Optimización del Proceso de Fermentación de la Paraherquamida A Utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta
La nematodosis parasitaria es una enfermedad parasitaria del ganado y las aves de corral que afecta gravemente al desarrollo de la ganadería. En la actualidad, las avernectinas son los fármacos antiparasitarios más utilizados en la práctica clínica veterinaria en todo el mundo. Sin embargo, debido al abuso de este fármaco, en muchas zonas han aparecido cepas farmacorresistentes. A finales de la década de 1980, China introdujo y utilizó ampliamente este tipo de fármaco, y ahora los nematodos gastrointestinales de las ovejas domésticas han desarrollado diversos grados de resistencia a los medicamentos con avermectina. Startect ® es un nuevo tipo de antihelmíntico oral de acción corta para ovejas desarrollado por Zoetis, la mayor empresa mundial de medicamentos y vacunas para la salud animal, que puede prevenir y resolver eficazmente las enfermedades parasitarias del ganado y las aves de corral y sus problemas de resistencia a los medicamentos. Los ingredientes activos de este medicamento son derquantel (10mg/mL) y avermectina (1mg/mL). La dosis estándar de Startect ® es de 1mL/5kg (volumen líquido/peso corporal de la oveja), y cada oveja adulta de 50kg requiere aproximadamente 0,1g de Dexmedetomidina para ser administrada una vez. Según las estadísticas de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), el censo mundial de ovejas alcanza los 1.200 millones. Por lo tanto, la demanda potencial de Dequnt es de cientos de toneladas o incluso superior, y la demanda del mercado es enorme.

El dextrante es un derivado químico del metabolito fúngico Paraherquamida A (PA), que se obtiene principalmente mediante la reducción de amida carbonilo y la desoxigenación de PA (véase la Figura 1). Por lo tanto, el suministro de materias primas industriales de Dequnte se ve afectado principalmente por la producción de PA. Sin embargo, la estructura química de productos naturales como la paraherquamida es compleja. Aunque pueden sintetizarse químicamente a partir de materias primas industriales como el isopreno o los epóxidos de isopreno, sus pasos de reacción química pueden alcanzar hasta 46 pasos, lo que se traduce en costes elevados y rendimientos extremadamente bajos (2,5%), lo que dificulta su producción a escala industrial. La producción de PA mediante fermentación microbiana es actualmente una forma eficaz de obtener este compuesto a gran escala. El PA se aisló por primera vez a partir del producto de fermentación de una cepa de Penicillium paraherquei, un hongo perteneciente al género Penicillium. Sin embargo, la potencia del PA producido por el Penicillium de tipo salvaje no era alta, lo que dificultaba su posterior investigación experimental y su aplicación industrial. En la investigación de la aplicación de metabolitos fúngicos, el nivel de potencia del metabolito objetivo depende no sólo del rendimiento de la propia cepa, sino, lo que es más importante, de la optimización de las condiciones de fermentación y cultivo para aprovechar al máximo su capacidad de producción. En la actualidad, la metodología de superficie de respuesta se utiliza ampliamente para optimizar los cultivos de fermentación microbiana. Este método combina el diseño experimental y la modelización matemática, y presenta las ventajas de un menor número de experimentos, ciclos más cortos, mayor precisión en la obtención de ecuaciones de regresión, mejor rendimiento predictivo y estudio de la interacción entre varios factores.

En el trabajo preliminar, nuestro grupo de investigación descubrió un hongo Penicillium KWF31 derivado del mar con una elevada producción de PA. La exploración inicial mostró que su potencia de fermentación era de 55,8 ± 3,7mg/L en medio Chatelier, lo que no cumplía los requisitos de la producción industrial. El objetivo de este estudio es optimizar el medio de fermentación de la cepa KWF31 utilizando métodos de superficie de respuesta como el diseño de Plackett Burman, el diseño de ascenso más pronunciado y el diseño de Box Behnken, y establecer un esquema tecnológico de proceso de producción de PA estable y de alto rendimiento.

El PA es un alcaloide indol isopentenil con una estructura química única y una excelente actividad de resistencia a los insectos. Es una materia prima para la síntesis del agente comercial resistente a los insectos Dextrant y tiene un alto valor comercial y una enorme demanda en el mercado. Sin embargo, la cepa de Penicillium de tipo salvaje tiene un bajo rendimiento de PA, con múltiples pasos de síntesis química y bajo rendimiento, lo que dificulta satisfacer la demanda del mercado. Este estudio utilizó el diseño de Plackett Burman para seleccionar tres componentes del medio que afectan significativamente a la producción de PA por fermentación horizontal de la cepa silvestre KWF31 en matraces agitados a partir de ocho factores: almidón soluble, glucosa y extracto de levadura; sus concentraciones se optimizaron gradualmente utilizando experimentos de escalada y el diseño Box Behnken. Las concentraciones óptimas optimizadas son almidón soluble 31.0g/L, glucosa 1208g/L, y extracto de levadura 14.5g/L. En este medio, la cepa de tipo salvaje KWF31 mostró una alta potencia de 243,7 mg/L para la producción de PA durante la fermentación horizontal en matraz agitado, que fue 3,4 veces mayor que antes de la optimización (55,8 mg/L). El proceso establecido en este estudio para la producción por fermentación de PA por el hongo marino KWF31 tiene buena reproducibilidad, estabilidad y controlabilidad. Sobre esta base, el desarrollo ulterior de procesos de fermentación industrializados sienta las bases para el desarrollo de nuevos plaguicidas contra nematodos en China, lo que tiene un importante significado teórico y práctico para promover el desarrollo saludable de la ganadería en China.