Alternatives biotecnològiques a la síntesi química de la vitamina K3

Abstract

Aquesta tesi tracta l'estudi de la producció de la vitamina K3 des d'un punt de vista biotecnològic amb l'objectiu de plantejar noves alternatives a la síntesis química clàssica d'aquesta vitamina.<br/>La síntesi clàssica de la vitamina K3 es realitza per un procediment químic que comporta una oxidació del 2-metilnaftalè com a material de partida, mitjançant un agent oxidant molt fort, el dicromat sòdic, en un medi que conté àcid sulfúric, creant-se una reacció que genera una elevadíssima quantitat de residus de crom en aigües àcides.<br/>Així doncs es tracta d'una reacció molt contaminant que alhora té unes limitacions des del punt de vista químic molt important, com és la no utilització d'un catalitzador, la generació de grans quantitats de residus, així com la formació d'un isòmer de la vitamina K3, la 6-metil-1,4-naftoquinona, de manera que es produeix un compost no biològicament actiu, del qual cal desfer-se mitjançant dificultosos processos de purificació.<br/>Els experiments realitzats en aquest treball van estar dirigits cap a la solució d'aquests problemes, és a dir, la utilització de biocatalitzadors en unes condicions suaus per a minimitzar l'impacte ambiental del procediment de síntesi , així com la millora de la selectivitat de la reacció, eliminantse la formació de l'isòmer de la vitamina K3, punt clau per a l'èxit d'aquest nou sistema de síntesi.<br/>Amb aquests objectius es va treballar amb microorganismes salvatges, així com amb microorganismes de col.leccions internacionals, fins que es va poder determinar que dos microorganismes salvatges aïllats del producte de partida de la reacció, el 2-metilnaftalè, així com tres soques de les col.leccions internacionals, eren capaços de produir vitamina K3 a partir d'aquest substracte. <br/>Un cop obtingudes les soques productores de vitamina K3 es va poder determinar el mecanisme de la reacció, que indicava la formació dels intermediaris 2-metil-1-naftol i 2-metil-4-naftol, seguit del menadiol i finalment la formació de vitamina K3. També es va poder dur a terme la determinació de que els microorganismes productors de vitamina K3 tenien un 100% de selectivitat pel que fa a la formació de quinones, evitantse la formació de l'isòmer no desitjat, fet determinant per a l'interès del món químic-farmacèutic en una reacció d'aquest tipus. <br/>Es van poder mostrar diferents alternatives de síntesi d'aquesta vitamina utilitzant sistemes enzimàtics, cèl.lules senceres actives i cèl.lules senceres no proliferants, essent la producció amb Bacillus subtilis i Bacillus cereus biotip I en condicions de no proliferació en glucosa, les millor condicions de productivitat.<br/>Des del punt de vista dels estudis mol.leculars, es va poder determinar que la proteïna responsable de la síntesi de vitamina K3, utilitzant com a substracte el 2-metil-1-naftol, era la citocrom aa3-600quinol oxidasa de Bacillus subtilis , però no es va poder determinar la proteïna responsable del primer pas de la reacció, l'oxidació del 2-metilnaftalè a 2-metil-1-naftol.<br/>Els resultats obtinguts permeten veure un ventall de possibilitats que donen alternatives reals als processos clàssics de síntesi de la vitamina K3, tot i que són processos en els quals encara s'ha de treballar molt per augmentar-ne la productivitat fins a uns nivells òptims.

The classical synthesis of vitamin K3 is done by a chemical process consisting of an oxidation of the substrate, 2-methylnaphtalene, with a powerful oxidizing agent such as sodium dichromate in a sulphuric acid medium, which leads to a stechiometric reaction that generates an extremely high amount of chromium waste in acidic waters.<br/>This process is extremely polluting and at the same time, from a chemical point of view, its limitations are very important. The most important limitations are the low atom echonomy, because no catalysis is achieved as it is a stechiometric reaction that produces a great amount of waste, and the production of an isomer(6-methyl-1,4-naphtoquinone) of the vitamin, which is not a biologically active compound, so producing companies must get rid of this compound by a complex purification process.<br/>Experiments done in this study were performed with the aim of improving the reaction using biocatalysts in mild conditions to solve the environment impact , and in order to obtain a 100% selective oxidizing agent avoiding the production of the undesired isomer, which is the key point for the success of this new process.<br/>The strains used in this work were mainly isolated from the environment, except for some of them which were purchased from international collections, and two of the wild strains, which were isolated from the substrate of the reaction, and three of the purchased strains showed a positive results for the produciton of vitamin K3 using 2-methylnaphtalene as substrate.<br/>The mechanism of the reaction involved the sequential oxidation of 2-methylnaphtalene to 2-methyl-1-naphtol and 2-methyl-4-naphtol, leading to menadiol and finally leading to the formation of menadione as final product, with a 100% selective process for the production of quinones, avoiding the production of the undesired isomer.<br/>Different alternatives for the production of menadione were shown by using enzyme systems, active whole cells and whole resting cells of the 5 different menadione producing strains, from which the best results were achieved with Bacillus subtilis and Bacillus cereus biotype I resting cells in glucose.<br/>Molecular studies involving the cloning and expression of the cytochrome aa3 600 quinol oxidase of Bacillus subtilis in E.coli BL21, permitted us to determine that this protein is the responsible for the production of menadione using the substrate 2-methyl-1-naphtol, althoug no evidence of its activity against 2-methylnaphtalene was achieved.<br/>The results obtained in this work show a broad range of possibilities for alternative processes for the synthesis of vitamin K3, although this processes need to develope much further in order to compete with the stablished chemical process in terms of yield and production.