СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОПОЛИМЕРА 3-ГИДРОКСИБУТИРАТА И 3-ГИДРОКСИГЕКСАНОАТА

Изобретение относится к биотехнологии, точнее к способам получения биоразрушаемых высокомолекулярных биополимеров на основе гидроксиалкановых кислот (полигидроксиалканоатов, ПГА), в частности, сополимера 3-гидроксимасляной и 3-гидроксигексановой кислот (3-гидроксибутират и 3-гидроксигексаноат, П3ГБ/3ГГ).

ПГА относятся к классу природных полимеров, синтезируемых микроорганизмами. Эти полимеры термопластичны, характеризуются высокой биологической совместимостью и разрушаемостью в биологических средах. Среди них - различные материалы, от высококристалличных термопластов до конструкционных эластомеров, что определяется химическим строением мономеров, образующих эти полимеры. Потенциально сферы применения ПГА широки и включают медицину, фармакологию, сельское и коммунальное хозяйство, радиоэлектронику. Особо перспективны ПГА для конструирования изделий и устройств медико-биологического назначения, включая возможность получение нетканых и одноразовых изделий, шовных и перевязочных материалов, элементов для восстановительной хирургии и трансплантологии [Plastics from bacteria. Natural functions and applications / Eds.: G.-Q. Chen, A. Steinbüchel. - Springer. - 2010. Sudesh, K. Practical Guide to Microbial Polyhydroxyalkanoates. "Smitthes" (UK), 2010. Volova, Shishatskaya, Sinskey. Degradable Polymers: Production, Properties and Applications. - Nova Sci. Publ. Inc. USA - 2013].

Базовые физико-химические свойства сополимерных ПГА, в т.ч. степень кристалличности и температурные характеристики, определяют условия переработки полимеров и характеристики получаемых изделий.

Известны процессы синтеза сополимеров на различных субстратах (сахарах, органических и жирных кислотах), которые служат основным источником углерода. В состав сред для синтеза сополимеров П(3ГБ/3ГГ) необходимо внесение дополнительного углеродного субстрата в виде гексановой кислоты или ее солей в качестве субстрата-предшественника, необходимого для образования мономеров 3-гидроксигексаноата.

Известны аналогичные способы получения сополимеров П(3ГБ/3ГГ), образованных коротко- и среднецепочечными мономерами, природным штаммом R. eutrophus В5786 [Волова Т.Г. Беляева О.Г., Гительзон И.И., и др. Синтез и исследование гетерополимерных полигидроксиалканоатов хемолитотрофными бактериями. - ДАН. 1996. - Т. 347. - С. 256-258; Волова Т.Г., Калачева Г.С., Плотников В.Ф. Биосинтез сополимерных полгидрокисалканоатов хемолитотрофными бактериями. - Микробиология. - 1998. - Т. 67. - С. 420-424]. П(3ГБ/3ГГ) синтезируют в культуре природного штамма R. eutrophus В5786 при автотрофном росте на CO₂ с добавками гексаноата с содержанием мономеров 3ГГ до 10-16 мол.%.

Недостаток указанного способа получения сополимера П(3ГБ/3ГГ) - низкое содержание мономеров 3ГГ, что обусловливает достаточно высокие значения степени кристалличности образцов и их низкую эластичность.

Прототипом изобретения является способ получения сополимеров П(3ГБ/3ГГ) культуре природного штамма Cupriavidus eutrophus ВКПМ В-10646, обладающего повышенной устойчивостью к субстратам-предшественникам ряда мономеров на среде, содержащей основной углеродный ростовой субстрат, а также добавку углеродного субстрата-предшественника - гексаноата калия, и добавку ингибитора реакций цикла бета-окисления - акрилата, при лимите азота [Патент РФ №2439143 «Штамм бактерий Cupriavidus eutrophus ВКПМ В-10646 - продуцент полигидроксиалканоатов и способ их получения», опубл. 10.01.2012 г.]. Способ представляет собой синтез сополимерных трехкомпонентных ПГА, образованных мономерами 3-гидроксибутирата 3-гидроксивалерата, 3-гидроксигексаноата, при котором фактором, стимулирующим синтез ПГА, является лимитирующая подача азота. Полученные характеристики сополимеров: содержание мономеров 3ГГ от 0,2 до 56 мол.%; невысокий общий выход сополимера П(3ГБ/3ГГ) - 18-37%, степень кристалличности образцов сополимеров - от 30 до 41%.

Недостаток прототипа - низкий общий выход сополимеров П(3ГБ/3ГГ), невысокое содержание в сополимере мономеров 3ГГ и достаточно высокие значения степени кристалличности.

Задача изобретения - повышение общего выхода сополимера, повышение содержания в составе сополимера мономера 3-гидроксигексаноата (3ГГ).

Задача решается тем, что в способе получения сополимера 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, включающем культивирование штамма-продуцента Cupriavidus eutrophus ВКПМ В-10646 в условиях аэрации и перемешивания на жидкой солевой среде, содержащей глюкозу, при введении в культуру субстрата-предшественника - гексаноата калия, и ингибитора реакций цикла бета-окисления - акрилата, согласно изобретению,гексаноат калия при текущей концентрации 1 г/л и акрилат при концентрации 0,5-1,0 г/л вводят в культуру штамма продуцента дробно 2-3-кратно в течение 1,5-2,5 ч на первом этапе ферментации при общей продолжительности процесса не менее 45 ч. Кроме того, на первом этапе процесса ферментации в составе жидкой солевой среды используют лимитирующие концентрации соединений серы, при отсутствии серы в среде на втором этапе. В качестве соединения серы используют сульфат магния в концентрации не выше 0,1 г/л.

Способ осуществляют следующим образом. Процесс культивирования ведут в два этапа. На первом этапе получают биомассу бактерий. Используют штамм Cupriavidus eutrophus (депонирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ), коллекционный номер ВКПМ В-10646). Штамм-продуцент выращивают в периодическом режиме на среде Шлегеля при избытке углеродного субстрата (глюкоза) на полной минеральной среде с лимитированным содержанием серы. На первом этапе процесса ферментации постепенно, в течение 1,5-2,5 ч в культуру дробно, например 2-3 раза, вносят углеродный субстрат-предшественник - гексаноат калия, в концентрации 1 г/л и ингибитор реакций цикла бета-окисления - акрилат, в концентрации 0,5-1,0 г/л. На втором этапе продолжают процесс при тех же условиях, но в среде, не содержащей источника серы. Общая продолжительность процесса синтеза сополимера П(3ГБ/3ГГ) составляет 45 ч. Полимер выделяют, концентрируют, очищают, сушат. Регистрируют физико-химические характеристики с применением рентгеноструктурного анализа, дифференциального термического анализа и жидкостной хроматографии. Получают биоразрушаемые изделия, например пленки для раневых покрытий, одним из известных способов.

Техническим результатом изобретения является увеличение выхода сополимера П(3ГБ/3ГГ) свыше 50% от веса сухого вещества клеток, с содержанием мономеров 3ГГ более 50 мол.%, со степенью кристалличности сополимера не более 30-40% и повышенной эластичностью, показателем которой служит величина удлинения образца пленки при разрыве. Указанный результат обусловлен дробным 2-3-кратным постепенным (в течение 1,5-2,5 ч) введением в культуру субстрата-предшественника - гексаноата калия, при концентрации 1 г/л и ингибитора реакций цикла бета-окисления - акрилата, 0,5-1,0 г/л на первом этапе при общей продолжительности процесса не менее 45 ч. В качестве фактора, стимулирующего и максимизирующего накопление сополимера в клетках, используется сера, что обеспечивает повышение общего выхода сополимера.

Использование штамма Cupriavidus eutrophus ВКПМ В-10646 в качестве продуцента, варьирование концентрации основного и дополнительного углеродных субстратов и лимитирующего рост бактерий элемента (серы), а также дозированный режим подачи субстрата-предшественника и акрилата позволяет получать с высокими выходами сополимер П(3ГБ/3ГГ), образованный мономерами 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, характеризующийся стабильными показателями молекулярной массы и термических характеристик, существенным снижением степени кристалличности на фоне возрастания эластичности пленки.

Получение сополимеров 3ГБ/3ГГ с использованием природного штамма Cupriavidus eutrophus В-10646 и их свойства иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1. Синтезируют П(3ГБ/3ГГ). Музейную культуру штамма-продуцента Cupriavidus eutrophus ВКПМ В-10646, хранящуюся на агаризованной среде при 5°C, суспендируют в жидкой солевой среде, содержащей (г/л): глюкозу - 20 г/л, Na₂HPO₄·H₂O - 9.1, KH₂PO₄ - 1.5; MgSO₄·H₂O - 0.2, Fe₃C₆ Η₅O₇·7H₂O - 0.25, CO(NH₂)₂ - 1.0. Стандартный раствор микроэлементов по Хоагланду из расчета 3 мл на 1 л питательной среды, который содержит: H₃BO₃ - 0.228, СоСе₂×6H₂O - 0.030, CuSO₄×5H₂O - 0.008, MnCe₂×4H₂O - 0.008, ZnSO₄×7H₂O - 0.176, NaMoO₄×2H₂O - 0.050, NiCe₂ - 0.008 (г/л) и раствор железа лимоннокислого 5 г/л из расчета 5 мл раствора на 1 л среды. Культивирование штамма-продуцента проводят в периодическом режиме в стеклянных колбах объемом 1 л при коэффициенте заполнения 0.5 с использованием термостатируемого шейкера-инкубатора «Incubator Shaker Innova® серии 44» «New Brunswick Scientific)) (США). Культивирование проводят в течение 15-18 ч при 30°C и pH 7.0. Полученную культуру используют в качестве инокулята для последующего выращивания бактерий в периодическом режиме синтеза полимеров в двустадийной культуре, при котором на первом этапе синтез полимеров стимулируется лимирующей концентрацией серы, которую подают в виде сульфата магния MgSO₄ в концентрации не выше 0.1 г/л, в отличие от прототипа, в котором синтез полимера стимулируется дефицитом азота; на втором - в среде, не содержащей источника серы. Коэффициент заполнения стеклянных колб объемом 1-2 л составляет от 0,3 до 0,5. Выращивание бактерий проводят при 30°C и pH 7.0 при текущей концентрации глюкозы в культуре не менее 5 г/л. Через 15 ч от начала культивирования с помощью насоса-дозатора в культуру дважды в течение 2 ч подают гексаноат калия в концентрации 1 г/л и акрилат в концентрации 1,0 г/л. Продолжают культивирование еще 10 ч. Общее время культивирования на первом этапе составляет 25 ч. После отключения подачи сульфата магния культивирование продолжают 20 ч при подаче в культуру раствора глюкозы (текущая концентрация в культуре не менее 5 г/л) и азота (50-100 мг/л). Общее время культивирования штамма-продуцента составляет 45 ч. Выделение полимера из биомассы проводят известным способом в среде дихлорметана. Полученный экстракт концентрируют на роторном испарителе Rotavapor R-210, осаждают изопропанолом. Процедуру перерастворения и осаждения проводят многократно - не менее 3-х раз. Полимер сушат при комнатной температуре в боксе-ламинаре.

Физико-химические свойства П(3ГБ/3ГГ) исследованы с применением рентгеноструктурного анализа, дифференциального термического анализа и высокоэффективной жидкостной хроматографии. Относительное разрывное удлинение образцов измеряют, например, с использованием универсальной испытательной машины Instron 5565, 5KN (Instron, Великобритания) при комнатной температуре. Базовая (начальная) длина образцов - от 20,0 до 50,0 мм; скорость растяжения 3 мм/мин. Результаты представлены в таблице 1.

Выход сополимера 58,0%; содержание 3-гидроксигексаноата 68,0 мол. %. Степень кристалличности 21%. Удлинение образца пленки при разрыве составило 477%.

Пример 2. Способ синтеза П(ЗГБ/3ГГ) аналогичен способу, указанному в примере 1. В качестве основного источника углерода используют глюкозу, которую вместе с источником азота подают в культуру в заданных концентрациях. На первом этапе лимитирующий элемент - сера; на втором подачу сульфата магния прекращают. Через 15 ч от начала культивирования с помощью насоса дозатора в культуру трижды в течение 1,5 ч подают гексаноат калия в концентрации 1 г/л и акрилат в концентрации 0,5 г/л. Продолжают культивирование в течение 10 ч. Общее время культивирования на первом этапе составляет 25 ч. После отключения подачи сульфата магния культивирование продолжают 20 ч при подаче в культуру раствора глюкозы (текущая концентрация в культуре не менее 5 г/л) и азота (50-100 мг/л). Общее время культивирования штамма-продуцента составляет 45 ч. Выделение полимера из биомассы и исследование образцов проводят аналогично примеру 1. Выход сополимера 64,3%, содержание 3-гидроксигексаноата 65,7 мол. %. Степень кристалличности 30%. Удлинение образца пленки при разрыве составило 290%. Результаты представлены в таблице 1.

Примечание: Т_пл.°C - температура плавления; Т_дегр.°C - температура термической деградации, С_х, % - степень кристалличности; М_в - средневесовая молекулярная масса, кДа; D - полидисперсность.

На фиг. 1 представлены структурная формула и ¹H-ЯМР спектр сополимера 3-гидроксимасляной и 3-гидроксигексановой кислот П(3ГБ/3ГГ) с содержанием мономеров 3ГГ 58,0 мол.%.

Фиг. 2 - представлена ионная хроматограмма сополимера П(3ГБ/3ГГ). Время удерживания 9,489 мин соответствует β-ОН-бутирату; 11,548 мин - β-ОН-гексаноату.

Фиг. 3. Масс-спектры мономеров 3-гидроксимасляной (3 ГБ) (а) и 3-гидроксигексановой (3ГГ) (б) кислот, входящих в состав сополимера П(3ГБ/3ГГ).