Синтез биологически активных веществ микроорганизмами

Микроорганизмы являются активными продуцентами многих биологически-активных веществ: антибиотиков, витаминов, аминокислот и других продуктов, получаемых путем ферментации. Синтез биологически активных веществ продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, культур клеток и тканей, растений и животных - приобрел в последнее время большое значение и продолжает развиваться чрезвычайно быстрыми темпами. Альтернативой химическому синтезу оказывается микробиологический процесс, в котором специально подобранные, отселекционированные, а иногда и сконструированные методами генетической инженерии штаммы-продуценты в процессе жизнедеятельности синтезируют различные биологически активные вещества. В промышленности получают антибиотики медицинского или ветеринарного назначения, используя способность соответствующих штаммов – продуцентов – генерировать данный антибиотик в определенной фазе роста и заданном режиме культивирования.

Применение бактериальных препаратов, таких, как удобрения и средства защиты растений, также представляет собой альтернативу химическим веществам, используемым в земледелии.

Некоторые группы микроорганизмов, используемые для промышленного биосинтеза химикатов, приведены ниже.

Продуцент Продукт

Дрожжи

Saccharomyces cerevisiae Этанол, глицерин

Kluyveromyces flagilis Этанол

Kl.Laktis Этанол

Schizosaccharomycts pombe Этанол

Clostridium acetobutylicum Этанол, уксусная,

Cl. Thermosaccharolynicum Глюкоза, ксилоза, этанол

Cl. Thermohydrosulfuricum Этанол, уксусная кислота

Cl. Auranticum Ацетон, бутанол, изопропанол

Cl. Thermoacticum Уксусная кислота

Cl. Propionicum Пропионовая, акриловые кислоты

Xanthomonas campestris Полисахариды

Zymjmjnas mobilis Сорбит, Леван, глюконовая кислота

Thermoanaerobacter ethanolicus Этанол, уксусная, молочная кислоты

Dunaliella sp. Глицерин

Aerobakter aerogenes 2,3 – бутандиол

Bacillus polumuxa 2,3 – бутандиол

Lactobacillus deldrueckii Молочная кислота

Acetobakter curvum Уксусная кислота

Микромицеты (плесневелые грибы)

Aspergillus niger Лимонная, щавелевая кислоты

As. Terreus Итаконовая кислота

As. Oryzae Ферментные препараты (амилаза)

As. Awamori Ферментные препараты (пектиназа)

Yarrovia lipolytika Ферментные препараты (липаза)

Candida lipolytica Лимонная, изолимонная,

пировиноградная кислоты

Бактерии

Из более чем 100 000 известных видов микроорганизмов в промышленности используют относительно мало – около 100 видов, к которым принадлежат несколько тысяч штаммов.

Промышленно важные продукты жизнедеятельности микроорганизмов по их природе и значению для самой микробной клетки делят на три основные группы:

1) крупные молекулы (ферменты, полисахариды с молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов);

2) первичные метаболиты (соединения, необходимые микроорганизмам для роста: аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, витамины);

3) вторичные метаболиты (соединения, ненужные микроорганизмам для роста: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста растений).

Первичные и вторичные метаболиты микробного происхождения обычно имеют довольно низкую по сравнению с ферментами молекулярную массу – менее 1,5 тыс.

Биологическую активность эти вещества проявляют различно: удовлетворяют потребности человека и животных, взаимодействуют с микроорганизмами, участвуют в разложении различных органических субстратов. Кроме того, некоторые аминокислоты могут служить сырьем для дальнейших превращений на основе химического синтеза.

Многие антибиотики, ферменты, биологически активные изомеры ряда аминокислот, пуриновые нуклеотиды, токсины, факторы роста растений в настоящее время возможно или, по крайней мере, гораздо проще получать с помощью микроорганизмов из доступного и дешевого сырья, чем осуществлять сложный, многоэтапный химический синтез или даже 1-2 этапа ферментативного синтеза, но на основе сложного и часто малодоступного сырья.

Однако природные штаммы микроорганизмов, как правило, не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде, т.е. продуцировать, такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы достаточно низкую его стоимость и требуемый народному хозяйству или медицине объем производства. Природные штаммы некоторых групп микроорганизмов (несовершенные грибы, актиномицеты, бациллы) способны выделять в окружающую среду сравнительно небольшие количества антибиотиков, токсинов или гидролитических ферментов. Первичные метаболиты, как правило, микроорганизмами не выделяются в значительном количестве (синтезируемое количество этих веществ строго ограничено и рассчитано на потребности самой клетки). Исключение из этого правила – выделение глутаминовой кислоты природными штаммами (так называемой группы глутаматпродуцирующих коринебактерий) - не распространяется на подавляющее большинство других аминокислот.

Камнем преткновения часто является неполное знание биохимических путей синтеза того или иного соединения и недостаточная разработанность генетики многих промышленных штаммов. Именно поэтому до сих пор не создан указанным методом ни один штамм – продуцент антибиотиков, очень ограничено число штаммов – продуцентов первичных и вторичных метаболитов.

Изучение метаболома отдельных микробиологических культур, создание метаболических профилей, а также детальное изучение метаболитов микроорганизмов на разных стадиях роста расширит возможности микробиологического синтеза.