09 Penicilin - Institut für Biotechnologie der RWTH

Praktikum Biotechnologie Übung 9 Blatt 2/10
Die Wirksamkeit (Aktivität) von Penicillin wurde ursprünglich definiert als die Penicillinkonzentra-
tion, die unter bestimmten Bedingungen das Wachstum eines Teststammes von Staphylococcus
aureus gerade zu hemmen vermochte. Die so festgelegte internationale Einheit (IE) entspricht der
Aktivität von 0,6 µg Penicillin-G-Natriumsalz mit 98%iger Reinheit.
Penicillin G, das bedeutendste Penicillin, ist eine relativ starke Säure mit einem pK-Wert von 2,75.
Sie ist aus wässrigen Lösungen bei pH-Werten zwischen 2 und 3 mit organischen Lösungsmitteln
(Amylacetat, Butylacetat) extrahierbar. Das Natriumsalz und andere Salze von Penicillin G (die bei
einem neutralen pH-Wert vorliegen) sind hingegen unlöslich in diesen Lösungsmitteln und leicht
löslich in Wasser, Methanol und Ethanol. Diese unterschiedliche Löslichkeit der Salze und der freien
Säuren von Penicillin ist Grundlage der Isolierung und Reinigung. Die Penicilline sind relativ
empfindliche Verbindungen, die bei Zimmertemperatur und pH-Werten unter 3 zu Penicill(in)säure
gespalten werden. Bei der Penicillinextraktion im sauren Bereich ist daher Kühlung erforderlich.
Auch im alkalischen Bereich (pH > 8) werden Penicilline gespalten und zwar in diesem Fall zu Peni-
cillosäure; die gleiche Spaltungsreaktion wird auch enzymatisch durch die sog. "Penicillinase", eine
ß-Lactamase, durchgeführt. Dieses Enzym wird von vielen penicillinresistenten Bakterien gebildet.
Besonders wegen der Penicillinaseaktivität vieler Bakterien ist die Penicillinfermentation außer-
ordentlich empfindlich gegen Infektionen und muss deshalb unter sterilen Bedingungen durchgeführt
werden.
Durch ein weiteres Enzym, die Penicillinacylase, wird die Seitenkette der Penicilline abgespalten. Die
Acylase wird insbesondere von Escherichia coli und anderen Enterobakterien gebildet. Bei der Sei-
tenkettenabspaltung resultiert 6-Aminopenicillansäure, aus der teilsynthetisch andere, in der Natur
nicht vorkommende Penicilline (z.B. Methycillin, Ampicillin, Phenethicillin) durch Koppelung mit
einer entsprechenden Seitenkette hergestellt werden.
1.2. Penicillinfermentation
Für die fermentationstechnische Herstellung von Penicillinen, insbesondere Penicillin G, wurden die
ursprünglich verwendeten Wildstämme (1940) im Laufe der Zeit durch immer leistungsfähigere Mut-
anten ersetzt. Während die Ausgangsstämme weniger als 100 IE/mL an Penicillin zu erzeugen ver-
mochten, produzieren die heutigen industriellen Hochleistungsstämme bis zu 20 000 IE/mL; das
entspricht einer Konzentration von über 1% reinem Penicillin im Kulturfiltrat. Bei den Hochleis-
tungsstämmen handelt es sich meist um Abkömmlinge der "Wisconsin-Familie" von Penicillium
chrysogenum, deren Stammbaum in Abb. 1 wiedergegeben ist.
Stand: 18.06.2009