3. Образование продуктов при культивировании микроорганизмов

Метаболиты - клетки представляют интерес, как целевые продукты ферментации. Их делят на первичные и вторичные метаболиты.

К первичным метаболитам относят несложные соединения, образовавшиеся в результате различных биохимических реакций и служащих для построения макромолекул или ферментов клетки. Это аминокислоты, нуклеотиды, витамины. Все промежуточные вещества, образующиеся в цикле трикарбоновых кислот, гликолизе и др.

Вторичные метаболиты образуются обычно на поздних фазах развития культуры. Эти вещества не служат материалом для формирования клеточных структур. Вторичные метаболиты, называются также идиолитами, это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи - ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например, для защиты. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам.[1]

Еще в 1929 г. В. Н. Шапошников на примере ацетонобутилового брожения впервые показал, что многие бродильные процессы, осуществляемые бактериями, протекают в две фазы. В первую фазу брожения в связи с интенсивным размножением бактерий происходит накопление в субстрате относительно окисленных продуктов (уксусной, масляной кислот). Во вторую фазу, когда в культуре автолитические процессы начинают преобладать над процессами роста, в субстрате накапливаются относительно восстановленные продукты (ацетон, бутиловый спирт). При этом во второй фазе наблюдается потребление организмом ряда веществ, образовавшихся в первую фазу развития. Результаты, полученные при изучении различных типов брожения в динамике развития культур, показали, что продукты жизнедеятельности микроорганизмов по ходу их развития претерпевают изменения, как в качественном, так и в количественном отношении. В условиях глубинной культуры процесс развития организма и биосинтеза антибиотика проходит в две фазы.

В первой фазе развития культуры, или, как ее иногда называют, тропофазе (фаза сбалансированного роста микроорганизма), наблюдается интенсивное накопление биомассы продуцента (образование белков, нуклеиновых кислот, углеводов; происходит биосинтез ферментов и других соединений, принимающих участие в росте микроорганизма), связанное с быстрым потреблением основных компонентов субстрата (источники углерода, азота, фосфора и др.) и с высоким уровнем поглощения кислорода. Одновременно с быстрым потреблением углеводов происходит образование некоторых органических кислот, что приводит иногда к снижению рН субстрата. Образование антибиотика, как правило, не наблюдается, а если антибиотическое вещество и обнаруживается, то в незначительном количестве. По-видимому, это связано с тем, что в фазе сбалансированного роста синтез ферментов, принимающих участие в образование антибиотика, подавлен.

конецформыначалоформыВо второй фазе развития, именуемой в настоящее время идиофазой (фаза несбалансированного роста микроорганизма), наблюдается замедление накопления биомассы или даже ее уменьшение, обусловленное тем, что основные компоненты среды использованы организмом, а среда обогатилась рядом продуктов жизнедеятельности. В культуре начинают преобладать протеолитические процессы, среда обогащается продуктами автолитического распада клеток, что приводит к ее подщелачивании. Необходимо подчеркнуть, что принцип двухфазности развития большинства микроорганизмов - продуцентов -- характерен для нормально развивающихся культур. Иными словами, эта закономерность имеет место при развитии микроорганизмов в условиях периодического культивирования в среде, которая в процессе роста продуцента изменяется самим организмом, а не экспериментатором, и организм засевается в субстрат не на стадии биосинтетической активности (40--96 ч), а спорами или молодыми (не более 20--24 ч) вегетативными клетками. При засеве среды большими объемами уже относительно старого по возрасту посевного материала (40 ч и более) можно не получить двухфазного характера развития продуцента. При внесении больших объемов уже продуцирующего компонента и культуральной жидкости, обогащенной продуктами жизнедеятельности организма, естественно, трудно ожидать наличия первой фазы, так как она уже прошла (закончилась) в процессе подготовки посевного материала.[3,c.82]