Микробиологический синтез

Микробиологический синтез (далее М)синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счет присущих микробной клетке ферментных систем. При Микробиологический синтез, как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. Микробиологический синтез следует отличать от брожения, в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счет распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся в ходе Микробиологический синтез, обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность для народного хозяйства.

К Микробиологический синтез относят широкий круг процессов. 1. Накопление микробной массы для использования ее: а) в качестве добавок к кормам; б) как источника получения белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков; в) для борьбы с паразитами животных и растений; г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений. 2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п.

Микробиологический синтез осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (например, коферментом А) и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных (см. Аденозинфосфорные кислоты). Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов — их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10 мг/мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин ₂ — до 1—2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определенным видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответстветствующих метаболитов путем Микробиологический синтез При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путем мутанты — штаммы, у которых сверхсинтез — следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов. Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100—150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина; мутантные штаммы используются при производстве как этого, так и др. антибиотиков.

В процессе Микробиологический синтез получают ряд продуктов, причем за счет самых разных соединений и Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Так, для синтеза нуклеиновых кислот и др. метаболитов клетки могут использовать в зависимости от особенностей культуры разные неорганические источники а из соединений — различные углеводы, органические кислоты (в т. ч. уксусную кислоту), жидкие, твердые или газообразные углеводороды и др. Определенные виды, способные к хемосинтезу или фотосинтезу, в качестве источника могут усваивать углекислый газ. Т. о., подбор соответствующих культур дает возможность получать путем Микробиологический синтез желаемые вещества из дешевого и доступного сырья. Эти особенности делают Микробиологический синтез весьма эффективным способом производства многих соединений; часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путем.

Некоторые продукты Микробиологический синтез давно использовались человеком (например, пекарские дрожжи), но широкое промышленное применение Микробиологический синтез получил начиная с 40—50-х гг. 20 в. Прогресс в этой области связан прежде всего с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью. Освоение в промышленных масштабах производства пенициллина привело к решению многих микробиологических, технологических и инженерных задач. Это, наряду с расширением производства дрожжей как добавок к кормам, послужило основой для развития промышленного Микробиологический синтез Так, в частности, были созданы специальные аппараты — ферментеры, с помощью которых можно вести технологический процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабженные устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.

Технологически современный процесс Микробиологический синтез состоит из ряда последовательных этапов (операций). Главные из них: подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента; подготовка питательной среды; выращивание посевного материала; культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется Микробиологический синтез, часто называемый ферментацией (например, ферментация антибиотиков); фильтрация и отделение биомассы; выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо; сушка. Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди др. технологических операций, определяются природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и методы, осаждение и др. Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный — с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов Микробиологический синтез Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко еще не для всех процессов Микробиологический синтез, и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом — с выводом продукта в конце процесса. В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментерах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды — т. н. поверхностным способом. Для производства разнообразных продуктов Микробиологический синтез в СССР создана микробиологическая промышленность, уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов. Работы в области Микробиологический синтез проводятся почти во всех промышленно развитых странах. Во многих из них продукты Микробиологический синтез являются важной составляющей экономики страны, например производство ферментов и аминокислот — в Японии, лекарственных препаратов — в Венгрии.

Антибиотики — один из первых продуктов Микробиологический синтез, которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Антибиотические препараты, употребляемые преимущественно в медицине, отличаются высокой степенью чистоты. На корм животным чаще идет концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащий значительное количество др. продуктов обмена веществ продуцента, в том числе витамины, аминокислоты, нуклеотиды и т.п. Некоторые антибиотики (фитобактериомицин, трихотецин, полимиксин) используются как средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом Микробиологический синтез производят в основном витамин ₁₂, а частично и витамин ₂ и его коферментную форму — флавинадениндинуклеотид (ФАД), каротиноиды, эргостерин. Кроме того, развивается производство разных др. соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин ₁₂ получают практически только путем Микробиологический синтез Основными продуцентами при этом служат пропионовокислые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента). Многие микроорганизмы способны к сверхсинтезу витамина ₂ с активным выделением его в среду, но в качестве промышленных продуцентов употребляют наиболее активные культуры, главным образом грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii. Помимо свободного витамина, при помощи Е. ashbyii получают также ФАД. b-каротин — провитамин витамина А, получаемый также др. способами (извлечение из моркови и др. объектов, синтез), образуется наряду с др. каротиноидами мн. микроорганизмами и содержится в клетках, придавая биомассе характерную окраску от желтой до красных тонов; однако наибольший практический интерес представляет культура Blakeslea trispora — самый активный синтетик, которым и пользуются в основном в качестве продуцента при промышленном биосинтезе. Эргостерин — провитамин витамина D₂ — содержится в клетках многих дрожжей; основным источником его промышленного получения служат пекарские дрожжи. Однако уже имеются дрожжевые культуры со значительно более высоким уровнем накопления эргостерина. Комплекс витаминов и коферментов синтезируется, кроме того, в процессе развития дрожжей и накапливается в дрожжевой биомассе, которая привлекает все более пристальное внимание как источник этих соединений.

Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в народном хозяйстве, особенно в пищевой промышленности. Продуцентами ферментов — протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, липаз, каталазы — служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значительными технологическими трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в промышленности используют комплексные препараты, содержащие, например, протеазы и липазы, протеазы и амилазы.

Аминокислоты. Наблюдаемый во многих странах недостаток ряда аминокислот в рационах человека и кормах животных вызвал промышленное их получение, в том числе и методом Микробиологический синтез Существенное преимущество Микробиологический синтез аминокислот перед методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот, вырабатываемых Микробиологический синтез, наиболее важны лизин и глутаминовая кислота. Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для производства используются преимущественно мутанты-ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением ее в среду.

Нуклеотиды. Широкое развитие Микробиологический синтез нуклеотидов, в частности инозиновой, гуаниловой и др. кислот, получил в Японии, где они используются главным образом как добавки к специфическим продуктам восточной кухни. В будущем нуклеотиды приобретут, вероятно, более важное значение в качестве регуляторов многих энзиматических и гормональных процессов в животном организме. Накопление нуклеотидов происходит преимущественно в культуральной жидкости, т. е. вне клеток продуцентов. Для Микробиологический синтез нуклеотидов, как и аминокислот, используются биохимические мутанты с выраженным сверхсинтезом нужного соединения.

и препараты. Особое значение как источник имеет микробная биомасса. Производство такой биомассы на дешевом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего дефицита в питании человека и животных. Наиболее интенсивное развитие получили промышленные методы Микробиологический синтез так называемых кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник и витаминов в животноводстве. Кормовые дрожжи содержат значительном количество (до 50—55%), в состав которого входят незаменимые аминокислоты, например лизин, триптофан, метионин; они богаты витаминами, многими микроэлементами. Для выращивания кормовых дрожжей использовали преимущественно дешевое углеводное сырье — гидролизаты отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительных материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т.д. Ныне в крупных промышленных масштабах организуется производство дрожжей на углеводородах (н-алканах, газойле, различных фракциях нефти). Большие запасы этого сырья позволяют планировать крупнотоннажное производство микробной биомассы. Для получения биомассы изучается также возможность применения бактерий. Многие бактерии хорошо растут на углеводородах, в частности газообразных (например, на метане), а также на др. источниках (например, на метаноле и уксусной кислоте). Углеводороды и их производные привлекают внимание и как сырье для Микробиологический синтез отдельных физиологически активных соединений (аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.д.).

К числу продуктов Микробиологический синтез следует отнести и некоторые средства защиты растений: бактериальные энтомопатогенные препараты (например, энтобактерин, инсектин, дендробациллин), вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение. Указанное действие вызывают своеобразные "белковые — носители токсичности, расположенные в микробных клетках.

Методом Микробиологический синтез получают также многие бактериальные удобрения.

К частному случаю Микробиологический синтез относится микробиологическая трансформация органических соединений. За счет высокой активности специфических энзиматических систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органического соединения, не меняя его основной структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определенных положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидроксилирования, в результате чего меняется физиологическая активность исходного стероидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов — носителей специфических ферментных систем — метод микробиологической трансформации получает все большее распространение.

Лит.: Безбородов А, М., Биосинтез биологически активных веществ микроорганизмами, Л., 1969; Уэбб Ф., Биохимическая технология и микробиологический синтез, пер. с англ., М., 1969; Ахрем А. А., Титов Ю. А., Стероиды и микроорганизмы, М., 1970; "Журнал Всес. общества им. Д. И. 1972, т. 17, № 5 (номер посвящен промышленной микробиологии); "Прикладная биохимия и микробиология" (с 1965); "Journal of Fermentation Technology" (Tokyo, с 1970).

Г. К. Скрябин, Л. М. Безбородов.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.