Химическая биотехнология

Различными методами воздействия можно менять выход аминокислот. Например, путем изменения условий среды, процесс ферментации, в ходе которого образуется L-глутамат, может быть переключен на синтез L-глутамiну или L-пролина. При высокой концентрации биотина и ионов аммония создаются благоприятные условия для создания L-пролина, а при большей концентрации ионов цинка и аммония в слабо кислой среде усиливается синтез L-глутамина. Для регуляции синтеза АК можно использовать ауксотрофни мутанты многих штаммов. Интересно и очень эффективным является образование аминокислот с использованием иммобилизованных в полиакриламидный (ПААГ) гель микроорганизмов. Клетки кишечной палочки, иммобилизованные в ПААГ могут осуществлять преобразование фумаровой кислоты в аспарагиновую. HOOC-CH = CH-COOH + NH3 HOOC-CH-CH2-COOH NH2 Фумаровая кислота L-аспарагиновая кислота Активность иммобилизованных клеток сохранялась при повышенной температуре (37С) в присутствии ионов магния (Mg2 +) в течение 40 дней при скорости протекания через колонку объемом 10100 см 0,5 миллилитров в час, причем выход аспартата составил 95% с 1 М раствора фумаровой кислоты. При использовании такой колонки в промышленности ежедневный выход кислоты был 1900 кг, или 57,5 т в месяц. Другой пример промышленного применения микроорганизмов для биоконверсии органических соединений — это добывание L-яблочной кислоты с помощью иммобилизованных клеток Brevibacterium flavum. (Биотехнология. А. Баев) Синтез аминокислот с помощью ферментов. Процессы применения ферментов при синтезе АК бывают одно — и многостадийными, а методы, используемые, разнообразными. В зависимости от этого выделяют 5 классов ферментов

  1. Гидролитические ферменты (гидролазы). Например 2-амино-тиазолин-4-карбоксигидролаза которая отвечает за синтез L-цистеина, или L — α — амино — ε — капролактам-ЛиАЗ, которая отвечает за синтез L-лизина. Для использования неочищенных ферментов, целые клетки обрабатывают поверхностно-активными веществами, вызывающими изменения проницаемости и могут использовать мутантные штаммы, в которых продукт не используется в обмене веществ.
Рис.2. Применение гидролитических ферментов для производства цистеина
  1. Лиазы. Отвечают за реакции дезаминирования. Для образования L-аспартата с фумарата аммония может использоваться аспартаза или L-аспартат-аммиак-лиазы. В качестве доноров аммония, кроме этого, может выступать гидразин или гидроксиламин.
  2. Ферменты, содержащие пиридоксальфосфат. Это обычные коферменты, участвующие в метаболизме аминокислот. Они катализируют многие реакции: рацемализацию, трансаминирования, реакции замещения и элиминации. Видимо роль этих коферментов заключается в активации АК, что облегчает их взаимодействие с апоферментом.
    5
    Например L-тирозин-фенол-лиазы (β — тирозиназа) катализирует реакцию β — елиминации, в которой тирозин распадается с образованием пировиноградной кислоты, фенола и аммиака. Этот фермент может синтезировать микроорганизм Erwinia herbicola. Примером широко распространенного в природе фермента, который осуществляет дезаминирования, может служить L-триптофан-индол-ЛиАЗ (триптофаназа). Этот фермент характеризуется широкой субстратной специфичностью. Катализирует реакции α , Β — елиминации и β — замищення.

  3. Дегидрогеназы аминокислот, например лейциндегидрогеназа и аланиндегидрогеназа. Катализируют обратимые реакции синтеза АК с кето-аналогов. Их применяют в непрерывных реакциях синтеза АК из соответствующих кето аналогов.
  4. Глутаминсинтетаза. Катализирует АТФ-зависимую реакцию аминирования глутамата, которая сопряжена с брожением сахара дрожжами. Энергия, освобождается идет на синтез глутамина. АТФ, которая образуется при распаде фруктозо-6-дифосфата, необходимая для обеспечения энергией ендоергичнои реакции, катализируемой синтетазой.
  1. Микробиологический синтез антибиотиков и алкалоидов.
Антибиотики — группа веществ микробного происхождения, применяются как противомикробные и противоопухолевые препараты. В настоящее время известно более 3000 веществ антибиотиков, выделенных из разных организмов. Их разделяют на классы согласно химической структуре: пенициллины, цефалоспорины, тетрациклины, антрациклины, аминогликозиды, макролидные антибиотики и др. С их помощью контролируется рост растений и ведется борьба с болезнями. Почти все антибиотики способны подавлять широкий круг патогенов: грибы, бактерии и микоплазмы. Проводятся поиски и антивирусных лекарств. В некоторых странах разрешено использовать антибиотики медицинского назначения или синтезированные защиты растений в чистом виде или в смеси с фунгицидами. Некоторые зарубежные фирмы уже выпускают препараты антибиотиков специально для защиты растений: бластоцидин, касугимицин, полиоксин валидамицин и другие. В нашей стране наиболее распространенными антибиотиками трихотецин, фитобактериомицин и фитолавин-100. Все антибиотики были выделены за счет микроорганизмов, число их было существенно увеличено путем химической модификации. Цели модификации
  1. Расширение спектра действия и повышения эффективности антибиотиков.
  2. Снижение токсичности и освобождения побочного действия.
  3. Создание аналогов, которые устойчивы к расщеплению микробами.
  4. Совершенствование способов их введения.
Рассмотрим комплекс биотехнологических проблем, которые непосредственно связаны с процессом биосинтеза антибиотиков. Цикл развития продуцентов антибиотиков, как правило, сложный. Большинство антибиотиков является вторичными веществами. В экологическом плане образования антибиотиков рассматривается как фактор адаптации: способность к образованию антибиотиков важна для продуцента не постоянно, а только когда возникают неблагоприятные условия для роста этих микроорганизмов, например при контакте со специфическими продуктами жизнедеятельности другого микроорганизма. Для налаживания производства антибиотиков с помощью биотехнологий, нужно знать о генетической детерминации образования антибиотиков. Информация о генетический контроль биосинтеза важна для разработки технологий, которые позволяют человеку влиять на образование антибиотиков на генетическом уровне. Известно, что в образовании антибиотиков может быть включено до 1% генов продуцента (например в роду Streptomyces) и эта часть ДНК не теряется при селекции в естественных условиях, хотя ее экспрессия может задерживаться на длительные периоды. Этим подчеркивается эволюционное значение антибиотиков. Также за синтез антибиотиков соответствуют некоторые плазмиды. Но наличие в плазмидах структурных генов для ферментов биосинтеза антибиотика доказана только для метиленомицину. Поэтому в большинстве случаев плазмиды приписывается роль регуляторов процессов синтеза. При производстве антибиотиков в ферментерах может происходить процесс потери плазмид мицелием через механические воздействия на него. Это приводит к уменьшению образования антибиотиков и быстрого роста непроизводительного мицелия в ферментерах. Но известно также, что у ряда промышленных продуцентов плазмиды не найдены.