Использование микробных полисахаридов

Полисахариды находят применение в медицине, фармацевтической, пищевой, химической, текстильной промышленности, в гидрометаллургии, при добыче нефти и ряде других областей народного хозяйства. Использоваться могут и внутриклеточные, и внеклеточные гликаны, однако, последние более предпочтительны в технико-экономическом плане.

Многие микробные полисахариды обладают лечебными и профилактическим действием: повышают устойчивость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, обладают противоопухолевой активностью, инициирует заживление ран и регенерацию тканей, устраняют болевой синдром, снижают побочное действие лекарственных препаратов и рентгенотерапии. Терапевтический эффект определяется способностью повышать неспецифическую резистентность организма.

Полисахариды, обладающие антигенной специфичностью, используются в медицинской практике в качестве диагностических средств. К ним относятся полисахаридные препараты патогенных и условно патогенных видов дрожжей рода Candida, облегчающие диагностику кандидозов, а также ЛПС-антигенов сальмонелл в диагностике сальмонеллезов.

Нейтральные декстраны, продуцируемые L.mesenteroides, применяются в качестве заменителей плазмы крови. Как плазмозаменители перспективны пуллуланы и леваны, синтезируемые G.oxydans и Bac.polymyxa. Ряд декстранов определенного состава способны стимулировать защитные реакции организма. Сульфаты декстрана обладают антикоагулирующим свойством, заменяют гепарин, применяются в качестве антитромбогенного средства. В этом же качестве перспективен и хитин.

В фармацевтике они используются в качестве основ для изготовления лекарственных форм. Макромолекулярные конъюгаты модифицированных декстранов с ферментами пролонгируют активность ферментов, снижая их аллергизирующее действие. Некоторые гликаны используют вместо натрийкарбоксицеллюлозы в качестве связывающего и биологически активного компонента в зубных пастах.

В пищевой промышленности полисахариды микроорганизмов используются в виде пленок - покрытий продуктов для защиты от высыхания и загрязнения, в качестве стабилизаторов мороженого, фруктовых соков, приправ к салатам, загустителей сиропов, джемов, подливок. Особенно перспективен ксантин. Слизеобразующие штаммы Streptococcus lactis применяют при производстве густых кефиров, сметан, мягких сыров. Экзополисахариды дрожжей родов Saccharomyces и Cryptococcus, бактерий родов Azotobacter и Arthrobacter используются для улучшения качества хлеба. Хлеб, выпеченный из теста с добавдением этих соединений, отличается высоким удельным объемом, хорошей пористостью, медленно черствеет.

При производстве ядерного топлива, фотографических и рентгеновских пленок, как заменители альгинатов, агара могут использоваться гельобразующие экзогликаны ряда микроорганизмов (полиурониды Azotobacter, P.aeruginosa; гетерополисахариды Bac.subtilis, Ps. clodea).

Некоторые гликаны (гетерополисахарид Corynebacterium equi var. mucilagenosus), обладая высокой вязкостью, заменяют дорогие клеящие средства.

Полисахариды используются в нефтяной и газодобывающей промышленности как стабилизаторы и структурообразователи промывных жидкостей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.

Возможности практического применения полисахаридов микроорганизмов еще полностью не раскрыты. Изучение гликанов в этом плане открывает новые перспективы и приведет к дальнейшему расширению области микробиологической промышленности.

В настоящее время микробиологическая промышленность многих стран выпускает ряд ценных экзогликанов: декстраны (Россия и другие страны), ксантан (США, Франция), пуллулан (Япония), склероглюкан или "политран" (США), занфло (США), курдлан (Япония) и т.д. Решены или решаются вопросы внедрения в производство других полисахаридов, глубоко изученных в лабораторных условиях, проверенных на практике и производимых в полупромышленном масштабе.

Однако следует сказать, что производство каждого гликана имеет свои особенности, определяемы физиологией продуцирующего микроорганизма, локализацией (внутри- или внеклеточная), физико-химическими свойствами полимера, областью применения.

Производство экзогликанов имеет преимущества перед производством эндогликанов, так как первые образуются в большем количестве, легче отделяются от биомассы, очищаются от примесей. Однако в технологии получения экзополисахаридов имеется немало трудностей, особенно если продуценты аэробы. Накопление полисахаридов в среде ограничивает доступ кислорода к клеткам, снижается энергетический баланс, что тормозит синтез полимера. Повышенная вязкость среды затрудняет отделение полигликана от биомассы.

Плазмозаменители из гексанов выпускаются под названием: клинический декстран, полиглюкин, синкал, макродекс, плазмодекс, хемодекс и т.д. Для получения декстранов используют штаммы leuconostoc mezenteroides. Ферментацию проводят на среде, содержащей 10-30% сахарозы, декстран ("затравка"), дрожжевой экстракт, минеральные соли. "Затравка" – акцептор обеспечивает преимущественное преобразование необходимого полимера.

Ксантан, продуцирующий Xanthomonas campestris выпускают под названием: биополимер Xc., кельцан, ксантан, келтрол. Микроорганизмы культивируют на среде, содержащий 1-5% углеводов (кукурузный крахмал, сахар-сырец, меласса и др.), азот, содержащий субстрат двузамещенный фосфорнокислый калий, микроэлементы, рН среды 6,5-7,2. Для улучшения свойств полисахарида во время ферментации добавляют формальдегид.

Все более широкое применение находит метод непрерывного культивирования продуцентов. Этот способ, в сравнении с периодическим, более эффективный и экономичный, поскольку позволяет длительно получать продукт в период его максимального накопления, наиболее рационально использовать субстрат.

Перед микробиологическим производством полигликанов стоит ряд задач:

- замена дорогостоящих сахаров более дешевым сырьем;

- поиск микроорганизмов растущих и образующих полисахариды с использованием углеводородов, этанола, метанола, синтетических или диализованных сред, гидролизата торфа;

- поиски гиперпродуцентов с привлечением селекционно-генетических исследований.

Контрольные вопросы

Что такое гибберелины. Где они используются? Алкалоиды. Какие организмы их синтезируют? Где используют алкалоиды? Что такое аминокислоты? Схемы их применения. Способы получения аминокислот. Назовите основные продуценты. При каких условиях происходит сверхсинтез аминокислот микробными клетками? Какой механизм регуляции синтеза аминокислот?

Области использования нуклеотидов. Назовите способы промышленного получения нуклеотидов.

Свойства ферментов. Назовите способы промышленного получения ферментов. Какие области использования ферментов Вы знаете? В чем преимущество получения ферментов с помощью продуцентов анаэробов? Какие группы (классы) ферментов вы знаете? Назовите основных представителей класса гидролаз. Какие реакции они катализируют? Назовите этапы получения экзоферментов. В каких областях используются чистые ферменты, ферментные препараты?

Назовите области применения липидов. Какие группы микроорганизмов-продуцентов липидов вы знаете? Какие полимеры относят к полисахаридам? Назовите области применения полисахаридов. Назовите группы микроорганизмов, среди которых выделяют продуцентов полисахаридов.

Литература

1. Муромцев Г.С., Агнистикова В.Н. Гормоны растений – гибберелины. - М., 1973.

2. Регуляторы роста растений / Под ред. Г.С.Муромцева. - М.,1979.

3. Безбородов А.М. Физиологически активные соединения – продукты микробиологического синтеза / Успехи микробиологии. - М., 1980. - Т.15.

4. Оранская М.С., Гончарова Л.Ф., Безбородов А.М. Алкалоиды спорыньи. Микробиологический синтез. Сб. реф. материалов. М., 1969, № 2.

5. Скрябин Г.К., Козловский А.Г. Микробиологический синтез алкалоидов // Биотехнология. М., 1984.

6. Rehaĉek H. Ergot аlkaloides and their biosynthesis // Adv.Biochem.Eng.1980. - V.14.-P.33-60.

7. Безбородов А.М. Микробиологический синтез аминокислот // Журн. Всесоюзн. хим. общ-ва им. Д.И.Менделеева. - М., 1972.- Т.17, № 5.

8. Бекер В.Ф., Бекер М.Е. Лизин микробного синтеза. - Рига, 1974.

9. Биосинтез аминокислот микроорганизмами / Рубан Е.Л. и др. - М., 1968.

10. Садовникова М.С., Беликов В.М. Пути применения аминокислот в промышленности // Сб.: Успехи химии. - М., 1978, т.47, № 2, С. 381-383.

11. Сафонова Э.Н., Беликов В.Н. Успехи в области синтеза и производства аминокислот // Сб.: Успехи химии. - М., 1978, т.43, № 9, С. 1575-1609.

12. Безбородов А.М. Микробиологический синтез нуклеатидов и их производных // Журн. Всес. хим. об-ва им.Д.И.Менделеева. М., Т.27. вып 6.

13. Samejima H., Kimura K., Ado Y. Recent development and future directions of enzyme technology in Japan // Biochimie. - 1980.- 1980.- V.62, P.229-315.

14. Грачева И.М. Технология ферментных процессов. М., 1975.

15. Калунянц К.А., Голгер Л.И. Микробные ферментные препараты М., 1979.

16. Ферменты медицинского назначения // Под ред. А.А.Терешина.- Л., 1975.

17. Рубан Е.Л. Микробные липиды и липазы.- М., 1977.

18. Ботвинко И.В. Экзополисахариды бактерий //Успехи микробиол. 1985, № 20.

19. Вудсайд Е., Кваринский Е. Полисахариды микроорганизмов //Молекулярная микробиология. - М., 1977.

20. Елинов Н.П. Некоторые микробные полисахариды и их практическое применение //Сб.: Успехи микробиол. - 1982, № 17, С.158.

21. Маслаков Д.А., Эйсмонт К.А. Биологическая активность некоторых полисахаридов и их клиническое применение.- Минск, 1977.

22. Microbial Polysaccharides and Polysaccharases / Ed. Berkley R.C.W., Gooday G.W., Ellwood D.C. London, 1979.