, а также симвастатин.

Другойпутьувеличениявыходаβ-каротина–использование ингибиторовсинтезаацетил-КоА,такихкакацетат,аналогипро- пионата и бутирата, хлорацетат, фторуксусная кислота, 2-хло- рацетамид,хлорацетат.Действиюэтихсоединенийподвергали мутантныеспоры(–)-штаммовB. trispora.Выдержавшиевлияние этихсоединенийспорывдальнейшемиспытываликакпосевной материал для ферментации с целью получения β-каротина.

http://www.mycology.ru