Оптимизация процесса ферментации парагербамида А с помощью методологии поверхности отклика
Паразитарные нематодозы - это паразитарные заболевания домашнего скота и птицы, которые серьезно влияют на развитие животноводства. В настоящее время авернектины являются наиболее широко используемыми противопаразитарными препаратами в ветеринарной клинической практике во всем мире. Однако из-за злоупотребления этим препаратом во многих регионах появились резистентные к нему штаммы. В конце 1980-х годов в Китае появился и широко применялся этот препарат, и в настоящее время желудочно-кишечные нематоды домашних овец приобрели различную степень устойчивости к препаратам авермектинового ряда. Startect ® - это новый тип орального дегельминтика короткого действия для овец, разработанный компанией Zoetis, крупнейшим в мире производителем лекарств и вакцин для здоровья животных, который позволяет эффективно предотвращать и решать проблемы паразитарных заболеваний домашнего скота и птицы и их лекарственной устойчивости. Активными компонентами препарата являются дерквантел (10 мг/мл) и авермектин (1 мг/мл). Стандартная доза Startect ® составляет 1 мл/5 кг (объем жидкости/масса тела овцы), а для однократного введения каждой взрослой овце весом 50 кг требуется примерно 0,1 г дексмедетомидина. Согласно статистике Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), мировое поголовье овец достигло 1,2 миллиарда. Таким образом, потенциальный спрос на Dequnt исчисляется сотнями тонн или даже выше, а потребность рынка огромна.

Декстрант является химическим производным грибкового метаболита парагеркамида А (ПА), который в основном получают путем восстановления амидного карбонила и дезоксигенации ПА (см. рис. 1). Таким образом, промышленное сырье Dequnte в основном зависит от производства PA. Однако химическая структура природных продуктов, таких как парагеркамид, сложна. Хотя они могут быть химически синтезированы из промышленного сырья, такого как изопрен или эпоксиды изопрена, этапы их химической реакции могут достигать 46 стадий, что приводит к высоким затратам и крайне низкому выходу (2,5%), что затрудняет их производство в промышленных масштабах. Производство ПА путем микробной ферментации в настоящее время является эффективным способом получения этого соединения в больших масштабах. Впервые ПА был выделен из продукта ферментации штамма Penicillium paraherquei, гриба, принадлежащего к роду Penicillium. Однако потенция ПА, полученного из дикого вида Penicillium, была невысокой, что препятствовало его дальнейшим экспериментальным исследованиям и промышленному применению. При исследовании применения грибных метаболитов уровень потенции целевого метаболита зависит не только от характеристик самого штамма, но и, что более важно, от оптимизации условий ферментации и культивирования для полного использования его производственной мощности. В настоящее время для оптимизации культуры микробной ферментации широко используется методология поверхности отклика. Этот метод сочетает в себе экспериментальное проектирование и математическое моделирование и имеет такие преимущества, как меньшее количество экспериментов, более короткие циклы, более высокая точность получения уравнений регрессии, лучшая прогностическая эффективность и изучение взаимодействия между несколькими факторами.

В ходе предварительной работы наша исследовательская группа обнаружила гриб Penicillium KWF31 морского происхождения с высоким уровнем производства ПА. Первоначальные исследования показали, что его ферментационная способность составляла 55,8 ± 3,7 мг/л на среде Шателье, что не соответствовало требованиям промышленного производства. Целью данного исследования является оптимизация среды ферментации штамма KWF31 с использованием методов поверхности отклика, таких как дизайн Плакетта-Бурман, дизайн крутого подъема и дизайн Бокса-Бенкена, и создание высокопродуктивной и стабильной технологической схемы производства ПА.

PA - это изопентенил-индольный алкалоид с уникальной химической структурой и превосходной активностью против насекомых. Он является сырьем для синтеза коммерческого средства против насекомых Декстрант и имеет высокую рыночную стоимость и огромный спрос на рынке. Однако штамм Penicillium дикого типа имеет низкий выход ПА, многоступенчатый химический синтез и низкий выход, что затрудняет удовлетворение рыночного спроса. В данном исследовании использовался дизайн Плакетта-Бурман для отбора трех компонентов среды, которые значительно влияют на горизонтальное ферментативное производство ПА диким штаммом KWF31 в колбах со встряхиванием из восьми факторов: растворимый крахмал, глюкоза и дрожжевой экстракт; их концентрации были постепенно оптимизированы с помощью экспериментов по восхождению и дизайна Бокса-Бенкена. Оптимальные концентрации составили 31,0 г/л растворимого крахмала, 1208 г/л глюкозы и 14,5 г/л дрожжевого экстракта. В этой среде штамм дикого типа KWF31 показал высокую производительность 243,7 мг/л для производства ПА в ходе горизонтальной ферментации в колбе с встряхиванием, что в 3,4 раза выше, чем до оптимизации (55,8 мг/л). Разработанный в данном исследовании процесс ферментативного производства ПА морским грибом KWF31 обладает хорошей воспроизводимостью, стабильностью и управляемостью. Исходя из этого, дальнейшее развитие промышленных процессов ферментации закладывает основу для разработки новых противонематодных пестицидов в Китае, что имеет важное теоретическое и практическое значение для содействия здоровому развитию животноводства в Китае.