Теоретические основы получения вторичных метаболитов

Принципы получения вторичных метаболитов существенно отличаются от первичных и основаны на особенностях их образования клетками живых организмов.

В ходе нормального жизненного цикла любая клеточная культура проходит ряд этапов или стадий, характеризующихся определенными параметрами (концентрация клеток, питательных веществ и продуктов метаболизма, скорость роста (размножения) и отмирания). График зависимости концентрации клеток от времени культивирования (кривая роста) обычно имеет следующий вид и включает:

1) Lag-фазу, или фазу задержанного роста. На этой стадии, внесенные в питательную среду, клетки не делятся, а постепенно адаптируются к новой среде обитания. Эта адаптация заключается в насыщении культуральной среды некоторыми продуктами их метаболизма, определенная концентрация которых необходима для запуска процессов клеточного деления. Совокупность этих метаболитов называют “кондиционирующим фактором” а процесс их накопления- кондиционированием среды;

2) фазу ускорения – когда адаптация закончилась и клетки начинают интенсивно делиться;

3) Log-фазу, характеризующаяся интенсивным, ускоренным делением клеток и сбалансированностью роста всей популяции;

4) фазу замедленного роста, связанную с исчерпанием питательных субстратов и накоплением токсических продуктов метаболизма;

5) Const- фазу или стационарную фазу, при которой прирост новых клеток количественно равняется числу погибающих, а плотность клеточной популяции (концентрация) достигает максимального значения;

6) фазу отмирания, характеризующуюся прогрессирующей гибелью клеток, которая вызвана исчерпанием питательных веществ и отравлением их большими количествами продуктов метаболизма.

Синтез первичных метаболитов происходит на всех стадиях, а уровень их синтеза определяется, в основном, количеством клеток и наличием питательных веществ.

Более сложный характер имеет синтез так называемых вторичных метаболитов.

Син­тез вторичных метаболитов фазоспецифичен и происходит не всегда, а лишь в определенных условиях, обычно неблагоприятных для клеток. Если взглянуть приведенную выше кривую роста, то можно предположить, что синтез таких соединений возможен начиная с конца Log-фазы и до конца фазы отмирания. Именно в это время происходит исчерпание основных компонентов питательной среды и одновременно происходит накопление в среде избыточных количеств продуктов первичного метаболизма, обычно весьма токсичных в больших концентрациях для клеток. Данную ситуацию для клеток можно охарактеризовать как стрессовую. Это приводит к дезорганизации нормального метаболизма и как следствие к прекращению размножения клеток. Предполагается, что в этих условиях некоторые продукты первичного метаболизма могут выступать в качестве индукторов или дерепрессоров генов, кодирующих синтез ферментов вторичного метаболизма. Согласно другому предположению гены вторичного метаболизма подвержены катаболитической репрессии продуктами разложения глюкозы, исчерпание которой снимает репрессию. Такой этап несбалансированного роста, сопровождающийся синтезом вторичных метаболитов называется идиофазой, а продукты – идиолитами. Среди вторичных метаболитов веду­щее место по объему производства занимают антибиотики, стероиды и алкалоиды. Такие соединения как аминокислоты, кислоты цикла Кребса, глицерин, формально являются первичными метаболитами, однако их избыточное образование и накопление возможно, как мы уже говорили, только в условиях нарушения нормального метаболизма клеток. Поэтому фактически, в этом случае, они тоже являются идиолитами.

Процесс промышленного биосинтеза идиолитов проходит две фазы или стадии (двустепенчатое культивирование), резко различающиеся по условиям проведения. Во время первой фазы (трофофазы) основной задачей является накоп­ление максимально возможного количества биомассы, которая выращивается на среде оптимальной для роста данного микроорганизма (ростовая среда). Из экономических и технологических соображений эта фаза должна быть максимально быст­рой, а питательная среда дешевой и содержать легко усваиваемые субстраты (глюкоза, фруктоза). На второй фазе создаются условия­ обеспечивающие запуск и активный синтез вторичного метаболита. На этой фазе фермен­тацию обычно ведут на так называемой продуктивной среде, которая по своему составу значительно отличается от ростовой, т.к. содержит, в основном, трудноусваиваемые углеводы. Переключение клеток с легко усваиваемых субстратов (глюкоза) на более сложные (лактоза, сахароза) требует синтеза большого количества новых индуцибельных ферментов, что является для клеток “встряской”, аналогичной той, которую может испытать человек при резком торможении или маневре на автомобиле, который двигался с большой скоростью. Наработанная на первом этапе (в трофофазе) клеточная культура может быть перенесена (пересеяна) на продуктивную среду в другом аппарате или культивирование может осуществляться на сложных питательных средах, содержащих как легкоусваиваемые, так и трудноусваиваемые компоненты. Поскольку в структуру молекул многих вторичных метаболитов кроме углерода, водорода и кислорода входит значительное количество азота, серы, фосфора, то в состав продуктивных сред обязательно нужно добавлять в необходимых количествах нитраты, соли аммония и фосфорной кислоты и другие микроэлементы. Существует целый ряд физических (температура, рН, освещение светом определенной длины волны и интенсивности) и химических (добавление веществ-предшественников, поддержание определенной, обычно высокой концентрации кислорода) факторов благоприятствующих синтезу вторичных метаболитов.