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    05-Dec-2014
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Produo de penicilina

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  • 1. J.C. Menezes, T.P. Alves, J.P. Cardoso, Biotecnologia Microbiana: A Produo de Penicilina, cap. 12, 15 pp. inBiotecnologia: Fundamentos e Aplicaes, N. Lima e M. Mota (eds.), DIFEL, 2000. 12 - Biotecnologia Microbiana: A Produo de Penicilina Jos C. Menezes1,3 , Teresa P. Alves4 , Joaquim P. Cardoso2,3,4 1 Professor Auxiliar, IST 2 Professor Catedrtico, IST 3 Departamento de Engenharia Qumica Centro de Engenharia Biolgica e Qumica, Instituto Superior Tcnico, Av. Rovisco Pais, P-1049-001 Lisboa, Portugal; telefone: 218 417 347; fax: 218 419 062; e-mail: cardoso.menezes@ist.utl.pt 4 Administrador, PhD Companhia Industrial Produtora de Antibiticos, CIPAN, S.A., Vala-do-Carregado, P-2601-906 Castanheira do Ribatejo, Portugal. telefone: 263 856 800; fax: 263 855 086; e-mail: ta.cipan@mail.telepac.pt SUMRIO A descoberta e produo em massa de medicamentos capazes de combater doenas infecciosas constitui uma das maiores realizaes da humanidade. A introduo dos antibiticos em medicina marcou o incio de uma era em que doenas mortais passaram a ter cura, originando um aumento de longevidade estimado em 10 anos nos pases industrializados. Neste captulo rev-se a descoberta da penicilina e a forma como hoje em dia produzida industrialmente. Discute-se a sua produo por fermentao, a extraco dos caldos fermentados e a obteno de produtos de maior eficcia teraputica por modificao qumica da penicilina. Passados mais de meio sculo do incio da produo industrial de penicilina, subsistem ainda problemas fundamentais por resolver neste processo. Pe-se ainda em evidncia o facto dos mtodos utilizados na soluo dos problemas de engenharia bioqumica encontrados na produo industrial de penicilina se terem constitudo em paradigma na investigao e desenvolvimento da generalidade dos processos de produo dos antibiticos actualmente comercializados. 12.1 INTRODUO A indstria farmacutica de produo de antibiticos por fermentao nasceu h ca. de 60 anos com a produo de penicilina, sendo frequentemente utilizada como exemplo de uma biotecnologia estabelecida [1]. No entanto, apesar da escala a que se produz penicilina, da sua importncia comercial e de ser o antibitico produzido h mais tempo por fermentao, o conhecimento existente sobre o microrganismo e o processo de fermentao insuficiente para que seja possvel i) por modificao gentica dos mecanismos de controlo metablico a acentuao de determinadas caractersticas de uma estirpe (e.g., produtividade) ou ii) a formulao a priori de meios e condies de cultura mais adequadas a dada estirpe. A produo de penicilina realizada por fermentao com um fungo, o Penicillium chrysogenum, no existindo processos qumicos alternativos economicamente viveis. A partir da penicilina isolada dos caldos fermentados podem ser sintetizados diversos antibiticos com um valor teraputico e comercial significativamente superior. Neste captulo revm-se sumariamente estes processos e utilizaes.
  • 2. 12.2 A DESCOBERTA E A PRODUO INDUSTRIAL DE PENICILINA Muitas descobertas cientficas importantes so acidentais. A ocorrncia de factores experimentais desconhecidos ou no-controlados, com um resultado que notado mas s depois entendido, responsvel por descobertas que mudaram a histria. A descoberta da penicilina pelo escocs SIR ALEXANDER FLEMING em 1928 um bom exemplo [2]. As razes que explicam que os antibiticos no tenham sido descobertos no sculo XIX persistiam no tempo de FLEMING - pex. a inexistncia de mtodos cromatogrficos e espectrofotomtricos adequados caracterizao e isolamento de um composto com a instabilidade qumica e trmica da penicilina em soluo - a tal ponto que o feito extraordinrio da descoberta da penicilina no teve nos anos seguintes grande evoluo [3]. A importncia estratgica da penicilina na Segunda Guerra Mundial fez com que CHAIN e FLOREY, a trabalharem na aplicao clnica da penicilina desde 1938, constassem de mandatos de captura alemes em 1940. A precariedade do Reino Unido no incio da guerra obrigou FLOREY a interromper o trabalho em LONDRES sobre a penicilina e a procurar em 1941 nos EUA o apoio necessrio para a produo em larga escala. Apesar da guerra, o trabalho do grupo de CHAIN e FLOREY tornou-se conhecido em todo o mundo, originando investigao independente sobre a penicilina em vrios pases. A Holanda, onde a investigao se fez clandestinamente devido ocupao, e a Espanha, devastada pela guerra civil, tornaram-se mais tarde em grandes produtores mundiais de penicilina [2]. Pelo seu trabalho sobre a penicilina FLEMING, CHAIN e FLOREY receberam em 1945 o prmio Nobel da medicina. 12.3 O PARADIGMA DA PRODUO INDUSTRIAL DE PENICILINA A quantidade de penicilina fabricada nos EUA na primeira metade da dcada de 40, praticamente o nico produtor neste perodo, aumentou mais de 5 ordens de grandeza com o programa concertado de investigao e desenvolvimento lanado pelo governo americano durante a guerra, atingindo-se na altura do desembarque na Normandia uma produo anual suficiente para as necessidades militares dos aliados (Fig. 12.1). FROM ORDINARY MOLD - the Greatest Healing Agent of this War anncio na revista LIFE de 14 de Agostode 1944 FROM ORDINARY MOLD - the Greatest Healing Agent of this War FROM ORDINARY MOLD - the Greatest Healing Agent of this War anncio na revista LIFE de 14 de Agostode 1944 Figura 12.1 - Propaganda penicilina durante a Segunda Guerra Mundial. Desde ento a produo mundial tem aumentado, embora a uma taxa inferior, sendo actualmente superior a 20.000 ton/ano. Se se considerar a dosagem tpica por tratamento (ca. 1 a 10 g/paciente), a capacidade teraputica possvel com a quantidade de penicilina produzida em todo o mundo de de 2 a 20 mil milhes de pacientes tratados/ano, ou seja, da ordem do nmero de habitantes da Terra, nmeros impensveis h 50 anos.
  • 3. Depois da penicilina, descobriram-se mais de 8.000 antibiticos, sendo hoje em dia produzidos industrialmente cerca de 170 antibiticos por fermentao e posterior modificao qumica [4]. O desenvolvimento dos processos de fabrico de todos estes antibiticos seguiu as mesmas etapas da produo de penicilina, estabelecendo-se como paradigma da investigao e desenvolvimento de processos industriais de fermentao e da prpria engenharia bioqumica: seleco de estirpes optimizao escala laboratorial das condies de fermentao teste em instalaes piloto soluo emprica de problemas de aumento de escala caracterizao qumica e estrutural do composto activo modificao qumica do composto activo teste de formulaes em animais e seres humanos produo industrial do antibitico A adopo no desenvolvimento e aumento de escala da maioria dos processos farmacuticos de fermentao de mtodos empricos de tentativa e erro, justificada pela sua complexidade bioqumica e a persistncia de problemas fundamentais nestes processos, como se ver adiante [5]. 12.4 AS PRINCIPAIS PENICILINAS E DERIVADOS A composio de todas as penicilinas apresenta um ncleo comum de acordo com a frmula N COOH O S HNCOR CH3 CH3 O ncleo comum a todas as penicilinas o cido 6-amino penicilnico (6-APA) que embora seja biolgicamente inactivo o responsvel pela actividade de todas as penicilinas. A sua estrutura N COOH O S CH3 CH3 (1) (2) H2N contm 1 anel de 4 membros (1) chamado beta-lactmico e um anel de 5 membros (2) denominado anel tiazolidinico. A existncia do anel beta-lactmico em todas as penicilinas naturais ou semi- sintticas responsvel pela designao geral destes antibiticos de antibiticos beta-lactmicos. O Radical R d o nome penicilina respectiva de acordo com a Tabela 12.1. A estirpe original usada para a produo de penicilina na ausncia de precursor produzia misturas das 6 primeiras penicilinas listadas na Tabela 2.1 [6]. Os estudos sobre a elucidao da estrutura da penicilina, contudo, levaram ao estabelecimento que a produo de uma dada penicilina requeria o fornecimento, normalmente em fed-batch, da cadeia lateral respectiva. Das penicilinas atrs apresentadas as nicas com interesse industrial e econmico, actualmente, so a penicilina G (benzilpenicilina) e a penicilina V (fenoximetilpenicilina), com uma produo e valor de mercado de cerca de 20.000 ton/ano e 600 milhes USD (preos correntes a granel). A obteno de uma dada penicilina est como se disse relacionada com o fornecimento da cadeia lateral durante a fermentao. Assim o fornecimento de sais de cido fenil actico (AFA) leva formao exclusiva de penicilina G enquanto que o fornecimento de sais de cido fenoxi actico (AFNA) leva formao exclusiva de penicilina V. As principais propriedades e usos destas duas penicilinas so descritas a seguir [7].
  • 4. Radical R Penicilina Correspondente (nome usual) CH2 Benzilpenicilina (Penicilina G) CH3CH2CH = CHCH2 2 Pentenilpenicilina (Penicilina F) CH3CH = CHCH2CH2 3 Pentenilpenicilina CH3 (CH2)4 n-Amilpenicilina (Dihidropenicilina F) CH3 (CH2)6 n-Heptilpenicilina (Penicilina K) CH2HO p-Hidroximetilpenicilina (Penicilina X) OCH2 Fenoximetilpenicilina (Penicilina V) Tabela 12.1 As penicilinas mais comuns. 12.4.1 - Penicilina G (Benzil Penicilina) Frmula Bruta (cido) C16H18N2O4S (PM 344,4) CAS 61-33-6 Frmula Bruta (Sal de Potssio) C16H17N2O4SK (PM 372,5) CAS 113-98-4 12.4.1.1 - PROPRIEDADES FSICAS (SAL DE POTSSIO) Slido cristalino branco, sem cheiro quando puro, solvel em gua, higroscpico, instvel a cidos e alcalis. Ponto de fuso 215C com decomposio. Uma miligrama de penicilina G potssica equivalente a 1.595 unidades (Oxford units). 12.4.1.2 FRMULA N S CO2X CH3 CH3 O CH2CONH 12.4.1.3 - UTILIDADE Matria prima para as sntese