Лекция 7.

БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАБОЛИТОВ

1. Классификация продуктов биотехнологических производств

Спектр продуктов, образующихся методами биотехнологии, необычайно широк и разнообразен. Од­ноклеточные организмы используют для получения биомассы, являющейся источником кормового белка. Клетки, особенно в иммобилизованном состоянии, выступают в роли биологических катализаторов для процессов биотрансформации.

Процессами биотрансформации называют реакции превращения исходных органических соединений (предшественников) в целе­вой продукт с помощью клеток живых организмов или фермен­тов, выделенных из них. В последние годы высокая специфичность процессов биотрансформации и эффективность иммобилизован­ных ферментов нашли широкое применение для крупномасштаб­ного производства аминокислот, антибиотиков, стероидов и дру­гих промышленно важных продуктов.

Продуктами биотехнологических производств являются при­родные макромолекулы — белки, ферменты, полисахариды.

Первичные метаболиты необходимы для роста клеток. К ним относятся структурные единицы биополимеров — аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, а также витамины, коферменты, органические кислоты и другие соединения. Вто­ричные метаболиты (антибиотики, пигменты, токсины) — низ­комолекулярные соединения, не требующиеся для выживания клеток и образующиеся по завершении фазы их роста.

Центральное звено биотехнологического процесса — живая клетка, в которой одномоментно синтезируется великое множе­ство разнообразных соединений. В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обес­печивается сложнейшей системой регуляции обмена веществ. За­дача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что достигается как путем изменения ге­нетической программы организма, так и посредством нарушения регуляторных систем метаболизма в нем.

2. Биотехнология получения первичных метаболитов

2.1. Производство аминокислот

Среди соединений, получаемых биотехнологическими методами, аминокислоты занимают первое место по объему производства и второе место по стоимости, уступая по последнему параметру лишь антибиотикам. Объем мирового производства аминокислот со­ставляет более 500 тыс. т в год, из которых 300 тыс. т приходится на глутамат натрия, 100 тыс. т на лизин и 140 тыс. т на метионин. Одна­ко указанный объем — лишь небольшая доля от требуемого коли­чества аминокислот. По данным ВОЗ, потребность человечества всего лишь в четырех незаменимых аминокислотах составляет, млн т: для лизина — 5, метионина — 4, треонина — 3,7 и триптофана — 2.

Аминокислоты — структурные единицы белков. Природные ами­нокислоты вовлечены в биосинтез ферментов, ряда гормонов, витаминов, антибиотиков, алкалоидов, токсинов и других азот­содержащих соединений (пурины, пиримидины, гем и пр.). В орга­низме животного практически половина белковых аминокислот не синтезируется. Они называются незаменимыми аминокислотами и должны поступать в организм с пищей. Недостаток каждой из этих аминокислот в пищевом или кормовом рационе приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития.

Помимо применения в качестве пищевых добавок, приправ и усилителей вкуса аминокислоты используют как сырье в хими­ческой, парфюмерной и фармацевтической промышленности и при производстве ряда других веществ:

глицин — подсластитель, антиоксидант, бактериостатик;

аспарагиновая кислота — усилитель вкуса, сырье для синтеза аспартама;

глутаминовая кислота — усилитель вкуса, препарат для лече­ния психических заболеваний;

гистидин — противовоспалительное средство;

метионин — пищевая и кормовая добавки;

цистеин — фармацевтический препарат;

треонин и триптофан — пищевые и кормовые добавки;

фенилаланин — сырье для получения аспартама;

лизин — пищевая и кормовая добавки, сырье для получения искусственных волокон и пленок.

В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:

1. гидролизом природного белоксодержащего сырья;

2. химическим синтезом;

3. микробиологическим синтезом;

4. биотрансформацией предшественников аминокислот с по­ мощью микроорганизмов или выделенных из них ферментов (хи­ мико-микробиологический метод).

Существенный недостаток методов химического синтеза ами­нокислот состоит в получении целевых препаратов в виде раце­мической смеси D- и L-стереоизомерных форм. Подавляющее боль­шинство природных аминокислот относится к L-ряду. D-a-ами-нокислоты обнаружены лишь в составе гликопротеинов клеточ­ных стенок бактерий, антибиотиков и некоторых токсинов.? Про­ницаемость L-аминокислот в клетке в 500 раз превышает таковую ее антипода. Стереоспецифичны также транспорт и метаболизм аминокислот. Исключением в этом отношении является лишь ме-тионин, метаболизм которого нестереоизбирателен, благодаря чему данная аминокислота получается преимущественно путем хими­ческого синтеза. Разделение рацематов других аминокислот — до­рогая и чрезвычайно трудоемкая процедура.

Наиболее перспективен и экономически выгоден микробиоло­гический синтез аминокислот. Более 60 % всех производимых в на­стоящее время промышленностью высокоочищенных препаратов белковых аминокислот получают именно этим способом, главное преимущество которого в сравнении с методами химического син­теза состоит в возможности получения L-аминокислот на основе возобновляемого сырья.

Перспективные штаммы продуцентов постоянно улучшают по­средством селекции мутантов с измененной генетической про­граммой и регуляторными свойствами. Распространенные объек­ты селекции продуцентов — микроорганизмы, относящиеся к родам Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter (табл. 1).

Таблица 1

Микроорганизмы — продуценты аминокислот

(по Н. Б. Градовой и О. А. Решетник, 1987)

Аминокислота	Микроорганизмы
Аргинин	Е. coli, Bacillus subtilis, Corynebacterium glutamicum,
	Brevibacterium flavum, Serratia marcescens
Гистидин	B.flavum, C. glutamicum, S. marcescens, виды Steptomyces
Изолейцин	B. flavum, C. glutamicum, B. subtilis, S. marcescens
Лейцин	Brevibacterium lactofermentum, S. marcescens, C. glutamicum
Лизин	B. flavum, C. glutamicum
Фенилаланин	B. flavum, C. glutamicum
Пролин	B. flavum
Серии	C. glutamicum