Виробництво вторинних метаболітів

Із усіх продуктів, які одержують за допомогою мікробних процесів, найбільше значення мають вторинні метаболіти. Вторинні метаболіти, називаються також ідіолітами, це низькомолекулярні сполуки, які не потрібні для росту в чистій культурі. Вони добуваються обмеженим числом таксономічних груп і часто являють собою суміш споріднених сполук, які відносяться до однієї й тієї ж хімічної групи. Якщо питання про фізіологічну роль вторинних метаболітів у клітинах-продуцентах було предметом серйозних дискусій, то їхнє промислове одержання становить безсумнівний інтерес, тому що ці метаболіти є біологічно активними речовинами: одні з них володіють антимікробною активністю, інші є специфічними інгібіторами ферментів, треті – ростовими факторами, багато з них мають фармакологічну активність. До вторинних метаболітів належать антибіотики, алкалоїди, гормони росту рослин і токсини. Фармацевтична промисловість розробила надскладні методи скринінгу (масової перевірки) мікроорганізмів на здатність продукувати вторинні метаболіти.

Одержання такого роду речовин послужило основою для створення цілого ряду галузей мікробіологічної промисловості. Першим у цьому ряді стало виробництво пеніциліну; мікробіологічний спосіб одержання пеніциліну був розроблений в 1940-х роках і заклав фундамент сучасної промислової біотехнології.

Молекули антибіотиків дуже різноманітні за складом й механізмом дії на мікробну клітину. При цьому у зв'язку з виникненням стійкості патогенних мікроорганізмів до старих антибіотиків постійно існує потреба в нових. У деяких випадках природні мікробні антибіотичні продукти хімічним або ензиматичним шляхом можуть бути перетворені у так звані напівсинтетичні антибіотики, які володіють більш високими терапевтичними властивостями.

Антибіотики – органічні сполуки. Вони синтезуються живою клітиною й здатні в невеликих концентраціях уповільнити розвиток або повністю знищити чутливі до них види мікроорганізмів. Їх продукують не тільки клітини мікроорганізмів і рослин, але й клітини тварин. Антибіотики рослинного походження називають фітонцидами. Це хлорелін, томатин, сативін, добувають із часнику, і алін, виділяють із цибулі.

Ріст мікроорганізмів можна охарактеризувати як S – подібну криву. Перша стадія – стадія швидкого росту, або логарифмічна, для якої характерний синтез первинних метаболітів. Далі наступає фаза повільного росту, коли збільшення біомаси клітин різко уповільнюється. Мікроорганізми, які синтезують вторинні метаболіти, спочатку проходять стадію швидкого росту, тропофазу, під час якої синтез вторинних речовин незначний. У міру сповільнення росту через виснаження одного або декількох необхідних поживних речовин у культуральному середовищі мікроорганізм переходить в ідіофазу; саме в цей період синтезуються ідіоліти. Ідіоліти, або вторинні метаболіти, не відіграють явної ролі в процесах метаболізму, вони виробляються клітинами для адаптації до умов навколишнього середовища, наприклад, для захисту. Їх синтезують не всі мікроорганізми, а в основному нитчасті бактерії, гриби й спороутворюючі бактерії. Таким чином, продуценти первинних і вторинних метаболітів відносяться до різних таксономічних груп.

Особливості культурального росту цих мікроорганізмів необхідно враховувати при виробництві. Наприклад, у випадку антибіотиків більшість мікроорганізмів у процесі тропофази відчутна до власних антибіотиків, однак під час ідіофази вони стають до них стійкими.

Щоб уберегти мікроорганізми, які продукують антибіотики, від самознищення, важливо швидко досягти ідіофази й потім культивувати мікроорганізми в цій фазі. Це досягається шляхом варіювання режимів культивування й складом поживного середовища на стадіях швидкого й повільного росту.