БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 17 страница

На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации уча­ствуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетат- ные. Ацетогенные Н₂-продуцирующие микроорганизмы фермен­тируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образо­ванием Н₂, С0₂, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Де­градация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных ^-продуци­рующих и Н₂-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроор­ганизмы усваивают Н₂ и С0₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превраще­ния его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через ста­дию восстановления С0₂ молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии спо­собны использовать в качестве субстрата формиат, С0₂, метанол, метиламин и ароматические соединения:

4Н₂ + С0₂---------- СН₄ + 2Н₂0

ЗН₂ + СО--------- СН₄ + Н₂0

2Н₂0 + 4СО---------- СН₄ + ЗС0₂

4НСООН --------- СН₄ + ЗС0₂ + 2Н₂0

4СН₃ОН --------- ЗСН₄ + С0₂ + 2Н₂0

CHjCOOH------- СН₄ + С0₂

Особое место в утилизации отходов занимает метановое сбра­живание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный источник энергии, а также улучшать качество органи­ческого удобрения и защищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники энергии не влияют отрицатель­но на окружающую среду. Современные источники энергии — ГЭС, ТЭС, АЭС — вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектростанции) служат причиной затопления терри­торий, изменения ландшафта, гибели биоценозов. ТЭС (тепло­электростанции) загрязняют атмосферу, нарушают альголо- гический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные элек­тростанции) создают угрозу радиационного загрязнения. Сжига­ние нефти и газа вызывает повышение концентрации С0₂, обра­зование смога и, кроме того, уменьшение ресурсов нефти и газа.

90 —95 % используемого углерода метанообразующие бактерии превращают в метан и лишь 5—10% углерода превращаются в биомассу. В литературе имеются данные о способности метанооб- разующих бактерий в анаэробных условиях одновременно синте­зировать и окислять метан.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо- и термофильные. Оптимальная тем­пература для мезофильных бактерий от 30 до 40 °С, а для термо­фильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаноге- неза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях ана­эробной переработки отходов субстрат обеззараживается от пато­генной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэ­робных ферментеров) формируется преимущественно из микро­флоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и мик­рофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся куль­тур следует отметить Lactobacillus acidophilus, Butyrivibrio Jibrisolvens, Peptostreptococcusproductus, Bacteroides uniformis, Eubacterium aerofa- ciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвач­
ных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens. 0з рубиа и навоза жвачных были изолированы такие метанообразую­щие бактерии, как Methanobacterium mobile, Methanobrevibacter rumi- nantium и Methanosarcina ssp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоян­ном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изучения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 различных бактерий.

Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides, Rumino­coccus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации — ацетат, про- пионат, сукцинат, Н₂ и С0₂. Конечными продуктами фермента­ции целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выде­ленных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различ­ные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к ро­дам Syntrophobacter, Syntrophomonas и Desulfovibrio, вызывают раз­ложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н₂ и С0₂ — предшественников метана. Ряд микроорганизмов спо­собны синтезировать ацетат из С0₂ в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum, Acetobacterium woodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogenium и Methanospirillum.

отходов Рис. 2.6. Схема устройства реактора для обработки сельскохозяйствен­ных отходов

Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмалперерабатыва- юших предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Процесс ве­дется при температуре 30 — 60 °С и рН 6 —8. Этот способ получе­ния биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В на­стоящее время для производства биогаза чаще используют вто­ричные отходы (отходы живот­новодства и сточные воды го­родов), чем первичные (отхо­ды зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, лег­кой, микробиологической, лес­ной и других отраслей), обла­дающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предваритель­ной обработке. На рис. 2.6 пред­ставлена схема устройства реак­тора (метантенка) для обработ­ки сельскохозяйственных отхо­дов (навоз, остатки растение­водства). Подача отходов (суб­
страта) и отбор отработанного стока осуществляются в нижней части реактора. Режим его работы может быть как периодичес­ким, так и полунепрерывным. Реактор обычно имеет две (или более) секции для разделения стадий процесса.

Современное состояние проблем и перспектив в области получе­ния биогаза свидетельствует о том, что анаэробная конверсия орга­нических отходов в метан — наиболее конкурентоспособная об­ласть биоэнергетики. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

2.4. ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА

Энергию можно получать из растений, богатых углеводами, превращая их в спирт (этанол). К ним относятся меласса, карто­фель, маниок, стебли кукурузы, злаки, топинамбур (земляная груша). Большое количество этанола получают из гидролизатов древесины лиственных пород или из сульфитных щелоков — отхо­дов бумажных фабрик. Полученный спирт можно смешивать с бензином в соотношении 1:9 (или даже 1:4) и заправлять им машины.

Рост производства этанола связан с широтой его применения в химической промышленности. Он прекрасный растворитель, антифриз, экстрагент. Этанол служит также субстратом для син­теза многих растворителей, красителей, лекарственных препара­тов, смазочных материалов, клеев, моющих средств, пластифи­каторов, взрывчатых веществ и смол для производства синтети­ческих волокон. Его используют в двигателях внутреннего сгора­ния либо в безводном виде, либо в форме гидратированного эта­нола. Среди растений, продуцирующих этиловый спирт, следует выделить маниок, злаки (особенно кукурузу) и топинамбур, у которого запасным углеводом является инулин. Используются также сахарный тростник, ананас, сахарная свекла, сорго, у которых основной углевод — сахароза. При переработке сахарного трост­ника его тщательно давят, целлюлозу (жом) отделяют от сладко­го сока и сжигают, а сок концентрируют, стерилизуют и подвер­гают брожению. Этот раствор отделяют от твердых компонентов и далее из 8—10%-го спиртового раствора путем перегонки полу­чают этанол. Из оставшейся жидкости (стиллаж) после соответ­ствующей переработки извлекают компоненты удобрений с вы­ходом 2—3 %. «Барду» (кубовой остаток) после перегонки исполь­зуют в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Крах­мал при его переработке сначала гидролизуют в сбраживаемые сахара. Производство этанола из мелассы с использованием жома

Совершенно очевидно, что один из наиболее перспективных методов крупномасштабного преобразования солнечной энергии основан на использовании биосистем. Широкое применение био­систем для получения энергии способно обеспечить свыше 15 % производства энергии для экономически развитых стран. В после­дние 10 — 15 лет намечены новые пути биотрансформации солнеч­ной энергии при фотосинтезе. Установлено, что некоторые микро­биологические системы характеризуются высокой эффективностью фотосинтеза. Так, фоторазложение воды, осуществляемое суспен­зией хлореллы с образованием кислорода, в оптимальных условиях культивирования дает 130 — 140 л газа с 1 м² освещаемой поверх­ности в сутки. Известно, что одна из особенностей процесса фо­тосинтеза — уменьшение эффективности преобразования солнеч­ной энергии при высоких значениях интенсивности света. Новые технологии позволяют повысить эффективность фотосинтеза при высокой интенсивности света. Разрабатываются системы, эффек­тивно поглощающие световой поток и обогащенные реакционны­ми центрами по отношению к пигменту. Световые кривые фото­синтеза улучшаются также с увеличением скорости лимитирую­щей стадии электронного транспорта. Например, проведение про­цесса при повышенных температурах в системах термофильных микроорганизмов увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии при высокой интенсивности света.

2.6. ФОТОПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

Известно, что хлоропласты (например, из шпината) в присут­ствии искусственного донора электронов и бактериального экст­ракта, содержащего фермент гидрогеназу, способны продуциро­вать водород:

донор электронов фотосистема I -^-переносчик ё —«-гидрогеназа —*- н₂Т

Гидрогеназа получает электроны от ферредоксина. В качестве доноров электронов используются различные органические со­единения. Процесс сопровождается облучением видимым светом. Эта форма получения энергии имеет ряд достоинств: избыток суб­страта фотолиза (воды); нелимитированный источник энергии (солнечный свет); не загрязняющий атмосферу водород. Водород обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами, кроме того, процесс получения водорода — возобновляемый процесс, зависящий в основном от стабильности выделенных хлоропластов. Водород можно получать в присутствии искусственного донора ё" (вместо воды) и поглощающих свет пиг­ментов, а не мембран хлоропластов. Его способны выделять и не­которые микроорганизмы, например цианобактерии (аэробные фототрофы) и др. При этом микробиологическое образование во­дорода может идти из соединений углеводного характера, вклю­чая крахмал и целлюлозу, а также из амино- и кетокислот.

Основная проблема создания систем конверсии энергии био­массы в водород связана с превращением этих метаболитов в топ­ливную форму. Для биотехнологии можно было бы воспользоваться и другими механизмами превращения энергии, выявленными у микроорганизмов. Например, галофильная бактерия Halobacterium halobium способна использовать световую энергию, улавливаемую пурпурным пигментом (бактериородопсином), вмонтированным в мембрану клетки. Молекула пигмента состоит из одной поли­пептидной цепи, к которой прикреплена молекула ретиналя, являющегося светочувствительной частью пигмента. Под влияни­ем солнечного света изменяется конформация пигмента, приво­дящая к переносу ионов водорода (Н⁺) через мембрану. Пигмент является как бы протонным насосом. Молекулы бактериородопси- на располагаются в мембране триадами, и перекачивание прото­нов через мембрану обеспечивает градиент концентрации Н⁺ (ДН⁺), вследствие чего они движутся к наружной стенке, у кото­рой пространство подкисляется и возникает электрохимический градиент (Ам."н)-

Предприняты попытки встраивания молекул пигмента в ис­кусственные системы и повышения эффективности их использо­вания. В частности, растущие бактерии Н. halobium переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией NaCl и других мине­ральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых штаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пиг­ментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до 100000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подлож­ке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитан­ные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплошным сло­ем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты мож­но смешивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо со­здания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды мо­гут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов.

У Н. halobium имеется и другой тип насоса, который обеспечи­вает галородопсин, использующий световую энергию непосред­ственно для перекачивания ионов. Изучение систем энергокон­версии чрезвычайно перспективно с точки зрения разработки искусственных устройств, более эффективных, чем естественные.

2.7. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Важнейшая проблема экологической биотехнологии — очист­ка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов, бурным развитием промышленности, интенсификацией сельско­го хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300 — 3500 км³, при это\ в сельском хозяйстве — 70 % всего водопотребления. Для произ­водств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической про­мышленности, черной и цветной металлургии и бытовых нужд¹ населения требуется также значительное количество воды. Боль­шая часть этой воды после ее использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод.

На современном этапе выделяются следующие направления рационального расхода водных ресурсов: более полное использова ние и расширение воспроизводства ресурсов пресных вод; разра­ботка новых биотехнологических процессов, позволяющих пред­отвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребле­ние свежей воды.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно подразде­лить на несколько типов: механическое, сопровождающееся по­вышением содержания механических примесей и относящееся т основном к поверхностным видам загрязнений; химическое, обус­ловленное присутствием в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия; биологическое, связанное с наличием в воде разнообразных патогенных микроор­ганизмов, грибов и мелких водорослей; радиоактивное; тепловое

Основные источники загрязнения и засорения водоемов — недостаточно очищенные сточные воды промышленных и комму нальных предприятий, крупных животноводческих комплексов отходы производства при разработке рудных ископаемых (водь шахт, рудников); сбросы водного и железнодорожного транспор та; пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в природ­ные водоемы, качественно изменяют их состав.

Сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд содержащие кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов, меняю физические свойства воды (появление неприятных запахов, при вкусов и т.д.). Сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехи мических заводов, предприятий органического синтеза содержа" различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, феноль и другие вредные вещества. Вследствие окислительных процессо уменьшается содержание в воде кислорода, ухудшаются ее орга­нические показатели.

Нефть и нефтепродукты — основные загрязнители внутреннк водоемов, вод и морей Мирового океана — создают разные фог мы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, осевшие на дно водоемов тяжелые фракции. Вода приобретает токсические свойства и представляет собой угрозу для всего живого: 12 г нефти челают непригодной для употребления 1 т воды. Вредным загряз­нителем промышленных вод является фенол, содержащийся в сточ­ных волах многих нефтехимических предприятий. На жизнь населе­ния водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумаж­ной промышленности. Окисление древесной массы сопровожда­ется поглощением значительного количества кислорода, что при­водит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1 л и бо­лее), подлежат захоронению в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.

В значительной степени загрязняют водоемы моющие синтети­ческие средства, широко используемые в быту, промышленности и сельском хозяйстве и парализующие жизнедеятельность бакте­рий. Пестициды, попадая в водоемы, накапливаются в планкто­не, бентосе, рыбе и по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом. Сточные воды, содержащие отходы коже­венной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, служат причиной органичес­ких загрязнений водоемов. Нагретые сточные воды тепловых элек­тростанций вызывают тепловое загрязнение, которое резко изме­няет термический режим, отрицательно влияет на флору и фауну водоемов. Возникают благоприятные условия для массового раз­вития в водохранилищах синезеленых водорослей (так называе­мое «цветение воды»).

Методы очистки сточных вод (механические, химические, фи­зико-химические и биологические). Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером и степенью вредности примесей.

1. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют ме­ханические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, наво- зоуловителями, нефтеловушками и т.д. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60 — 75% нера­створимых примесей, а из промышленных — до 95 %, многие из которых как ценные примеси используются в производстве.

2. Химический метод. В сточные воды добавляют различные хи­мические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителя­ми и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очи­стка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95 %, а Растворимых — до 25 %.

3. физико-химические методы используют для удаления тонко­дисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.

4. Биологический метод основан на использовании закономер­ностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильт­ры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупно­зернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологичес­кого окисления. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки — огромные резервуары из железобетона, в кото­рых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопь­ями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутико­вые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожи­рая бактерии, не слипшиеся в хлопья, тем самым омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды сначала подвергают ме­ханической, а после химической очистке для удаления болезнет­ворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлор­ной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы.

Биологический метод дает существенные результаты при очист­ке коммунально-бытовых стоков, а также отходов предприятий неф­теперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и производства искусственного волокна. Однако он разрушает только относительно простые органические и аммонийные соединения.

Отстой сточных вод и его использование. В зависимости от сте­пени обработки отстой городских сточных вод обычно делят на первичный (необработанный), состоящий из твердых веществ; вто­ричный — твердые вещества, выделяющиеся после вторичного отстоя, или отстой с биофильтров очистных сооружений; тре­тичный — результат третичного отстоя сточных вод (известь и гли­на); отстой, перегнивший в анаэробных условиях.

До осушки отстой содержит большое количество влаги (до 95 %). После некоторой стабилизации отстоя, которая достигается пу­тем его сбраживания, содержание твердых веществ составляет 30 %.

Доля содержания органической части в городских сточных водах колеблется от 50 % в перегнившем отстое до 70 % в необработан­ном отстое. Химический состав типичных отстоев составляет: азот __ до 2 %; фосфор (Р₂0₅) — 4%; калий — до 0,5 %. В небольших количествах обнаружены Cd, Си, Ni, Zn, Hg и Pb. Энергосодер­жание необработанного отстоя составляет около 16 284 кДж/год. Однако практическое использование отстоя в качестве топлива связано с рядом трудностей: высокое содержание влаги не позво- пяет использовать отстой без высушивания, на которое расходу­ется фактически вся выделяемая в процессе его горения энергия. При очистке сточных вод применяют и метановое брожение, ко­торое осуществляется в реакторах (метантенках) в основном двух типов: в реакторах без фиксации биомассы и в реакторах с при­крепленной (фиксированной) биомассой. В качестве подложки, к которой прикрепляется биомасса, используют мелкий песок, окись алюминия и другие носители. В последнее время анаэробное мета­новое брожение применяют и для детоксикации стоков. Анаэроб­ные бактерии помимо деградации углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот способны разрушать и многие отходы нефте­химической промышленности, например бензойную кислоту:

4С₆Н₅СООН —- 15СН₄ + 13С0₂

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацеталь- дегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, нит­робензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кротоновую, фу- маровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, син­тетические полимеры и многие другие вещества.

Глава 3

БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАБОЛИТОВ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Спектр продуктов, образующихся методами биотехнологии необычайно широк и разнообразен. Целевыми продуктами био­технологических производств могут быть интактные клетки. Од­ноклеточные организмы используют для получения биомассы^ являющейся источником кормового белка. Клетки, особенно f иммобилизованном состоянии, выступают в роли биологических катализаторов для процессов биотрансформации.

Процессами биотрансформации называют реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целе­вой продукт с помощью клеток живых организмов или фермен­тов, выделенных из них. В последние годы высокая специфичность процессов биотрансформации и эффективность иммобилизован­ных ферментов нашли широкое применение для крупномасштаб­ного производства аминокислот, антибиотиков, стероидов и дру­гих промышленно важных продуктов.

Продуктами биотехнологических производств являются при­родные макромолекулы — белки, ферменты, полисахариды, по-

А Б

Рис. 3.1. Динамика изменения биомассы и образования первичных (А и вторичных (Б) метаболитов в процессе роста организма: / — биомасса; 2 — продукт

мов — продуцентов и оказались перспективными для оценки влия­ния на объекты различных факторов среды — ионов тяжелых ме­таллов, кислот, щелочей и др. В 1983 г. С.Браун и С.Оливер ис­пользовали методы селекции для отбора мутантных штаммов дрож­жей, устойчивых к высоким концентрациям конечного продукта (Ю %-го этанола), при культивировании их в непрерывном режи­ме (650 ч). Многолетняя селекция штаммов-продуцентов пени­циллина позволила увеличить удельную активность антибиотика ^в культуральной среде в 400 раз, а штаммов бактерий, синтезиру­ющих кобаламин, — в 10 раз. Методами мутагенеза и селекции получены штаммы Eremothecium ashbyii, способные выделять до 1,8 мг рибофлавина в 1 мл среды, и штаммы Brevibacterium ammo- niegenes, продуцирующие до 1 г HSKoA на 1 л среды.

Достижения в области молекулярной биологии и молекулярной генетики позволили биотехнологам начиная с 70-х годов прошед­шего столетия перейти от слепого отбора штаммов мутантов к со­знательному конструированию геномов, используя для этой цели прогрессивную технологию рекомбинантной ДНК.

Каждое из множества разнообразных веществ создается в клет­ке в строго необходимых для роста пропорциях в результате фер­ментативных реакций. Координация химических превращений. обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у мик­роорганизмов тремя основными механизмами: регуляцией актив­ности ферментов, в том числе путем ретроингибирования; регу­ляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия био­синтеза ферментов); катаболитной репрессией.

В процессе ретроингибирования (ингибирование по принцип¹ обратной связи) активность фермента, стоящего в начале много­ступенчатого превращения субстрата, тормозится конечным ме таболитом, что детально разработано при изучении регуляции био­синтеза пиримидиновых нуклеотидов и новообразования ряда ами Нокислот:

Аспар-—► Карбамил—Дигидро- —»• Оротовая —»- Оротидин—-УМФ.

тат аспартат оротовая кислота монофосфат

_ кислота

Карбамил-

трансфераза ----------------------------------------------------------------------

Орнитин —- Цитруллин — Орнитин

Ацетил- трансфераза

Хоризмат —»-Антранилат...—»- Индолил- —►Триптофан

глицерофосфат

Антранилат-

синтетаза

Таким способом низкомолекулярные метаболиты передают ин­формацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена ве­ществ ключевым ферментам метаболизма. Ключевые ферменты — это регуляторы периодичности в процессе функционирования энзи­ма и соответственно образования продукта. Эта ферменты предсгавле- _НЬ1 в клетке аллостерическими белками, а конечные метаболиты — тдлостерическими эффекторами (активаторами и ингибиторами) ключевых энзимов. С помощью описанного механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез. Ретроингибирование — способ точного и быстрого регулирования образования продукта.

На обмен веществ, аналогичный конечным метаболитам, ока­зывают эффект их аналоги (табл. 3.1). Указанное обстоятельство используется для селекции организмов с нарушением механизма обратной связи. Обход механизма ретроингибирования делает объект биотехнологического процесса нечувствительным к кон­центрации конечного продукта.

Для отбора объектов продуценты выращивают на селективной среде, содержащей подходящий аналог или антиметаболит, кото­рые не включаются в обмен веществ (в частности, аналоги ами­нокислот не включаются в состав белков), что ведет к подавле­нию роста организма. Выжившие мутанты обладают дефектами в механизме регуляции активности фермента по принципу обрат­ной связи и поэтому служат важными объектами в обеспечении сверхсинтеза целевого продукта.

Среди тысяч энзимов, присущих микроорганизмам, одни, на­пример ферменты гликолиза, синтезируются постоянно и их обра­зование не зависит от состава питательной среды. Такие ферменты называют конститутивными. Другие энзимы, адаптивные или инду- цибельные, возникают только в ответ на появление в питательной среде индукторов — субстратов или их структурных аналогов. Так, Добавление (3-галактозида — лактозы к питательной среде, на кото­рой культивируются клетки кишечной палочки Е. coli, вызывает мгновенное появление Р-галактозидазы в них, биосинтез которой ^в последующий период времени возрастает в 10000 раз. Установ­лено, что регуляция объема биосинтеза ферментов осуществляет­ся на оперонном уровне (Ф.Жакоб и Ж. Моно, 1961) путем изме­нения количества иРНК, образующихся в процессе транскрипции.