Мікробіологічний синтез
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Мікробіологічний синтез

Мікробіологічний синтез, синтез структурних елементів або продуктів обміну речовин мікроорганізмів за рахунок властивих мікробній клітці ферментних систем. При М. с., як і будь-якому органічному синтезі, складні речовини утворюються з простіших з'єднань. М. с. слід відрізняти від бродіння, в результаті якого теж виходять різні продукти мікробного обміну (наприклад, спирти органічні кислоти), але переважно за рахунок розпаду органічної речовини. Значна частина продуктів, що утворюються в ході М. с., володіє фізіологічною активністю і представляє практичну цінність для народного господарства.

загрузка...

  До М. с. відносять широкий круг процесів. 1. Накопичення мікробної маси для використання її: а) як білково-вітамінні добавки до корм; би) як джерела здобуття білків, ліпідів, ферментів, токсинів, вітамінів, антибіотиків ; в) для боротьби з паразитами тварин і рослин; г) як носій ферментативної активності в реакціях мікробіологічної (ензіматічеськой) трансформації органічних сполук. 2. Здобуття тих, що накопичуються поза мікробною кліткою метаболітов, у тому числі ферментами, токсинами, антибіотиками, амінокислотами, вітамінами, нуклеотидами і т.п.

  М. с. здійснюється усередині клітки при активації низькомолекулярних компонентів (наприклад, коферментом А ) і участі нуклеотид фосфатів, найчастіше аденілових похідних (див. Аденозінфосфорниє кислоти ) . Потім багато метаболіти виводяться з клітки в середу. Характерна особливість мікроорганізмів — їх здібність до надсинтезу, тобто надлишковому утворенню деяких продуктів обміну речовин (багатьох амінокислот, нуклеотидів, вітамінів), що перевищує потребу мікробної клітки. Так, глутамінова кислота при надсинтезі може накопичуватися в кількості понад 10 міліграм/мл середовища (культура Micrococcus glutamicus), вітамін B 2 — до 1—2 міліграм/мл (гриби Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), замість звичайних сотих і навіть тисячних доль міліграма. Здібність до надсинтезу того або іншого з'єднання властива певним видам мікроорганізмів, якими, як правило, і користуються як продуценти при виробництві соответстветствующих метаболітов шляхом М. с. При цьому застосовують не лише культури, відібрані з природних джерел, але і спеціально виведені штучним шляхом мутанти штами, в яких надсинтез — наслідок порушень обміну речовин під впливом мутагенів . Вживання мутантів дозволяє значно збільшити вихід ряду продуктів. Наприклад, виведені культури з високим рівнем надсинтезу лізину, інозиновою кислоти, деяких вітамінів. За допомогою мутантів удалося в 100—150 разів підняти активність біосинтезу Пеніциліну ; штами мутантів використовуються при виробництві як цього, так і ін. антибіотиків.

  В процесі М. с. отримують ряд продуктів, причому за рахунок самих різних з'єднань вуглецю і азоту. Це обумовлюється великою різноманітністю ферментних систем мікроорганізмів. Так для синтезу білків, нуклеїнових кислот і ін. метаболітов клітки можуть використовувати залежно від особливостей культури різні неорганічні джерела азоту, а із з'єднань вуглецю — різні вуглеводи, органічні кислоти (в т.ч. оцетову кислоту), рідкі, тверді або газоподібні вуглеводні і ін. Певні види, здатні до хемосинтезу або фотосинтезу, як джерело вуглецю можуть засвоювати вуглекислий газ.(газета) Т. о., підбір відповідних культур дає можливість отримувати шляхом М. с. бажані речовини з дешевої і доступної сировини. Ці особливості роблять М. с. вельми ефективним способом виробництва багатьох з'єднань; частина з них (наприклад, багато антибіотиків) економічно вигідно отримувати нині лише таким дорогою.

  Деякі продукти М. с. давно використовувалися людиною (наприклад, пекарні дріжджі), але широке промислове вживання М. с. отримав починаючи з 40—50-х рр. 20 ст Прогрес в цій області пов'язаний перш за все з відкриттям Пеніциліну, що спонукало почати детальні дослідження у мікроорганізмів продуктів обміну речовин, що володіють фізіологічною активністю. Освоєння в промислових масштабах виробництва Пеніциліну привело до вирішення багатьох мікробіологічних, технологічних і інженерних завдань. Це поряд з розширенням виробництва дріжджів як білково-вітамінних добавок до корм, послужило основою для розвитку промислового М. с. Так, зокрема, були створені спеціальні апарати — ферментери, з допомогою яких можна вести технологічний процес біосинтезу без доступу сторонніх мікроорганізмів, забезпечені пристроями для перемішування середовища і для подачі стерильного повітря.

  Технологічно сучасний процес М. с. складається з ряду послідовних етапів (операцій). Головні з них: підготовка необхідної культури мікроорганізму-продуцента; підготовка живильного середовища; вирощування посівного матеріалу; культивування продуцента в заданих умовах, в ході якого і здійснюється М. с., часто званий ферментацією (наприклад, ферментація антибіотиків); фільтрація і відділення біомаси; виділення і очищення необхідного продукту, коли це необхідно; сушка. Процеси виділення і очищення що часто займають важливе місце серед ін. технологічних операцій, визначаються хімічною природою отримуваної речовини і можуть включати екстракційні і хроматографічні методи, кристалізацію, осадження і ін. Найбільш прогресивним способом культивування вважається безперервний — з безперервними подачею живильного середовища і виведенням продуктів М. с. Так виробляють, наприклад, мікробну біомасу (кормові дріжджі). Проте безперервний спосіб розроблений далеко ще не для всіх процесів М. с., і більшість метаболітов (амінокислоти, антибіотики, вітаміни) отримують періодичним способом — з виведенням продукту в кінці процесу. В деяких випадках (наприклад, при виробництві ряду ферментів) продуценти вирощують не у ферментерах з аерацією і перемішуванням (глибинний спосіб), а на поверхні живильного середовища — т.з. поверхневим способом. Для виробництва всіляких продуктів М. с. в СРСР створена мікробіологічна промисловість, що вже випускає великий асортимент з'єднань різних класів. Роботи в області М. с. проводяться майже у всіх промислово розвинених країнах. У багатьох з них продукти М. с. є важливої складової економіки країни, наприклад виробництво ферментів і амінокислот — в Японії, лікарських препаратів — в Угорщині.

  Антибіотики — один з перших продуктів М. с., які широко виробляють для медицини і сільського господарства. Більшість антибіотиків накопичуються поза клітками мікроорганізму-продуцента, якими в основному є актиноміцети, деякі гриби і бактерії, головним чином їх форми мутантів. Антибіотичні препарати, що вживаються переважно в медицині, відрізняються високою мірою чистоти. На корм тваринам частіше йде концентрат середовища після вирощування в ній продуцента, інколи разом з біомасою, що містить значну кількість ін. продуктів обміну речовин продуцента, у тому числі вітаміни, амінокислоти, нуклеотиди і т.п. Деякі антибіотики (фітобактеріоміцин, тріхотецин, поліміксин) використовуються як засоби захисту рослин від фітопатогенних мікроорганізмів.

  Вітаміни, провітаміни, коферменти. Методом М. с. виробляють в основному вітамін B 12 , а частково і вітамін B 2 і його коферментную форму — флавінаденіндінуклеотід (ФАД), каротиноїди, ергостерин. Крім того, розвивається виробництво різних ін. з'єднань цього типа (никотінамідниє коферменти і ін.). Вітамін B 12 отримують практично лише шляхом М. с. Основними продуцентами при цьому служать пропіоновокислі бактерії, актиноміцети, а також комплекс метанобразующих бактерій, що використовують відходи бродильної промисловості (послеспіртовиє, ацетоно-бутилові барди і ін.) і вживаних в основному для здобуття кормового концентрату (висушене середовище з біомасою продуцента). Багато мікроорганізмів здібні до надсинтезу вітаміну B 2 з активним виділенням його в середу, але як промислові продуценти вживають найбільш активні культури, головним чином гриби Eremothecium ashbyii і Ashbya gossipii. Окрім вільного вітаміну, за допомогою Е. ashbyii отримують також ФАД. b-каротін — провітамін вітаміну А, отримуваний також ін. способами (витягання з моркви і ін. об'єктів, хімічний синтез), утворюється поряд з ін. каротиноїдами мн.(багато) мікроорганізмами і міститься в клітках, додаючи біомасі характерне забарвлення від жовтої до червоних тонів; проте найбільший практичний інтерес представляє культура Blakeslea trispora — найактивніший синтетик, яким і користуються в основному як продуцент при промисловому біосинтезі. Ергостерин — провітамін вітаміну D 2 — міститься в клітках багатьох дріжджів; основним джерелом його промислового здобуття служать пекарні дріжджі. Проте вже є дріжджові культури із значно вищим рівнем накопичення ергостерину. Комплекс вітамінів і коферментів синтезується, крім того, в процесі розвитку дріжджів і накопичується в дріжджовій біомасі, яка привертає усе більш пильну увагу як джерело цих з'єднань.

  Ферменти, що синтезуються мікроорганізмами, і створювані на їх основі ферментні препарати придбали велике значення в народному господарстві, особливо в харчовій промисловості. Продуцентами ферментів — протеаз, амілаз, фосфатаз, целюлаз, пектіназ, глюкозооксидази, ліпаз, каталази — служать багато міцеліальних грибів деякі актиноміцети і бактерії. Залежно від локалізації ферменту піддають обробці мікробну масу або фільтрат, вільний від мікробних кліток. Здобуття чистих ферментних препаратів пов'язане із значними технологічними труднощами. Такі препарати зазвичай дуже дороги; тому в промисловості використовують комплексні препарати, що містять, наприклад, протеази і ліпази, протеази і амілази.

   Амінокислоти. Спостережуваний в багатьох країнах недолік ряду амінокислот в раціонах людини і кормах тварин викликав промислове їх здобуття, у тому числі і методом М. с. Істотна перевага М. с. амінокислот перед хімічним методом полягає в здобутті їх безпосередньо у вигляді природних ізомерів (L-формі). З амінокислот, М., що виробляються, с., найбільш важливі лізин і глутамінова кислота . Продуцентами амінокислот зазвичай служать культури бактерій, що відносяться до пологів Brevibacterium і Micrococcus; для виробництва використовуються переважно мутанти-ауксотрофи, що здійснюють надсинтез відповідної амінокислоти з виділенням її в середу.

  Нуклеотиди. Широкий розвиток М. с. нуклеотидів, зокрема інозиновою гуанілової і ін. кислот, отримав в Японії, де вони використовуються головним чином як добавки до специфічних продуктів східної кухні. В майбутньому нуклеотиди придбають, ймовірно, важливіше значення як регулювальників багатьох ензіматічеських і гормональних процесів в тваринному організмі. Накопичення нуклеотидів відбувається переважно в культуральній рідині, тобто поза клітками продуцентів. Для М. с. нуклеотидів, як і амінокислот, використовуються біохімічні мутанти з вираженим надсинтезом потрібного з'єднання.

  Білок і білково-вітамінні препарати. Особливе значення як джерело білка має мікробна біомаса. Виробництво такої біомаси на дешевій сировині розглядають як один із засобів усунення зростаючого білкового дефіциту в живленні людини і тварин. Найбільш інтенсивний розвиток отримали промислові методи М. с. так званих кормових дріжджів, вживаних в вигляді сухої біомаси як джерело білка і вітамінів в тваринництві. Кормові дріжджі містять значному кількість білка (до 50—55%), до складу якого входять незамінні амінокислоти, наприклад лізин, триптофан, метіонін ; вони багаті вітамінами, багатьма мікроелементами. Для вирощування кормових дріжджів використовували переважно дешеву вуглеводну сировину — гідролізат відходів деревообробної промисловості, нехарчових рослинних матеріалів (соняшникове лушпиння, стрижні кукурудзяних качанів і т.п.), сульфітні щелока, різні види барди і т.д. Нині в крупних промислових масштабах організовується виробництво дріжджів на вуглеводнях ( н -алканах, газойлі, різних фракціях нафти). Великі запаси цієї сировини дозволяють планувати великотоннажне виробництво мікробної біомаси. Для здобуття білково-вітамінної біомаси вивчається також можливість вживання бактерій. Багато бактерій добре зростають на вуглеводнях, зокрема газоподібних (наприклад, на метані), а також на ін. джерелах вуглецю (наприклад, на метанолі і оцетовій кислоті). Вуглеводні і їх похідні привертають увагу і як сировина для М. с. окремих фізіологічно активних з'єднань (амінокислот, вітамінів, нуклеотидів і т.д.).

  До продуктів М. с. слід віднести і деякі засоби захисту рослин: бактерійні ентомопатогенниє препарати (наприклад, ентобактерін, інсектін, дендробациллін), що викликають загибель шкідливих комах і що запобігають їх масовому розмноженню. Вказану дію викликають своєрідні «білкові кристали» — носії токсичності, розташовані в мікробних клітках.

  Методом М. с. отримують також багато бактерійні добрива .

  До окремого випадку М. с. відноситься мікробіологічна трансформація органічних сполук. За рахунок високої активності специфічних ензіматічеських систем мікроорганізми виявляються здатними здійснювати ряд реакцій на молекулі органічної сполуки, не міняючи його основної структури. Найбільш вивчені реакції на молекулах стероїдних з'єднань. У строго певних положеннях здійснюються реакції дегідрування, дезацетілірованія і гідроксилювання, внаслідок чого міняється фізіологічна активність вихідного стероїдного з'єднання. Завдяки підбору відповідних мікроорганізмів — носіїв специфічних ферментних систем — метод мікробіологічної трансформації отримує все більше поширення.

 

  Літ.: Безбородов А, М., Біосинтез біологічно активних речовин мікроорганізмами, Л., 1969; Уебб Ф., Біохімічна технологія і мікробіологічний синтез, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Ахрем А. А., Тітов Ю. А., Стероїди і мікроорганізми, М., 1970; «Журнал Всес. хімічного суспільства ним. Д. І. Менделєєва», 1972, т. 17 № 5 (номер присвячений промисловій мікробіології); «Прикладна біохімія і мікробіологія» (з 1965); «Journal of Fermentation Technology» (Tokyo, з 1970).

  Р. До. Ськрябін, Л. М. Безбородов.