DEA0019472MA - - Google Patents

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DEA0019472MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Bekarintgemacht am 5. Januar 1956 Tag der Anmeldung: 11. Januar 1954
DEUTSCHES PATENTAMT
PATENTANMELDUNG
KLASSE 30h GRUPPE 220
A 19472 IVa/30h
Dr. Konrad Bernhauer,
Dipl.-Chem. Dr. Wilhelm Friedrich, Aschaffenburg, und Dipl.-Chem. Elisabeth Becher, Stockstadt/Main
sind als Erfinder genannt worden
As chaff enburger Zellstoffwerke Aktiengesellschaft, Redenfelden (Obb.)
Verfahren zur Biosynthese von Cyanocobalamin (Vitamin Bi2-Faktor II)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von. Vitamin B12 durch Biosynthese aus dem Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol mit Hilfe von Mikroorganismen.
Bei allen bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Erzeugung von Vitaminen der B12-Gruppe geht man in der Weise vor, daß man geeignete Mikroorganismen in einem Nährmedium wachsen läßt, wobei sie Vitamin B12 bilden. Solchen Nährmedien werden erforderlichenfalls, außer den üblichen Nährstoffen (io ■noch Kobaltionen zugesetzt, da diese für den Aufbau des Vitamin-B12-Moleküls benötigt werden.
Es wurde nun gefunden, daß man überraschenderweise eine Biosynthese von Vitamin B12 dadurch be-
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werkstelligen kann, daß man Mikroorganismen in einem Nälirincdium wachsen läßt, das den z. B. aus Faulschlamm gewinnbaren Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol in geeigneten Konzen- !rationell enthält.
ICs sind bereits mehrere Faktoren der Vitamin-B12-(iruppe bekannt, die vor allem im Faulschlamm der städtischen Abwässer enthalten sind. Es interessierte von Anfang an die Frage, in welchem verwandtschaft-Hellen Verhältnis all diese Vitamin-B12-Komponenten zueinander stehen, d. h. welche dieser Komponenten Vorstufen und welche von ihnen Abbauprodukte der fertigen Vitamin-B12-Faktoren darstellen. Unter >>fertigen λ Vitamin-BJ2-Faktoren werden hier solche verstanden, die zumindest die volle Wuchsstoff wirkung sowohl gegenüber der F.-coli-Mutante 113-3, als auch gegenüber L. Leichmannii besitzen.
Die mikrobiologische Aktivität der verschiedenen Vitainin-B12-Komponenten gegenüber diesen zwei Mikroorganismen ist nämlich unterschiedlich. So besitzen die Vitamin-B12-Faktoren II, III und IV die gleiche Wuchsstoffwirkung gegenüber E.-coli-Mutante 113-3 llnfl L. Leichmannii; der Faktor V besitzt eine sehr geringe Aktivität gegenüber diesen beiden Mikro-Organismen; der Faktor I ist aktiv gegenüber E.-coli-Mutante 113-3, jedoch inaktiv gegenüber L. Leichmannii.
Diese Beobachtungen können vielleicht dadurch erklärt werden, daß erstens die E.-coli-Mutante 113-3 sowie L. Leichmannii die Vitamin-B12-Faktoren II, III und IV in unveränderter Form voll verwerten können, zweitens wohl die E.-coli-Mutante 113-3, nicht aber L. Leichmannii den Faktor I als Vorstufe zum Aufbau eines »fertigem, \'itainin-B12-Faktors (wie z. B.
Faktor II, III und IV) verwerten kann, drittens weder die E.-coli-Mutante 113-3 noch L. Leichmannii in der Lage sind, den Faktor V in nennenswertem Umfang in eine der »fertigen« Formen umzuwandeln.
Im Lichte dieser Auffassung erschien der Vitamin-Ji,„-Faktor I, der sich als identisch mit dem Faktor B von Porter und Mitarbeitern erwies, besonders interessant. Die Annahme, daß dieser Faktor eine Vorstufe der »fertigen« Vitamin-B12-Faktoren darstellt, wurde durch folgende Jieobachtungen gestützt.
i. Der Faktor I besitzt, verglichen mit anderen Vit.amin-B12-Faktoren, eine besonders gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln und wandert besonders schnell in Chromatogrammen, was für ein niedrigeres Molekulargewicht spricht.
2. Der Faktor I besitzt im Plattentest ungefähr die .|- bis yfache Vitamin-B12-Aktivität, verglichen mit derjenigen des Röhrchentestes (unter Benutzung von Vitamin B12, d. h. Faktor II, als Standard), was ebenfalls für ein niedrigeres Molekulargewicht spricht.
3. Der Faktor I scheint keine Nucleotid-Komponenle zu besitzen.
Zur Li)SUUg der Frage, ob und unter welchen Bedingungen gewisse Mikroorganismen den Vitamin-B12-Faktor 1 in Faktor II (Cyanocobalamin) umwandeln
6q können, wurde die E.-coli-Mutante 113-3 und ein gewöhnlicher E.-coli-Stamm verwendet. Man geht dabei in der Weise vor, daß man z. B. E.-coli in üblicher Weise in einem Medium züchtet, das eine Kohlenstoffquelle, wie z. B. Glukose, und die erforderlichen Nährsalze enthält. Außerdem versetzt man die Nährlösung mit Vitamin-B12-Faktor I in biologischen Konzentrationen, also in einer Menge von etwa 0,1 bis 0,5 Gamma je ecm (gemäß dem E.-coli-Test, unter Zugrundelegung des Cyanocobalamin-Standards), d.h. 10 bis 50 Gammaprozent und mit 5, 6-Dimethylbenzimidazol in 3- bis iofachem molarem Überschuß unter Berücksichtigung eines Molekulargewichts von etwa 800 für den Vitamin-B12-Faktor I. Nach dem Sterilisieren der Nährlösung und Beimpfen läßt man nun bei einem pu-Wert von etwa 6 bis 7 und optimaler Temperatur, also z. B. 37°, unter submers-aeroben Bedingungen, also unter Schütteln oder Rühren und gleichzeitiger Durchlüftung wachsen. Nach 8 bis 24 Stunden, je nach der Zuckerkonzentration, ist das Wachstum beendet. Nun wird die Fermentations- Ho brühe in der üblichen Weise aufgearbeitet und die Vitamin-B12-Faktoren chromatographisch getrennt. Dabei wird zunächst unveränderter Vitamin-B12-Faktor I eluiert, sodann erscheint eine scharf abgegrenzte Zone, die getrennt aufgefangen wird. Durch Ermittlung des R-Wertes, Verteilungskoeffizienten und Absorptionsspektrums läßt sich beweisen, daß es sich dabei um Cyanocobalamin handelt.
Über den quantitativen Verlauf der Bildung von Cyanocobalamin aus dem Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol geben nachfolgende Ver- ' suche Aufschluß.
Es wurden sowohl die E.-coli-Mutante 113-3 als auch ein gewöhnlicher E.-coli-Stamm verwendet. Die Mikroorganismen wurden in einer Modifikation des Davis-Medium in der Schüttelkultur bei 37° 18 Stunden lang gezüchtet. Die Menge an jeweils vorhandenem Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol sowie die Versuchsergebnisse sind aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlich.
Der durch die beiden Coli-Stämmc synthetisierte Vitamin-B12-Faktor hat das gleiche Absorptionsspektrum wie der Faktor II (Cyanocobalamin). Da auch der R-Wert bei der Zellulose-Chromatographie sowie der Verteilungskoeffizient im Phasensystem n-Butanol/Wasser + Ammonsulfat wie auch die mikrobiologische Aktivität gegen L. Leichmannii identisch sind, ist erwiesen, daß die gebildete Substanz B12-Faktor II ist.
Zur näheren Erläuterung der Tabelle I, vor allem ho des Versuches C, dienen die Abb. 1 bis 5. Die Abb. 1 bis 4 zeigen den Verlauf der chromatographischen Trennung der in der Kulturlösung enthaltenen Vitamin-B12-Faktoren. Zur Trennung wurden Zellulosesäulen verwendet. Als Entwickler diente wassergesättigter und CN-Ionen enthaltender η-Butyl- ; alkohol. Aus den Abb. 1 bis 4 sowie aus der Tabelle I ist zu ersehen, daß aus Versuchen ohne 5, 6-Dimethylbenzimidazol überhaupt kein Cyanocobalamin chromatographisch erfaßt werden kann. In Gegenwart steigender Mengen an 5, 6-Dimethylbenzimidazol werden zunächst steigende Mengen an Faktor II gebildet; bei etwa 12 Gammaprozent an 5, 6-Dimcthylbenzimidazol scheint jedoch in diesem Falle das Maximum an Faktor II gebildet zu sein, wie aus der Abb. 5 deutlich ersichtlich ist.
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Tabelle I ..
Biosynthese von Vitamin-B12 (Faktor II) aus dem Vitamin-B12-Faktor Γ und 5, 6-Dimethylbenzimidazol ·> mit Hilfe von E. coli. Nährmedium und Versuchsbedingungen siehe Text.
E Mikro Ansatz
Vol.
der E Gehalt. ^Mikrobiologische L. Leich- Vitamin-B, „-Faktoren, Methoden mittels präparätiyer , 5,5 R-Wert
.**)
Verteilungs
organismus in
Liter
Fak
tor T
ilediums an Aktivität nach der
Vergärung
gegenüber
mannii
y°/o
gefunden it fest 0,24 koeffizient
***\
Vers. LUl X
V0U
Precursor*) E. coli- IO 2,7 0,23
'Nr. E. coli .... 5,o 20 y°lo Mutante
V0Io
16 Faktor I in γ Gebildeter Faktor II 5,2 24
5,o 20 , 0 13 R-Wert**) Spur 5,9
A E.-coli- 20 18 0,46 231 in
Y0Io
Spuren
Mutante IO 0,46 0,23
B 113-3 ··· 5,o 40 15 4,6 ö stellbar 24 ·
5,o 40 0 36 I 0 0,24
E. coli .... 2,5 IO 20 28 7 0,49 0 0,25 24
2,2 IO 0 13 9 o,53 höchstens 0 0,26 24
C 2,5 IO .5 13 10 0,49 276 24 ;
2>5 IO IO IS 0,46 nie
E.-coli- 20 12 0,42 67.
Mutante O 0,42 131
D; 113-3 ··.· 2,5 O O 147
7 2,5 O ■' O O O
E. coli .... 2,5 O 20 O O
2,5 O O O 1 0
20 O 0
0
0
*) 5, 6-Dimethylbenzimidazol. ' . ' ' .
**) R-Wert auf der Zellulosesäule, Entwickler: wassergesättigtes n-Butanol mit CN-Ionen.
***) Verteilungskoeffizient im System ri-Butanol/Wasser + Ammonsulfat. Die Zahlen bedeuten Prozente
sulfat, bei denen der Verteilungskoeffizient 1 ist.
Aus der Tabelle I ist vor allem folgendes zu ersehen:
1. Wenn das Nährmedium weder, den Vitamin~B12-Faktor I noch 5, 6-Dimethylbenzimidazol enthält, werden keine Vitamin-B12-Faktoren synthetisiert.
2. Wenn das Nährmedium 5, 6-Dimethylbenzimidazol und keinen Vitamin-B12-Faktor I enthält, werden , gleichfalls keine Vitamin-B12-Faktoren gebildet.
,3. Wenn das Nährmedium den Vitamin-B12-Faktorl und kein 5, 6-Dimethylbenzimidazol enthält, wird höchstens eine Spur an Vitamin-B12-Faktor II gebildet. Dies äußert sich in der Weise, daß die so gewonnene Kulturlösung eine —-oft recht beträchtliche — Wuchsstoffwirkung gegenüber L. Leichmannii aufweist. Diese Wuchsstoff wirkung ist zumeist viel stärker, als dies der .wirklich vorhandenen Menge an Vitamin-B12-Faktor II entspräche. Aus solchen KuI-,turlösungen lassen sich höchstens Spuren an Vitamin- ~B12-Faktdr II isolieren (vgl. Versuch A).
4. Wenn das Nährmedium gleichzeitig den Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol enthält, so besitzt die vergorene Kulturlösung eine entsprechend hohe L.-Leichmannii-Aktivität, und es lassen sich aus ihr beträchtliche Mengen an Vitamin-B12-Faktor II isolieren.
Die Umwandlungsrate von Faktor I in den Faktorll kann noch nicht in exakten Zahlen ausgedrückt werden, da der Faktor I noch nicht in kristallisiertem Zustand erhältlich ist. so daß eine gewichtsmäßige
an Ammon-Der Wert 24 ist für das Cyanocobalamin charakteristisch.
Dosierung schwierig ist. Der Faktor I wird daher grundsätzlich nach seiner biologischen Aktivität gegenüber der E.-coli-Mutante Ϊ13-3, oder durch Ausmessung der Extinktion seiner Lösung dosiert. Dabei muß betont werden, daß die Beziehung seiner biologi- '"' sehen Aktivität bzw. der Extinktion seiner Lösungen zu seinem Trockensubstanzgewicht noch nicht bekannt ist. Infolgedessen können über die in den Versuchen A bis E eingesetzten Gewichtsmengen an Faktor I keine Angaben gemacht werden, und daher kann die Umwandlungsrate noch nicht exakt ermittelt werden.
Die im Durchschnitt erhaltene Konzentration an synthetisiertem Faktorll im Nährmedium beträgt unter den angeführten Versuchsbedirigungen 0,05 Gamma je ecm (5 Gammaprozent). Die zur Umwandlung verwendete niedrigste Konzentration an Faktor I betrug 0,1 Gamma pro ecm bzw. 10 Gammaprozent (E.-coli-Aktivität, gemessen in Cyanocobalamin-Ein- ·. heiten). Danach wurde etwa die Hälfte der möglichen Umwandlungsrate erzielt. ,', ' .
In weiterer Fortentwicklung des Verfahrens kann ■■ auch so vorgegangen werden, daß der Prozeß kqntinu- 120' ierlich durchgeführt wird, indem zum Wachsen der die Biosynthese vollziehenden Mikroorganismus ein Fermentationsgerät verwendet wird, das mit kontinu- '. ierlichem Zu- und Ablauf versehen ist. In diesem Fall kann der ganze Prozeß weitaus rascher durchgeführt werden. :
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Eine weitere Fortentwicklung des Verfahrens be-
6s steht darin, daß statt reinem Vitamin-B12-Faktor I ein Rohcxlrakt verwendet wird, der neben dem Vitamin-B12-Faktor I noch andere Faktoren der Vitamin-B12-Gruppe und sonstige Verunreinigungen enthält.
Zur Abgrenzung des geschilderten Verfahrens sei noch darauf hingewiesen, daß bisher lediglich bekanntgeworden ist, daß beim Wachstum von E.-coli in einem Vitamin-Bjo-freien Grundmedium nach Zusatz der »Vitainin-Bjo-Fraktion Bä die geernteten Zellen die »Vitamin-B12-Fraktion C« enthielten, zuweilen zusammen mit j'Cyano-co-cobalamin« (i>Vitamin-B12-Fraklion Λ«), wie von Ford et al. (Biochem. J. 52, Proc. VIII, 1952) festgestellt wurde. Um welche Umwandlungsprodukte es sich dabei handeln mag, ist unklar, da die Zusammensetzung der betreffenden Produkte noch nicht bekannt ist. Die Bildung von Vitamin-Bjo-Faktor II (Cyanocobalamin) wie in dem hier geschilderten Verfahren ist nicht beobachtet worden. Ferner wurde bei den zitierten Versuchen nicht in Gegenwart von 5, 6-Dimethylbenzimidazol gearbeitet.
Das hier beschriebene Verfahren bietet die Möglichkeit, den im Faulschlamm — häufig sehr reichlich — vorkommenden Vitamin-Bla-Faktor I durch Umwandhing in den Antiperniziosa-Wirkstoff nutzbringend zu verwerten. Außerdem fällt das Vitamin-B12 bei diesem Verfahren in sehr reiner Form an, so daß dessen Gewinnung besondere technische Vorteile bietet.
Die Durchführung des neuen Verfahrens wird durch folgende Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
5 1 eines modifizierten Davis-Medium (1,05% K2HPO.,, 0,45% KIToPO1, 0,075% Natriumeitrat, 0,015 °/o Magnesiumsulfat, 0,15 °/0 Ammonsulfat, 0,3 % Glukose), enthaltend 20 Gammaprozent 5, 6-Dimethylbenzimidazol wurden 20 Minuten lang bei 100° sterilisiert und anschließend mit 40 Gammaprozent Vitamin-Bjo-Faktor I (in 70°/Oiger alkoholischer Lösung) versetzt. Nach dem Beimpfen mit 5% einer Kultur der E.-coIi-Mutante 113-3 in Pepton-Fleischextrakt-NaGl (15 Stunden lang bei 370 bebrütet) wurde der ganze Ansatz in einer ausreichenden Anzahl von 300 ecm luienmeycrkolben während 18 Stunden bei 370 in üblicher Weise in der Schüttelkultur behandelt. Die Fermentationsbrühe wurde anschließend vereinigt, mit 0,1 °/0 Natriumcyanid versetzt, auf pn 6 angesäuert und während 30 Minuten auf 80° erhitzt. Nach dem Abkühlen auf 200 wurde die Brühe mit i°/0 Aktivkohle (z. B. eine unter dem geschützten Handelsnamen Brilonit 4η erhältliche Aktivkohle) geschüttelt. Sodann wurden aus dem mit Hilfe einer Zentrifuge gewonnenen Kohleadsorbat die Vitamin-Bjo-Faktoren mit 7o°/0igem heißen Äthanol eluiert.
iao Die Eluatc wurden im Vakuum eingeengt und daraus die Vitamin-Bjo-Faktorcn mit Hilfe einer Lösung von 201Vo p-Chlorphenol in o-Dichlorbenzol extrahiert. Nach Waschen der p-Chlorphenol-Extrakte mit Phosphat puff er vom p,[ 7 und mit Wasser wurden sie mit n-Butanol versetzt und mit Wasser extrahiert, wobei die Vitamine der B12-Gruppe in die wäßrige Phase übergingen. Die roten wäßrigen Extrakte wurden im Vakuum von Resten an organischen Lösungsmitteln befreit und anschließend mit i°/0 Zellulosepulver versetzt, auf pn 3 angesäuert und mit 2,2% p-Chlorphenol geschüttelt, wobei die gesamten Vitamine der B12-Gruppe sich als p-Chlorphenol- · Komplexe an der Zellulose niederschlugen. Nach dem Absaugen wurde der rote Niederschlag mit Aceton versetzt, wodurch der p-Chlorphenol-Komplex zerlegt und die Vitamine der B12-Gruppe an der Zellulose ij niedergeschlagen wurden. Nach dem Absaugen wurde das die Vitamine der B12-Gruppe enthaltende Zellulosepulver in eine Chromatographiersäule gebracht. Die Vitamine der B12-Gruppe wurden nun mit einer Mischung von 8o°/0 Aceton und 2o°/0 Wasser aus der Zellulose eluiert. Das Eluat wurde im Vakuum eingeengt, der Rückstand in einer kleinen Menge Kieselgur aufgenommen und im Vakuum in Blausäureatmosphäre getrocknet. Das violettgefärbte Kicselgurprodukt wurde anschließend auf eine Zellulose- ad. pulver-n-Butanol-Wasser-Säule aufgetragen und das' Chrornatogramm mit wassergesättigtem und cyanidionenhaltigem n-Butanol entwickelt. Im Eluat erschien zunächst der nicht umgesetzte Faktor I (R-Wert = 0,53), dann nach einer farblosen Zwischen- »5 zone der Faktor II (R-Wert = 0,23). Die den Faktor II enthaltenden Fraktionen wurden vereinigt und mit Wasser extrahiert, wobei der Faktor II in die wäßrige Phase überging. Nach dem Beseitigen des n-Butanols im Vakuum war der Vitamin-B12-Faktor II in der wäßrigen Lösung in reiner Form enthalten. Sein Absorptionsspektrum sowie seine mikrobiologische Aktivität gegen L. Leichmannii waren mit denen des handelsüblichen Cyanocobalamins identisch, sein Verteilungskoeffizient im Phasensystem n-Butanol/ Wasser + Ammonsulfat hatte bei 24 °/0 an Ammonsulfat den Wert 1. Die Ausbeute an Faktor II betrug 276 Gamma.
Beispiel 2
2,5 1 des gleichen Mediums wie im Beispiel 1, das jedoch je 10 Gammaprozent an Vitamin-B12-Faktor I sowie an 5, 6-Dimethylbenzimidazol enthielt, wurden mit 5°/0 einer Kultur des E.-coli-Stamms I beimpft. Impfkultur, Bebrütungsart, Bebrütungszeit und Verarbeitungsweise der vergorenen Kulturlösungen waren ebenso wie im Beispiel 1 angegeben. Die Analyse ergab 131 Gamma an synthetisiertem Vitamin-B12-Faktor II (Cyanocobalamin).
Abb. ι zeigt die Verteilungschromatographie des aus dem Versuch C, ohne 5, 6-Dimethylbenzimidazol gewonnenen Konzentrates an einer Zellulosepulvern-Butanol-Wasser-Säule, enthaltend Cyanidionen.
Vitamin-B12-Faktor I; Extinktion gernessen bei 368 ταμ. ■
Abb. 2 zeigt die Verteilungschromatographie des aus Versuch C mit 5 Gammaprozent 5, 6-Dimethylbcnzimidazol gewonnenen Konzentrates. Chromatographiersäule wie in Abb. 1.
Vitamin-B12-Faktor I; Extinktion gemessen bei 368 πιμ.
Vitamin-B12-Faktor II; Extinktion gemessen bei 361 πιμ.
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Abb. 3 zeigt die Verteilungschromatographie des aus Versuch C mit io Gammaprozent 5, 6-Dimethylbenzimidazol gewonnenen Konzentrates. Chromatographiersäule wie in Abb. 1.
■ ■ .5 Vitamin-B12-Faktor I; Extinktion gemessen bei 368 ταμ.
Vitamin-B12-Faktor II; Extinktion gemessen bei 361' rtiyM.1
Abb. 4 zeigt die Verteilungschromatographie des aus ' v''-,-- Versuch C mit 20 Gammaprozent 5, 6-Dimethylbenzimidazol gewonnenen Konzentrates. Chromatographiersäule wie in Abb. 1.
Vitamin-B12-Faktor I; Extinktion gemessen ' bei , 368 ταμ.
i5, Vitamin~B12-Faktor II; Extinktion gemessen bei
361 ίημ. . . ■
s ' Abb. 5 zeigt die Abhängigkeit der im Versuch C gebildeten Menge an Vitamin-B12-Faktor II von der Konzentration an 5, 6-Dimethylbenzimidazol im Nährmedium.
Zur Abgrenzung des Anmeldegegenstandes zum Stand der Technik wurden zum Zeitpunkt der Anmeldung folgende Literaturstellen berücksichtigt:
W. Friedrich und K. Bernhauer, Angewandte Chemie, 65, S. 627, 1953. , .

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    ι. Verfahren zur Biosynthese von Cyanocobalamin (Vitamin-B12-Faktor II) aus dem Vitamin-B12-Faktor I, dadurch gekennzeichnet, daß man Mikroorganismen in Nährmedien, die Vitamin-B12-Faktor I und 5, 6-Dimethylbenzimidazol enthalten, wachsen läßt und das sich hierbei bildende Cyanocobalamin (Vitamin-B12-Faktor II) isoliert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i; dadurch gekennzeichnet, daß vorwiegend E.-coli-Stämme verwendet werden.
    Angezogene Druckschriften:
    Angewandte Chemie, 1953, S. 627.
    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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