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).

Нек-рые 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 произ-ва пенициллина. К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства - микро-биол. пром-сти.

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

М.с. использует способность нек-рых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса к-рых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных с.-х. культур) и к "сверхсинтезу" - избыточному образованию продуктов обмена в-в (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 к-рых 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. к-ты, 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 к-рого 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 в-в, получаемых с использованием М.с., используют экстракцию из водной фазы орг. р-рителями при разл. значениях рН, хроматографич. методы (в т.ч. ионообменную хроматографию), кристаллизацию,

осаждение. При выделении продуктов белковой природы (ферменты, токсины) предварительно осаждают белки сульфатом аммония или орг. р-рителями. Мн. операции по выделению проводят на холоду вследствие нестабильности нек-рых продуктов обмена в-в.

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, к-рыми в осн. являются актиномицеты, нек-рые 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 наиб. 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. кол-во др. продуктов обмена в-в 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 пром-стью, занимают лизин и глутаминовая к-та. 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. к-т) 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 пром-сти (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 к-рых лежит гетероцикл эрголин. Нек-рые из этих алкалоидов (напр., эргометрин и эрготамин) используют как маточные ср-ва. 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 теграциклич. карбоновыми к-тами, относящимися к дитерпенам.

Ф е р м е н т ы. Продуцентами ферментов служат многочисл. представители микроскопич. грибов, нек-рые 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. пром-сти иногда применяют комплексные ферментные препараты. Так, при переработке растит. сырья ферментный комплекс должен содержать целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы, протеазы и нек-рые 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. пром-сти 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 ср-в 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 пром-сти, непищевых растит. материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, разл. виды барды и т. д. Дрожжи, к-рые 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 к-рой происходит размножение клеток метанокисляющих микроорганизмов. Для получения кормовых микробных препаратов в качестве компонентов среды м. б. также использованы этанол, метанол, уксусная к-та. Культивирование дрожжей на углеводородах требует высокой культуры произ-ва. В частности, необходима надежная герметизация аппаратуры, исключающая вынос микробных клеток в окружающую среду.

К числу продуктов М.с. относятся также нек-рые ср-ва 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, к-рые катализируют превращ. в-ва 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. A.M. Безбородое.