5.1. Биосинтез вторичных метаболитов
Вторичные метаболиты представляют собой молекулы веществ, синтезируемые микроорганизмами обычно на последних фазах ростового цикла. Хотя метаболиты для роста не требуются, они могут играть важную роль в жизнедеятельности производящего их организма. Среди вторичных метаболитов известны антибиотики, микотоксины и пигменты.
5.2. Влияние предшественников
При реализации программ по получению вторичных метаболитов часто изучается возможность изменения состава среды путем введения различных добавок в качестве возможных предшественников целевых продуктов.
Примерами предшественников продуктов направленного биосинтеза могут служить фенилуксусная кислота при получении бензилпенициллина, специфические аминокислоты в производстве актиномицинов и др. Во многих случаях предшественники не проявляют активности, поскольку их синтез не лимитирует скорости всего процесса. При этом «экранирование» примесей оказывает стимулирующее или ингибирующее действие на молекулы непредшественников и влияет на ход образования вторичных метаболитов.
5.3. Зависимость трофофаза – идиофаза
Для вторичного метаболизма характерно, что соответствующие метаболиты обычно не продуцируются в фазе интенсивного роста (трофофазе), а образуются на последующей стадии продуцирования (в идиофазе), как показано на рис. 5.1.
Этот феномен впервые наблюдался еще при разработке процесса синтеза пенициллина, но продуцирование в идиофазе, как теперь установлено, является характерной чертой многих биотехнологических процессов.
В начале трофофазы большинство микроорганизмов чувствительны к собственным антибиотикам, и только для идиофазы характерно, что они становятся физиологически резистентными к антибиотикам, которые сами продуцируют.
Рис. 5.1. Образование вторичного метаболита на стадии идиофазы, следующей за трофофазой: 1 – рост; 2 – продукт
Отдельные ключевые ферменты, вступающие в действие в конце трофофазы, указаны в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Ферменты, вступающие в действие в конце трофофазы,
при вторичном биосинтезе
Фермент |
Метаболит |
Амидинотрансфераза Ацилтрансфераза Фенилацетатактивирующий фермент Оксидоредуктаза Трансметилаза Синтетазы I и II Феноксазинон синтетаза Диметилаллилтрансфераза Чаноклавин-I-циклаза ГТФ-8-формилгидролаза |
Стрептомицин Пенициллин Пенициллин Тилозин Тилозин Грамицидин S Актиномицин Эрготные алкалоиды Эрготные алкалоиды Пирролопиримидиннуклеозиды |
Возможно, эти ограничения при поступлении к микроорганизмам недостающих питательных веществ обусловливают то, что индукторы ферментов вторичного метаболизма аккумулируют или высвобождают гены вторичного метаболизма из-под влияния катаболитного подавления.
5.4. Индукция ферментов при продуцировании вторичных метаболитов
Доказательства того, что индукция ферментов играет определенную роль в продуцировании вторичных метаболитов, получены при исследовании роли триптофана как стимулятора биосинтеза алкалоидов у Claviceps (грибов семейства спорыньевых). Полагают, что его стимулирующее действие связано с индукцией алкалоидобразующих ферментов. Это заключение сделано на основании следующего [5]:
– аналоги триптофана, которые не включаются в структуру алкалоидов, тоже стимулируют их продуцирование;
– триптофан должен добавляться во время трофофазы, так как добавление его во время идиофазы приводит к незначительному эффекту;
– добавленный триптофан удаляется из среды во время роста микроорганизма, и его концентрация внутри микробных клеток перед продуцированием алкалоида в 2–3 раза выше нормальной внутриклеточной концентрации.
Индукция играет важную роль в определении соотношения связанных друг с другом антибиотиков в ферментационном бульоне.