микробиологический синтез

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

пром. способ получения хим. соед. и продуктов (напр., дрожжей кормовых), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Иногда к М.с. относят также пром. процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток (см. инженерная энзимология).

Некоторые продукты М.с., напр. пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение М.с. началось в 40-50-х гг. 20 в. в связи с освоением производства пенициллина. К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства — микро-биол. промышленности.

В М.с. сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения, в результате которого также образуются разл. продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, орг. кислоты и др.), но преим. в результате ферментативного распада орг. веществ.

М.с. использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных с.-х. культур) и к "сверхсинтезу" — избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из прир. источников или получают их мутантные штаммы (напр., мутантные штаммы плесневых грибов продуцируют пенициллин в 100–150 раз быстрее, чем природные). В качестве продуцентов находят применение культуры, полученные методами генетич. инженерии, в которых функционирует чужеродный для них ген, напр.: в бактерии кишечной палочки (Escherichia соli)-ген гормона роста человека.

Для М.с. орг. соед. в качестве сырья применяют наиб. дешевые источники азота (напр., нитраты или соли аммония) и углерода (напр., углеводы, орг. кислоты, спирты, жиры, углеводороды, в т. ч. газообразные). М.с. включает ряд последоват. стадий. Главные из них — подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента, выращивание продуцента, культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется М.с. (эту стадию часто наз. ферментацией), фильтрация и отделение биомассы, выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо), сушка.

Ферментацию проводят в спец. реакторах (ферментерах), снабженных устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха. Управление процессом может осуществляться с помощью ЭВМ. Наиб. удобно ферментацию осуществлять непрерывным способом — при постоянной подаче питат. среды и выводе продуктов М.с. Так производят, напр., кормовые дрожжи. Однако большинство метаболитов получают периодич. способом — с выводом продукта в конце процесса.

Для выделения и очистки веществ, получаемых с использованием М.с., используют экстракцию из водной фазы орг. растворителями при разл. значениях pH, хроматографич. методы (в т. ч. ионообменную хроматографию), кристаллизацию, осаждение. При выделении продуктов белковой природы (ферменты, токсины) предварительно осаждают белки сульфатом аммония или орг. растворителями. Мн. операции по выделению проводят на холоду вследствие нестабильности некоторых продуктов обмена веществ.

Ниже приведены наиб. важные продукты М.с.

А н т и б и о т и к и. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в осн. являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии (гл. обр. их мутантные формы). Антибиотики, употребляемые преим. в медицине, подвергаются высокой степени очистки. Антибиотики для лечения с.-х. животных имеют специфич. активность относительно наиболее распространенных для них заболеваний, напр. гельминтозов, кокцидиозов и др. Для добавки в корма обычно выпускают концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащей значит. количество др. продуктов обмена веществ продуцента, в т. ч. витамины, аминокислоты, нуклеотиды и др.

А м и н о к и с л о т ы. Существ. преимущество М.с. аминокислот — возможность их получения в виде прир. изомеров (L-форм). Продуцентами аминокислот служат гл. обр. мутанты, лишенные ряда ферментных систем, благодаря чему происходит сверхсинтез необходимого продукта. Обычно используют бактерии, относящиеся к роду Brevibacterium. Наиб. уд. вес среди аминокислот, вырабатываемых мировой промышленностью, занимают лизин и глутаминовая кислота. Получены мутанты микроорганизмов, способные к сверхсинтезу всех кодируемых аминокислот.

Н у к л е о з и д ф о с ф а т ы. Развитие М.с. нуклеотидов (ино-зиновой, гуаниловой и др. кислот) связано с перспективами получения искусств. пищи, где их используют в качестве вкусовых добавок. При введении в состав среды для культивирования микроорганизмов метаболич. предшественников продуктов синтеза можно получать практически все известные нуклеозидфосфаты, в т. ч. АТФ. Накопление ну-клеозидфосфатов происходит преим. вне клеток микроорганизмов.

В и т а м и н ы, п р о в и т а м и н ы, к о ф е р м е н т ы. Методом М.с. производят в осн. витамин В₁₂ и его коферментную форму. Продуцентами в этом процессе служат пропионо-вокислые бактерии. Для получения кормовых концентратов, содержащих витамин В₁₂, на отходах бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) применяют комплекс метанообразующих бактерий. Разработаны способы получения витамина В₂, р-каротина и дрожжей, обогащенных эргостеринами. При использовании соответствующих метаболич. предшественников возможен также М. с. никотинамидных коферментов, напр. никотинамидаде-ниндинуклеотида.

А л к а л о и д ы. Грибы рода спорыньи (Claviceps)-продуценты эргоалкалоидов, в основе строения молекул которых лежит гетероцикл эрголин. Некоторые из этих алкалоидов (напр., эргометрин и эрготамин) используют как маточные средства. Описаны также многочисл. продуценты др. алкалоидов.

Г и б б е р е л л и н ы. Их М.с. осуществляют при культивировании грибов, относящихся к классу аскомицетов (As-comycetes), напр. Gibberella fujikuroi. Выделяют гибберел-лины из фильтрата культуральной жидкости. По хим. природе все они являются тетрациклич. карбоновыми кислотами, относящимися к дитерпенам.

Ф е р м е н т ы. Продуцентами ферментов служат многочисл. представители микроскопич. грибов, некоторые актиномицеты и др. бактерии. Технология получения ферментных препаратов упрощается, если фермент продуцируется в питат. среду. При выделении внутриклеточных ферментов необходимо предварительно разрушить клетки микроорганизмов. Для исследоват. работ, аналит. целей и т. п. обычно получают ферменты в виде гомогенных (индивидуальных) белков. При пром. переработке с.-х. сырья в пищ. промышленности иногда применяют комплексные ферментные препараты. Так, при переработке растит. сырья ферментный комплекс должен содержать целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы, протеазы и некоторые др. ферменты. Один из важнейших ферментов, получаемый с помощью М.с.,-глюкоизомера-за, катализирующая изомеризацию глюкозы во фруктозу. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп используют в пищ. промышленности вместо сахарозы.

Б е л к о в о — в и т а м и н н ы е п р е п а р а т ы. Особое внимание как источник белка привлекает микробная биомасса.

Производство такой биомассы на дешевом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего белкового дефицита в питании животных. Наиб. интенсивное развитие получили пром. методы М. с. кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Для выращивания кормовых дрожжей используют углеводороды, гидролизаты разл. отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растит. материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т. п.), сульфитные щелока, разл. виды барды и т. д. Дрожжи, которые используют для получения белково-витаминных препаратов из углеводородов, обладают специфич. ферментными системами, позволяющими осуществлять акт первичного окисления углеводородов и затем ассимилировать их, накапливая значит. биомассу. Кроме жидких углеводородов в качестве ассимилируемых компонентов среды м. б. использованы газы (напр., метан), пропускаемые в среду, содержащую минер. компоненты, в которой происходит размножение клеток метанокисляющих микроорганизмов. Для получения кормовых микробных препаратов в качестве компонентов среды м. б. также использованы этанол, метанол, уксусная кислота. Культивирование дрожжей на углеводородах требует высокой культуры производства. В частности, необходима надежная герметизация аппаратуры, исключающая вынос микробных клеток в окружающую среду.

К числу продуктов М.с. относятся также некоторые средства защиты растений, напр. бактериальные энтомопатогенные препараты, вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение, и мн. бактериальные удобрения.

Частный случай М. с. — микробиол. трансформация орг. соединений. Она осуществляется благодаря высокой активности специфич. ферментных систем микроорганизмов, которые катализируют превращ. вещества без изменения его осн. структуры. Наиб. изучена трансформация стероидных соед., напр. их дегидрирование, деацетилирование и гидроксили-рование в строго определенных положениях. Благодаря широкой возможности подбора микроорганизмов (носителей специфич. ферментных систем) метод микробиол. трансформации получает все большее распространение.

^{Лит.: Безбородое А. М., Биохимические основы микробиологического синтеза, М., 1984; Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии, под ред. Г.К. Скрябина, М., 1984.}

_{А. М. Безбородое}