Биосинтез витамина B12

Биосинтез витамина B₁₂ осуществляется специальными культурами, к числу которых могут быть отнесены актиномицеты (Act. olivaceus, Act. griseus, Act. aureofaciens, Act. fradiae), а также бактерии (Вас. megatherium, Lactobacillus casei, Clostridium tetanomorphicum, пропионовокислые бактерии). Наибольшее промышленное значение имеют Act. olivaceus и Propionobacterium shermanii.

Помимо биосинтеза витамина В₁₂ специальными продуцентами, существуют методы получения витамина параллельно с антибиотиками, в частности с хлортетрациклином. Получение витамина B₁₂ микробиологическим путем экономически значительно выгоднее, чем из животного сырья, где в качестве исходного продукта используют печень.

Молекула витамина В₁₂ состоит из двух частей: кобальтсодержащей (порфириноподобной) и нуклеотидной, содержащей 5,6-диметилбензимидазол. Характерные особенности первой части заключаются в наличии атома кобальта и цианогруппы, образующих координационный комплекс. Так же, как и порфирины, он состоит из четырех азотистых гетероциклов типа пиррола. Как у порфиринов, так и у гетероциклов витамина В₎₂ имеются одинаковые заместители — боковые цепи (—СН₃ и —СН₂—СН₂—СООН группы). В отличие от порфиринов у витамина большее насыщение метальными группами.

Наряду с биосинтезом витамина В₁₂, который носит название цианкобаламина, могут образоваться его производные: окси-, хлоро-, сульфато, нитрито-кобаламины, не уступающие по своей клинической эффективности цианкобаламину. Другие аналоги витамина B₁₂ характеризуются тем, что в нуклеотидной части молекулы вместо 5,6-диметилбензимидазола содержится аденин или метиладенин, или их производные. Они не обладают биологической активностью для человека и животных и являются, следовательно, псевдовитаминами.

Преимущество получения витамина В₁₂ пропионовокислыми бактериями по сравнению с актиномицетами заключается в том, что они синтезируют исключительно истинный витамин B₁₂. Основные этапы биосинтеза витамина B₁₂ разработаны Шеминым, а также В. Н. Букиным и Г. В. Проняковой (1958, 1960). Пути биосинтеза порфиринов и хромофорной части молекулы витамина В₁₂ являются общими до определенного этапа. К порфиринам относится ряд весьма важных биологически активных соединений: хлорофилл, гемин, дыхательные пигменты и другие соединения.

Образование порфиринов тесно связано с другими реакциями метаболизма, в первую очередь, с реакциями цикла трикарбоновых кислот. Одно из промежуточных соединений трикарбонового цикла — янтарная кислота (сукцинат) в виде своего производного — сукцинил-коэнзима А дает начало новой цепи реакций, которую Шемин называет сукцинат-глициновым циклом. Начальной реакцией этого цикла является конденсация сукцинил-КоА с аминокислотой глицином по его α-углеродному радикалу. Возникающая α-амино-β-кетоадипиновая кислота, декарбоксилируясь, дает δ-аминолевулиновую кислоту. Два моля δ-аминолевулиновой кислоты (δ-АЛК) конденсируются с образованием монопиррола порфобилиногена.

В дальнейшем образуются порфириноподобные структуры, содержащие пиррольные кольца. У витамина В₁₂ пиррольные кольца отсутствуют, имеются лишь их более восстановленные аналоги: одно тетрагидропиррольное или пирролидиновое (А) и три дигидропиррольных или пирролиновых кольца.

При изучении продуктов метаболизма Propionibacterium shermanii было обнаружено наличие в среде δ-аминолевулиновой кислоты и свободных порфиринов. Таким образом, эти данные являются подтверждением общности рассматриваемых путей биосинтеза. Введение в пептоновую питательную среду δ-аминолевулиновой кислоты способствует резкому увеличению синтеза порфиринов культурой пропионовокислых бактерий, но не сказывается на количестве синтезированного витамина. Введение параллельно с δ-аминолевулиновой кислотой хлористого кобальта приводит к образованию витамина. Дальнейшее увеличение концентрации соли кобальта приводит не только к синтезу витамина, но и к качественному изменению порфиринов. По всей вероятности, образуется Сопорфирин.

На среде с кукурузным экстрактом пропионовокислые бактерии практически совершенно не образуют порфиринов, а добавление δ-аминолевулиновой кислоты приводит к увеличению выхода витамина. Считают, что фактором, тормозящим биосинтез порфиринов и переключающим на синтез витамина, является железо. По всей вероятности, именно со стадии δ-аминолевулиновой кислоты намечаются расхождения в путях биосинтеза порфиринов и витаминов В₁₂. В частности, возможно, что в молекулу витамина включается метилированная δ-аминолевулиновая кислота. Относительно метилирования имеются также данные о том, что источником метильных групп является метионин. Однако пока нет достаточных оснований говорить о том, происходит ли метилирование δ-аминолевулиновой кислоты и ее последующее включение в молекулу или метилируется уже сложившаяся структура витамина B₁₂. Показано, что введение метионина в соевую среду стимулирует биосинтез. Синтез порфиринов тормозят пурины, а также аденинсодержащие нуклеотиды и нуклеозиды. Предполагают, что их введение в состав питательной среды вызывает подавление синтеза δ-аминолевулиновой кислоты, вероятно, по принципу обратной связи.

При биосинтезе пенициллина и эритромицина в питательную среду вводят «осколки» молекулы, которые затем целиком или значительной частью включаются в состав молекулы. Для биосинтеза витамина B₁₂ в качестве такого «предшественника» является 5,6-диметилбензимидазол, который входит в состав молекулы в качестве нуклеотидного основания. Однако при введении этого компонента в среду стимулирующего биосинтез витамина эффекта не отмечается, если в среде отсутствует кобальт. Соли кобальта приходится специально вводить в среду, так как в комплексных средах кобальт может присутствовать в крайне незначительных количествах, в виде следов, едва доступных для аналитического определения.

Необходимо отметить, что соли кобальта относятся к довольно эффективным бактерицидным веществам. Поэтому при оценке влияния солей кобальта (чаще других используются хлорид или нитрат) необходимо избрать такую его концентрацию, которая не тормозит развития продуцента, но стимулирует биосинтез витамина. Концентрации кобальта в средах не являются абсолютными величинами и зависят от штамма.

Витамин В₁₂ удалось синтезировать искусственно при помощи ферментного препарата, выделенного из Str. olivaceus. В систему компонентов входили: Na-соли кобальт-порфирина; 5,6-диметилбензимидазол; D-рибоза, DL-треонин, KCN, АТФ и ферментный препарат. Этот ферментный препарат не является каким-то одним ферментом, ответственным за заключительный этап биосинтеза молекулы витамина, так как перечисленные компоненты не все являются осколками или предшественниками молекулы. Вероятно, он содержит группу ферментов.

Биосинтез витамина B₁₂ актиномицетами параллельно с антибиотиками. Биосинтез витамина B₁₂ может осуществляться параллельно с хлортетрациклином, реже со стрептомицином. Имеются также указания, что витамин B₁₂ образуется при ферментации нистатина и эритромицина.

Образование витамина B₁₂ и антибиотиков протекает, как правило, почти параллельно. В первые часы ферментации (для Act. aureofaciens через 24 ч и Act. globisporus streptomycini через 48 ч), в период интенсивного образования биомассы, в среде обнаруживается незначительное количество витамина и антибиотиков, и лишь когда рост культуры прекращается, начинается интенсивное накопление этих продуктов обмена в культуральной жидкости. Подобный факт является важным в том отношении, что позволяет сочетать оба процесса, поскольку время окончания биосинтеза антибиотика совпадает по времени со значительным содержанием витамина B₁₂.

При оценке влияния солей кобальта на биосинтез в опытах с культурами Act. aureofaciens и Act. globisporus streptomycini оптимальными пределами концентрации были 0,12—0,05 мг% (для нитрата кобальта). Введение свыше 0,25 мг% нитрата кобальта в среду для хлортетрациклина и 1,25 мг% в среду для стрептомицина угнетало образование витамина B₁₂ и антибиотиков. В качестве исходного продукта для выделения витамина В₁₂ при ферментации Act. aureofaciens используется маточный раствор после фильтрации кальциевой соли хлортетрациклина на фильтр-прессах. Получение кальциевой соли хлортетрациклина является одним из первых этапов выделения антибиотика из нативного раствора.

В связи с тем, что витамин В₁₂ синтезируется параллельно с антибиотиками, проводилось изучение влияния ингибиторов на биосинтез эритромицина и витамина В₁₂ Str. erythreus. Введение мышьяковистокислого натрия в среду понижало продукцию эритромицина на 90%, а продукцию витамина В₁₂ — только на 20% по сравнению с такой же средой без ингибитора. Это показывает, что процессы синтеза витамина В₁₂ и эритромицина протекают независимо друг от друга.

Направленный биосинтез витамина В₁₂ пропионовокислыми бактериями и актиномицетами. Некоторые специальные штаммы пропионовокислых бактерий и актиномицетов являются продуцентами только витамина B₁₂ и не синтезируют антибиотики. В промышленности предпочтительно используют пропионовокислые бактерии. Одной из существенных положительных сторон процесса является отсутствие аэрации. Известной трудностью является повышенное требование в соблюдении асептических условий процесса. При биосинтезе антибиотиков, особенно широкого спектра, образующийся в среде антибиотик оказывает бактериостатическое или бактерицидное действие на постороннюю микрофлору. При биосинтезе витамина B₁₂ опасность заражения значительно выше.

Наиболее элементарными приемами, обеспечивающими асептичность операции, являются тщательная стерилизация среды при ее приготовлении; тщательная стерилизация воздуха; защита паром вентилей, открывающихся в ферментер.

Наличие в среде 5,6-диметилбензимидазола способствует направленному синтезу истинного витамина, понижая до минимума или вовсе не включая наличие в микробной массе псевдоформ В. Г. Макаревич и Т. Н. Лазникова (1957) считают, что все псевдоформы витамина B₁₂ могут быть, по-видимому, превращены в истинный витамин с помощью 5,6-диметилбензимиДазола, добавляемого в любой момент ферментации, даже после того, как культура уже закончила синтез. Для превращения псевдовитаминов В₁₂ в истинный витамин B₁₂ достаточно вести ферментацию дополнительно 12—24 ч после добавления 5,6-диметилбензимидазола. По Н. М. Нероновой, Н. Д. Иерусалимскому и А. И. Анчуровой (1962), лучшие результаты биосинтеза витамина В₁₂ наблюдаются в том случае, если 5,6-диметилбензимидазол добавлялся через 72 ч после посева культуры. При добавлении 5,6-диметилбензимидазола через 96 ч после посева полного превращения псевдоформ в истинный витамин не наблюдалось.

При проведении биосинтеза с экспериментальными целями в среду вместо 5,6-диметилбензимидазола вводили аденин. Был получен псевдовитамин, содержащий в составе аденин. Если биосинтез осуществляется культурой актиномицета, то добавление 5,6-диметилбензимидазола в среду существенно не сказывается на выход витамина B₁₂.

Биосинтез витамина B₁₂ культурой Act. olivaceus проводится на средах, содержащих кукурузный экстракт или спиртовую барду, гидрол или крахмал, глюкозу, сульфат аммония, соли кобальта и мел. В развитии Act. olivaceus можно различить две фазы. В первую фазу накапливается основная масса мицелия. Синтез витамина В₁₂ начинается в период начального роста организма, но значительно ускоряется после 24 ч. В этот период в мицелии может накапливаться до 40% от максимального количества витамина в культуре. В первой фазе, в течение первых суток происходит интенсивная диссимиляция глюкозы. От исходного pH 7,0 в этот период величина pH понижается до 6,5—6,8. Во вторую фазу развития культуры, когда практически нет роста мицелия, синтезируется основное количество витамина B₁₂. В этот период, во вторую фазу, среда становится щелочной (pH 8,2—8,7). Общая продолжительность процесса ферментации составляет 72—96 ч.

Для хорошего роста актиномицета и стимуляции образования витамина необходимо перемешивание и аэрация среды. Усиленная аэрация способствует повышенному биосинтезу витамина В₁₂. Это повышение биосинтеза происходит не только за счет увеличения биомассы, так как прямой зависимости между ростом актиномицета и накоплением витамина нет. Количество биомассы может быть практически одинаковым в различных условиях аэрации, в то время как биосинтез витамина при усиленной аэрации протекает более интенсивно. Интенсивность аэрации (в известных конкретных производственных и технологических условиях) может способствовать ускорению процесса ферментации. Интенсивная аэрация способствует также направленному биосинтезу витамина B₁₂, значительно понижая количество псевдовитаминов в культуральной жидкости.

Оптимальными пределами температуры для развития культуры и биосинтеза витамина В₁₂ является 28—30° С. Верхний температурный предел для синтеза витамина равняется 32°. Существенное значение для хорошего выхода витамина В₁₂ имеет определенная концентрация в среде солей кобальта.

Пропионовокислые бактерии могут культивироваться как в совершенно анаэробных, так и в аэробных условиях. Они не могут расти в сильно аэрируемых средах. Культивирование может проводиться на средах, содержащих кукурузный или дрожжевой экстракты, глюкозу, сульфат аммония, соли кобальта. Процесс ферментации продолжается больше времени, чем у актиномицетов, до 96 — 120 ч. В культуре пропионовокислых бактерий витамин удерживается внутри клеток на протяжении всего процесса ферментации в отличие от культуры Act. olivaceus, где уже через 24 ч после засева начинается диффундирование витамина в среду. Рост биомассы пропионовокислых бактерий наблюдается на протяжении всего процесса ферментации, так как в среду систематически в асептических условиях вводится стерильный раствор глюкозы. Наибольшая продуктивность бактерий в отношении витамина B_i2 отмечается у молодой культуры, продуктивность вновь образующихся клеток в старой культуре значительно ниже. Имеется прямая зависимость между биомассой и количеством синтезированного витамина. В дальнейшем по ходу ферментации увеличение количества витамина происходит не за счет усиления процесса биосинтеза, а исключительно за счет увеличения бактериальной массы.

В отличие от пропионовокислых бактерий у Act. olivaceus синтез витамина примерно на 24 ч отстает от роста организма. Наиболее интенсивное накопление витамина у Act. olivaceus происходит после того, как мицелий, достигнув определенной степени развития, переходит в стадию автолиза.

Для роста Propionibacterium shermanii наиболее благоприятной является нейтральная среда, поэтому по ходу процесса ежедневно, а иногда и чаще производят нейтрализацию образующихся кислот. Оптимальной зоной pH для роста является зона между 6,3—7,5. Наибольшее количество витамина В₁₂ накапливается в средах, где pH культуральной жидкости поддерживался на уровне 6,8—7,5. Значительно худшие результаты были получены, когда процесс шел при более низких величинах pH. Выход витамина оставался пониженным даже в том случае, если после 72 ч pH повышалось до 6,8 и 7,5. Таким образом, активный биосинтез витамина В₁₂ происходит в довольно узкой зоне pH, а рост бактерий происходит при значительно более широких интервалах pH.

Наибольшее количество витамина В₁₂ образуется при культивировании бактерий в исключительно анаэробных условиях. Особенно вредное влияние на биосинтез витамина В₁₂ оказывает выращивание бактерий в аэробных условиях в течение первых 50 ч. Что касается роста, то при аэробных условиях бактерии накапливают не меньше биомассы, чем при анаэробных.

На развитие пропионовокислых бактерий и биосинтез витамина существенное влияние оказывают некоторые минеральные компоненты среды. Выше была отмечена необходимость введения солей кобальта. Цинк в виде сульфата (0,001%) тормозит развитие культуры более чем в 2 раза и почти в 4 раза снижает образование витамина. Токсическое действие цинка устраняют ион никеля или гипосульфит. Хром усиливает развитие бактерий, но тормозит синтез. Заметное снижение количества истинного витамина вызывает сульфат марганца. Способный легко окисляться ион марганца тормозит, вероятно, одну из стадий биосинтеза как восстановитель.

Витамин В₁₂ выполняет определенные функции в обмене веществ продуцирующих его микроорганизмов. Он входит в виде коэнзима в состав ферментов, участвующих в синтезе нуклеотидов, т. е. в процессах, происходящих в организме в период интенсивного роста. В связи с этим становится понятным, почему при выращивании пропионовокислых бактерий образование и накопление витамина происходит параллельно накоплению бактериальной массы только в первые сутки развития культуры. Дальнейшее снижение продуктивности бактериальной массы в отношении витамина В₁₂ свидетельствует о том, что потребность в витамине у культуры продуцента удовлетворяется накопленным количеством. Можно предполагать, что и в случае с Act. olivaceus сам организм-продуцент не нуждается в таком количестве витамина, какое он образует.

Получение витамина B₁₂ путем термофильного метанового брожения отходов спиртовой промышленности. В последние годы, помимо перечисленных выше способов получения витамина В₁₂ предложен метод, позволяющий использовать в качестве продуцентов термофильные метановые бактерии. Процесс брожения часто используют для обезвреживания сточных вод. При метановом брожении происходит восстановление СO₂ или СО молекулярным водородом или водородом, отцепляющимся от органических веществ в процессе их дегидрирования. В специальных аппаратах, так называемых метантанках, гнилостными бактериями осуществляется протеолиз белков сточных вод до аминокислот с последующим их дезаминированием. Образовавшиеся в результате этих реакций жирные кислоты сбраживаются метановыми бактериями. Метановые бактерии, как известно, представляют собой смесь различных культур (до 70 штаммов) и образуют, как его иногда называют, активный ил. Оптимальными условиями для одновременного развития гнилостных и термофильных метановых бактерий является pH 7,0—7,5, температура — 52—53°.

Для получения витамина B₁₂ при метановом брожении может быть использована барда, поступающая с ацетоно-бутиловых заводов, а также паточная спиртовая барда, являющиеся промышленными отходами. Паточная барда перед введением ее в среду должна быть предварительно нейтрализована растворами едкого натра или аммиака до pH 7,0—8,0. Оптимальной зоной pH, в которой процесс биосинтеза протекает наиболее активно, являются величины в интервале 6,8—8,5. Добавление одного процента метанола или этанола активирует метановое брожение и увеличивает выход витамина B₁₂. Факторами, стимулирующими процесс брожения, являются продувание бродящей жидкости пропан-бутаном и углекислым газом.

В процессе биосинтеза витамин B₁₂ остается внутри клеток и не переходит в питательную среду. Процесс брожения осуществляется в железном или железобетонном ферментаторе. В ферментатор из инокулятора поступает культура; затем ежедневно сливается 20% объема культуральной жидкости, а вместо слитой доливается новая в том же количестве. Бактериальная масса отделяется от среды осаждением или центрифугированием. В случае применения метода осаждения в качестве коагулянта используют хлорное железо. Выделенная биомасса сушится при температуре 110—120°. В зависимости от способа отделения биомассы витаминный состав меняется. Если биомасса отделяется посредством коагуляции хлорного железа, то на грамм сухого веса приходится 61 мкг витамина В₁₂ и 35 миг рибофлавина. Если хлорное железо не применяется, то витамина В₁₂ содержится 172 мкг/г и рибофлавина 69 мкг/г. Такие величины были получены Э. Д. Михлин, Н. П. Ерофеевой,

Н. В. Соловьевой и В. Г. Симоновой (1964) в опытах с биомассой, образующейся при метановом брожении ацетонобутиловой барды. Разумеется, абсолютные цифры зависят от технологических условий, от культур микроорганизмов, входящих в состав «активного ила». Помимо витаминов, биомасса содержит большое количество азотистых веществ. Как показали опыты по кормлению различных сельскохозяйственных животных, по усвояемости азота, содержащегося в биомассе, последняя эквивалентна необезжиренной соевой муке.

Изложенный способ имеет важные преимущества по сравнению с другими способами ферментации витамина для кормовых целей. Метановое брожение барды позволяет, наряду с получением витамина В₁₂ и метана, значительно обезвредить сточные воды, сбрасываемые спиртовыми и ацетоновыми заводами, и тем самым улучшить санитарные показатели работы этих предприятий. Оно более экономично, так как не требует затрат на питательную среду (используются отходы); может идти в железных или железобетонных емкостях, вместо ферментеров из нержавеющей стали; не требует стерилизующих систем и расхода пара на стерилизацию среды. Процесс осуществляется непрерывным методом вместо периодического. В качестве побочного продукта получается значительное количество метана, который может быть использован как топливо.