Bioconversia

Bioconversia

Produsele    de bioconversie, denumite bioderivati, se formeaza prin modificari minime ale substratului, sub actiunea microorganismelor: acidul acetic (prin oxidarea etanolului), acidul gluconic (prin oxidarea glucozei); hormonii corticosteroizi (prin conversia steroizilor); vitamina C (prin oxidarea b-sorbitolului la L-sorboza) etc.

Procesele de bioconversie pe care le realizeaza microorganismele reprezinta o realizare biotehnologica de importanta exceptionala, deoarece astfel sunt posibile reactii care depasesc posibilitatile chimiei organice.

Importanta bioconversiilor rezida in faptul ca transformarile catalizate de enzime libere sau fixate pe suporturi sau sub actiunea microorganismelor se fac in conditii moderate de pH si de temperatura, iar moleculele sunt modificate specific, fara reactii secundare.

Principiul metodologiei de bioconversie este urmatorul: microorganismul se cultiva in fermentoare mari, pe mediul nutritiv adecvat. Dupa ce cresterea a atins nivelul maxim, se adauga compusul chimic ce urmeaza a fi convertit. Dupa timpul de incubare necesar actiunii microorganisului asupra habitatului, din mediul de fermentatie se purifica substanta rezultata prin bioconversie.

Hormonii steroizi sunt foarte importanti pentru controlul fertitilitatii la om si animale si a unor stari patologice (artrita, soc), datorita efectului antiinflamator.

Unele microorganisme, in special fungii (Aspergillus ochracaeus, Curvularia lunata, Dactylium dendroides), dar si bacteriile (Streptomyces lavendulae) transforma steroizii in corticosteroizi. Transformarea se face sub actiunea unei enzime, intr-o singura treapta asupra substratului, rezultand un nou compus. Cele mai multe bioconversii ale steroizilor implica hidroxilari specifice. Pe aceasta cale se obtin hidrocortizonul, cortizonul, prednisonul si prednisolonul, iar progesterona este convertita la hidroxiprogesterona.

Oxidarea b-sorbitolului la L-sorboza, in procesul obtinerii vitaminei C este tot un proces de bioconversie:

Bioconversia glucidelor este importanta din punct de vedere practic. Fructoza are calitati dietetice si industriale: este putin cariogena, nu este insulino-dependenta, are putere    de indulcire superioara glucozei, cristalizeaza usor. Siropurile cu continut inalt de fructoza sunt indispensabile industriei alimentare. Glucozo-izomeraza produsa de Streptomyces, Aerobacter aerogenes converteste glucoza in fructoza, dupa urmatoarea reactie:

Alte procese de bioconversie a glucidelor:

bioconversia zaharozei (prin hidroliza), in amestec de glucoza si fructoza;

bioconversia lactozei (prin hidroliza), in glucoza si galactoza;

bioconversia glucozei, prin reactia de oxidare, in acid cojic;

bioconversia ribozei, prin reactia de reducere, la ribitol;

bioconversia D-xilozei, prin reactia de reducere, la xilitol;

bioconversia acidului fumaric, prin aminare, la acid aspartic;

bioconversia prin reactia de condensare a indolului, piruvatului si NH₃, in triptofan.

Bioconversia steroizilor.

Corticosteroizii sunt agenti antiinflamatori, cu o larga utilizare terapeutica. Extragerea hormonilor corticosteroizi din glandele suprarenale este foarte costisitoare, datorita dificultatilor de procurare a acestora si a randamemntului mic de extractie. Sinteza chimica a acestor hormoni este, de asemenea, laborioasa si costisitoare. Sinteza cortizonului din acid dezoxicolic necesita 36 de etape tehnologice, randamentul este foarte mic (l-2%_o), iar materia prima (secretia biliara) este greu de procurat in cantitatile necesare.

Transformarea steroizilor in cortizon, pe cale chimica este conditionata de introducerea unui atom de oxigen in pozitia C₁₁, a unui nucleu steroidic natural. Prezenta atomului de oxigen in aceasta pozitie, confera efectul antiinflamator al hormonilor corticosteroizi. Aceasta oxidare este realizata de mucegaiul Rhizopus arrhizus.

Substratul actiunii fungice este nucleul steroidic al progesteronei (la pozitia 11a), o substanta mai apropiata ca structura chimica de cortizon decat acidul dezoxicolic si care este obtinuta din steroizii vegetali. (Steroizii vegetali sau sapogeninele se gasesc sub forma de glicozide denumite saponine, in cantitati mari si usor de obtinut in plante ca Agave, Dioscorea, Lilium, Yucca etc.).

Randamentul de extractie este de 90%, iar produsul final se obtine dupa inca 11 trepte chimice (in loc de 36, cate erau necesare initial).

Pornind de la molecule intermediare naturale se poate ajunge pe o cale de sinteza mult simplificata, la obtinerea unui numar de steroizi noi, analogi chimic, dar cu activitati hormonale si biologice mai mari sau diferite.

Alte microorganisme fac hidroxilari, hidrogenari si dehidrogenari in diferite pozitii ale inelului steroidic, ceea ce a simplificat etapele chimice de obtinere a produsului final.

Bioconversia steroizilor se realizeaza in tancuri de mare capacitate pentru culturi in profunzime, cu aerare si agitare continua. Din punct de vedere chimic si biologic, procesul este fundamental diferit de acela al obtinerii antibioticelor, vitaminelor etc. Antibioticele si vitaminele se sintetizeaza pornind de la compusii din mediu care servesc in acelasi timp ca substrat pentru cresterea si multiplicarea celulelor. Dimpotriva, substantele steroidice sunt adaugate spre sfarsitul fazei de crestere si sufera numai cateva modificari chimice, mici dar foarte importante, fiind determinante pentru particularitatile farmacologice ale substantelor astfel obtinute. Cand transformarea substratului steroidic este completa, miceliul este indepartat, iar filtratul este tratat cu un solvent al steroizilor (cloroform, tricloretilena), separandu-se pana la 95% din produsul transformat.

In procesul de bioconversie a steroizilor, microorganismele au rolul unor reactivi sui-generis, cu actiune specifica si care realizeaza usor si cu randament mare, un proces greu de realizat pe cale chimica.