Produção da penicilina

Produção da penicilina

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J.C. Menezes, T.P. Alves, J.P. Cardoso, “Biotecnologia Microbiana: A Produção de Penicilina”, cap. 12, 15 p. in “Biotecnologia: Fundamentos e Aplicações”, N. Lima e M. Mota (eds.), DIFEL, 2000.

12 - Biotecnologia Microbiana: A Produção de Penicilina

telefone: 218 417 347; fax: 218 419 062; e-mail: cardoso.menezes@ist.utl.pt 4 Administrador, PhD Companhia Industrial Produtora de Antibióticos, CIPAN, S.A.,

A descoberta e produção em massa de medicamentos capazes de combater doenças infecciosas constitui uma das maiores realizações da humanidade. A introdução dos antibióticos em medicina marcou o início de uma era em que doenças mortais passaram a ter cura, originando um aumento de longevidade estimado em 10 anos nos países industrializados.

Neste capítulo revê-se a descoberta da penicilina e a forma como é hoje em dia produzida industrialmente. Discute-se a sua produção por fermentação, a extracção dos caldos fermentados e a obtenção de produtos de maior eficácia terapêutica por modificação química da penicilina.

Passados mais de meio século do início da produção industrial de penicilina, subsistem ainda problemas fundamentais por resolver neste processo. Põe-se ainda em evidência o facto dos métodos utilizados na solução dos problemas de engenharia bioquímica encontrados na produção industrial de penicilina se terem constituído em paradigma na investigação e desenvolvimento da generalidade dos processos de produção dos antibióticos actualmente comercializados.

12.1 INTRODUÇÃO

A indústria farmacêutica de produção de antibióticos por fermentação nasceu há ca. de 60 anos com a produção de penicilina, sendo frequentemente utilizada como exemplo de uma biotecnologia estabelecida [1].

No entanto, apesar da escala a que se produz penicilina, da sua importância comercial e de ser o antibiótico produzido há mais tempo por fermentação, o conhecimento existente sobre o microrganismo e o processo de fermentação é insuficiente para que seja possível i) por modificação genética dos mecanismos de controlo metabólico a acentuação de determinadas características de uma estirpe (e.g., produtividade) ou i) a formulação a priori de meios e condições de cultura mais adequadas a dada estirpe.

A produção de penicilina é realizada por fermentação com um fungo, o Penicillium chrysogenum, não existindo processos químicos alternativos economicamente viáveis. A partir da penicilina isolada dos caldos fermentados podem ser sintetizados diversos antibióticos com um valor terapêutico e comercial significativamente superior. Neste capítulo revêm-se sumariamente estes processos e utilizações.

12.2 A DESCOBERTA E A PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE PENICILINA

Muitas descobertas científicas importantes são acidentais. A ocorrência de factores experimentais desconhecidos ou não-controlados, com um resultado que é notado mas só depois entendido, é responsável por descobertas que mudaram a história. A descoberta da penicilina pelo escocês SIR

ALEXANDER FLEMING em 1928 é um bom exemplo [2]. As razões que explicam que os antibióticos não tenham sido descobertos no século XIX persistiam no tempo de FLEMING - pex. a inexistência de métodos cromatográficos e espectrofotométricos adequados à caracterização e isolamento de um composto com a instabilidade química e térmica da penicilina em solução - a tal ponto que o feito extraordinário da descoberta da penicilina não teve nos anos seguintes grande evolução [3].

A importância estratégica da penicilina na Segunda Guerra Mundial fez com que CHAIN e FLOREY, a trabalharem na aplicação clínica da penicilina desde 1938, constassem de mandatos de captura alemães em 1940. A precariedade do Reino Unido no início da guerra obrigou FLOREY a interromper o trabalho em LONDRES sobre a penicilina e a procurar em 1941 nos EUA o apoio necessário para a produção em larga escala.

Apesar da guerra, o trabalho do grupo de CHAIN e FLOREY tornou-se conhecido em todo o mundo, originando investigação independente sobre a penicilina em vários países. A Holanda, onde a investigação se fez clandestinamente devido à ocupação, 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 prémio Nobel da medicina.

12.3 O PARADIGMA DA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE PENICILINA

A quantidade de penicilina fabricada nos EUA na primeira metade da década de 40, praticamente o único produtor neste período, aumentou mais de 5 ordens de grandeza com o programa concertado de investigação e desenvolvimento lançado pelo governo americano durante a guerra, atingindo-se na altura do desembarque na Normandia uma produção anual suficiente para as necessidades militares dos aliados (Fig. 12.1).

the Greatest Healing Agent of this War anúncio na revistaLIFE de14 deAgostode 1944 the Greatest Healing Agent of this War the Greatest Healing Agent of this War anúncio na revistaLIFE de14 deAgostode 1944

Figura 12.1 - Propaganda à penicilina durante a Segunda Guerra Mundial.

Desde então a produção mundial tem aumentado, embora a uma taxa inferior, sendo actualmente superior a 20.0 ton/ano. Se se considerar a dosagem típica por tratamento (ca. 1 a 10 g/paciente), a capacidade terapêutica possível com a quantidade de penicilina produzida em todo o mundo é de de 2 a 20 mil milhões de pacientes tratados/ano, ou seja, da ordem do número de habitantes da Terra, números impensáveis há 50 anos.

Depois da penicilina, descobriram-se mais de 8.0 antibióticos, sendo hoje em dia produzidos industrialmente cerca de 170 antibióticos por fermentação e posterior modificação química [4]. O desenvolvimento dos processos de fabrico de todos estes antibióticos seguiu as mesmas etapas da produção de penicilina, estabelecendo-se como paradigma da investigação e desenvolvimento de processos industriais de fermentação e da própria engenharia bioquímica:

· selecção de estirpes • optimização à escala laboratorial das condições de fermentação

• teste em instalações piloto

• solução empírica de problemas de aumento de escala

• caracterização química e estrutural do composto activo

• modificação química do composto activo

• teste de formulações em animais e seres humanos

• produção industrial do antibiótico

A adopção no desenvolvimento e aumento de escala da maioria dos processos farmacêuticos de fermentação de métodos empíricos de tentativa e erro, é justificada pela sua complexidade bioquímica e a persistência de problemas fundamentais nestes processos, como se verá adiante [5].

12.4 AS PRINCIPAIS PENICILINAS E DERIVADOS A composição de todas as penicilinas apresenta um núcleo comum de acordo com a fórmula

S HNCOR CH3

O núcleo comum a todas as penicilinas é o ácido 6-amino penicilânico (6-APA) que embora seja biológicamente inactivo é o responsável pela actividade de todas as penicilinas. A sua estrutura

S CH3 contém 1 anel de 4 membros (1) chamado beta-lactâmico e um anel de 5 membros (2) denominado anel tiazolidinico. A existência do anel beta-lactâmico em todas as penicilinas naturais ou semisintéticas é responsável pela designação geral destes antibióticos de antibióticos beta-lactâmicos.

O Radical R dá o nome à penicilina respectiva de acordo com a Tabela 12.1. A estirpe original usada para a produção de penicilina na ausência de precursor produzia misturas das 6 primeiras penicilinas listadas na Tabela 2.1 [6]. Os estudos sobre a elucidação da estrutura da penicilina, contudo, levaram ao estabelecimento que a produção de uma dada penicilina requeria o fornecimento, normalmente em fed-batch, da cadeia lateral respectiva.

Das penicilinas atrás apresentadas as únicas com interesse industrial e económico, actualmente, são a penicilina G (benzilpenicilina) e a penicilina V (fenoximetilpenicilina), com uma produção e valor de mercado de cerca de 20.0 ton/ano e 600 milhões USD (preços correntes a granel).

A obtenção de uma dada penicilina está como se disse relacionada com o fornecimento da cadeia lateral durante a fermentação. Assim o fornecimento de sais de ácido fenil acético (AFA) leva à formação exclusiva de penicilina G enquanto que o fornecimento de sais de ácido fenoxi acético (AFNA) leva à formação exclusiva de penicilina V. As principais propriedades e usos destas duas

Radical R Penicilina Correspondente (nome usual)

CH2 Benzilpenicilina

(Penicilina G)

CH3CH2CH = CHCH2 2 Pentenilpenicilina (Penicilina F)

CH2HO p-Hidroximetilpenicilina (Penicilina X)

O C H 2 Fenoximetilpenicilina

(Penicilina V)

Tabela 12.1 – As penicilinas mais comuns.

12.4.1 - Penicilina G (Benzil Penicilina)

12.4.1.1 - PROPRIEDADES FÍSICAS (SAL DE POTÁSSIO)

Sólido cristalino branco, sem cheiro quando puro, solúvel em água, higroscópico, instável a ácidos e alcalis. Ponto de fusão 215°C com decomposição. Uma miligrama de penicilina G potássica é equivalente a 1.595 unidades (Oxford units).

12.4.1.2 – FÓRMULA

CO2X

CH3 O

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