Полисахариды

Полисахариды или гликаны - полимеры, построенные не менее чем из 11 моносахаридных единиц. Могут состоять из одного или нескольких типов моносахаридов, поэтому различают гомополисахариды и гетерополисахариды. Они обязательные компоненты всех организмов, составляют большую часть природных углеводов, преобладающую долю в биомассе растений, а потому, основную массу органичсекого вещества на Земле.

Полисахариды встречаются в виде самостоятельных полимеров, в комплексах с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами, фосфатом. Разнообразны они по мономерному составу и структуре. Подавляющее большинство гликанов микробного происхождения имеет уникальную структуру. В них часто встречаются ранее неизвестные моносахара, не обнаруживаемые ни у животных, ни у растений. Исследование микробных полисахаридов приобрело особое значение в связи с открывшейся возможностью широкого их применения в медицине и ряде областей народного хозяйства. В соответсвии с локализацией они делятся на внутриклеточные и внеклеточные.

Условия обитания микроорганизмов определяет количественный выход, мономерный состав, структуру и молекулярную массу полисахаридов, часто - возможность их биосинтеза. Изменение условий культивирования сказывается в первую очередь на образовании внеклеточных и запасных цитоплазматичсеких гликанов. Количество и качество структурных полисахаридов сравнительно постоянны. Значимость одного и того же фактора не одинакова.

Использование микробных полисахаридов

Полисахариды находят применение в медицине, фармацевтической, пищевой, химической, текстильной промышленности, в гидрометаллургии, при добыче нефти и ряде других областей народного хозяйства. Использоваться могут и внутриклеточные, и внеклеточные гликаны, однако, последние более предпочтительны в технико-экономическом плане.

Многие микробные полисахариды обладают лечебными и профилактическим действием: повышают устойчивость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, обладают противоопухолевой активностью, инициирует заживление ран и регенерацию тканей, устраняют болевой синдром, снижают побочное действие лекарственных препаратов и рентгенотерапии. Терапевтический эффект определяется способностью повышать неспецифическую резистентность организма.

Полисахариды, обладающие антигенной специфичностью, используются в медицинской практике в качестве диагностических средств. К ним относятся полисахаридные препараты патогенных и условно патогенных видов дрожжей рода Candida, облегчающие диагностику кандидозов, а также ЛПС-антигенов сальмонелл в диагностике сальмонеллезов.

Нейтральные декстраны, продуцируемые L.mesenteroides, применяются в качестве заменителей плазмы крови. Как плазмозаменители перспективны пуллуланы и леваны, синтезируемые G.oxydans и Bac.polymyxa. Ряд декстранов определенного состава способны стимулировать защитные реакции организма. Сульфаты декстрана обладают антикоагулирующим свойством, заменяют гепарин, применяются в качестве антитромбогенного средства. В этом же качестве перспективен и хитин.

В фармацевтике они используются в качестве основ для изготовления лекарственных форм. Макромолекулярные конъюгаты модифицированных декстранов с ферментами пролонгируют активность ферментов, снижая их аллергизирующее действие. Некоторые гликаны используют вместо натрийкарбоксицеллюлозы в качестве связывающего и биологически активного компонента в зубных пастах.

В пищевой промышленности полисахариды микроорганизмов используются в виде пленок - покрытий продуктов для защиты от высыхания и загрязнения, в качестве стабилизаторов мороженого, фруктовых соков, приправ к салатам, загустителей сиропов, джемов, подливок. Особенно перспективен ксантин. Слизеобразующие штаммы Streptococcus lactis применяют при производстве густых кефиров, сметан, мягких сыров. Экзополисахариды дрожжей родов Saccharomyces и Cryptococcus, бактерий родов Azotobacter и Arthrobacter используются для улучшения качества хлеба. Хлеб, выпеченный из теста с добавдением этих соединений, отличается высоким удельным объемом, хорошей пористостью, медленно черствеет.

При производстве ядерного топлива, фотографических и рентгеновских пленок, как заменители альгинатов, агара могут использоваться гельобразующие экзогликаны ряда микроорганизмов (полиурониды Azotobacter, P.aeruginosa; гетерополисахариды Bac.subtilis, Ps. clodea).

Некоторые гликаны (гетерополисахарид Corynebacterium equi var. mucilagenosus), обладая высокой вязкостью, заменяют дорогие клеящие средства.

Полисахариды используются в нефтяной и газодобывающей промышленности как стабилизаторы и структурообразователи промывных жидкостей, предназначенных для бурения нефтяных и газовых скважин.

Возможности практического применения полисахаридов микроорганизмов еще полностью не раскрыты. Изучение гликанов в этом плане открывает новые перспективы и приведет к дальнейшему расширению области микробиологической промышленности.

В настоящее время микробиологическая промышленность многих стран выпускает ряд ценных экзогликанов: декстраны (Россия и другие страны), ксантан (США, Франция), пуллулан (Япония), склероглюкан или "политран" (США), занфло (США), курдлан (Япония) и т.д. Решены или решаются вопросы внедрения в производство других полисахаридов, глубоко изученных в лабораторных условиях, проверенных на практике и производимых в полупромышленном масштабе.

Однако следует сказать, что производство каждого гликана имеет свои особенности, определяемы физиологией продуцирующего микроорганизма, локализацией (внутри- или внеклеточная), физико-химическими свойствами полимера, областью применения.

Производство экзогликанов имеет преимущества перед производством эндогликанов, так как первые образуются в большем количестве, легче отделяются от биомассы, очищаются от примесей. Однако в технологии получения экзополисахаридов имеется немало трудностей, особенно если продуценты аэробы. Накопление полисахаридов в среде ограничивает доступ кислорода к клеткам, снижается энергетический баланс, что тормозит синтез полимера. Повышенная вязкость среды затрудняет отделение полигликана от биомассы.

Плазмозаменители из гексанов выпускаются под названием: клинический декстран, полиглюкин, синкал, макродекс, плазмодекс, хемодекс и т.д. Для получения декстранов используют штаммы leuconostoc mezenteroides. Ферментацию проводят на среде, содержащей 10-30% сахарозы, декстран ("затравка"), дрожжевой экстракт, минеральные соли. "Затравка" – акцептор обеспечивает преимущественное преобразование необходимого полимера.

Ксантан, продуцирующий Xanthomonas campestris выпускают под названием: биополимер Xc., кельцан, ксантан, келтрол. Микроорганизмы культивируют на среде, содержащий 1-5% углеводов (кукурузный крахмал, сахар-сырец, меласса и др.), азот, содержащий субстрат двузамещенный фосфорнокислый калий, микроэлементы, рН среды 6,5-7,2. Для улучшения свойств полисахарида во время ферментации добавляют формальдегид.

Все более широкое применение находит метод непрерывного культивирования продуцентов. Этот способ, в сравнении с периодическим, более эффективный и экономичный, поскольку позволяет длительно получать продукт в период его максимального накопления, наиболее рационально использовать субстрат.

Перед микробиологическим производством полигликанов стоит ряд задач:

• замена дорогостоящих сахаров более дешевым сырьем;

• поиск микроорганизмов растущих и образующих полисахариды с использованием углеводородов, этанола, метанола, синтетических или диализованных сред, гидролизата торфа;

• поиски гиперпродуцентов с привлечением селекционно-генетических исследований.