Органикалық қосылыстар трансформациясы және оның өнімдері
Микробты трансформация – бұл микроорганизмдер ферменттерінің әсерінен органикалық қосылыстардың жартылай өзгеріп, ортада жиналуымен жүретін үдеріс. Осындай үдеріс нәтижесінде қандай да бір өнімнен басқадай, яғни өндірістік қажеттілікке байланысты құнды өнімдер алынады. Мысалы, глюкоза қосылған қоректік ортада псевдомонаданың кейбір штаммдарының өсуі кезінде глюкоза тотығуының өнімі – глюкон қышқылы жиналады, кейін оны бактериялар көміртектің көзі ретінде пайдаланады. Микроорганизмдердің трансформациялау қабілетінің өндірістік маңызы – қажетті бағалы өнімдерді алу үшін қолданылуы.
Көптеген фермент түрлері қатысатын биосинтез және ашыту үдерістерімен салыстырғанда, микробиологиялық трансформацияда тотығуды, декарбоксильденуді, метильдену және басқа да реакцияларын қадағалайтын бір ғана фермент болады. Қандай да бір заттарды трансформациялау үшін, соған қажет болатын культура түрін трансформацияланатын ертіндінің 5-10% көлеміне жеткенше арнайы ортада көбейтеді. Трансформациялауға арналған ертіндісі, оған ең көп мөлшерде трансформацияланатын заттардың еруі (көбінеес 10-25%) мен химиялық заттарының бөлінуіне кедергі келтірмейтіндей, аз көлемдегі культураның дамуына қажетті қоректік тұздардың болуы қамтамасыз етілуі қажет. Егер де, трансформацияланатын зат суда ерімейтін болса, оны алдымен бейтарап органикалық еріткіште ерітіп, кейіннен қарқынды түрде араластыру арқылы негізгі ортамен араласып кетуін қамтамасыз етеді. Трансформация үдерісі стерильді, рН оптималды көрсеткіші қамтамасыз етілген, температура және т.б. қажетті жағдайлары сақталған ортада жүргізіледі. Трансформация үдерісі көбінесе 1-2 тәулікке созылады. Микробтық трансформация үдерісі өтіп болғаннан кейін, ертіндіден қажетті өнім химиялық жолмен бөлініп алынады.
Микроорганизмдер химиялық синтезде, химиялық катализаторлар қызметін атқарады. Бірақ, олардың ерекшелігі, катализаторлық реакцияға сәйкес қолайлы жағдайда жұмыс істейді және биологиялық зиянды қалдықтар мен аралық өнімдерді аз бөледі. Микробтық трансформация үдерістері субстрат өнім тізбегінің химиялық айналу түріне байланысты 20 түрге бөлінеді. Тотығу-тотықсыздану, декарбоксильдену, дезаминдену, метильдену, изомерация және т.б. Мысалы: Mycobacterium globiforme жасушаларының қатысуымен – кортизон стеройдын, дикарбоксильдеу арқылы қабынуға қарсы дәрмектерді – преднизон және преднизалон, Pseudomonas sp618 жасушаларынан аспарагин қышқылының декарбоксильденуі арқылы – аланин және амин қышқылын, ал Streptomyces sp618 дақылдарын фруктозасының изомерациясы арқылы – глюкозаны алады.
Өнеркәсіптік мақсатта пайдаланылатын әртүрлі микроорганизмдердің түрлері, олардан алынатын өнімдер мен қолданылатын салаларын келесі сызбанұсқа түрінде көрсетуге болады (сурет-15):
-
Ө
неркәсіптік
микроорганизмдер
Corynebacterium Spibrevibacterium sp |
|
Streptomyces sp Bacillus sp |
|
Bacillus sp Aspergillus sp |
Амин қышқылдары |
|
А нтибиотиктер |
|
Ферменттер |
Денсаулық сақтау |
|
Тағам өнеркәсібі |
|
Ауыл шаруашылығы |
|
Химиялық өнеркәсіп |
|
Денсаулық сақтау |
|
Ауыл шаруашылығы |
|
Т ағам өнеркәсібі |
|
Сыра өндірісі |
15-сурет. Микроорганизмдерді өнеркәсіпте пайдалану жолдары
Органикалық қосылыстардың микробиологиялық трансформациялануын келесі топтарға бөлуге болады:
тотығу реакциясы: активтендірілмеген көміртегінің гидрооксилденуі, олефиндер мен аллильді топтарының тотығуы, ароматты шиыршығының микробиологиялық гидрооксильденуі, ароматты қосылыстары шиыршықтарының үзілуіне әкелетін тотығуы, май қышқылдарының -тотығуы, карбинольді топтарының карбонильді және карбоксильді топтарына дегидрленуі мен тотығуы, альдегидтердің – карбоксильге, метилдің – карбоксильге өтуі, циклді спирттерінің дегидрогенизациялануы, амин топтарының – нитротоптарына, циклопарафиндерінің – циклокетондарға тотығуы, аралас тотығуы сияқты реакциялар жатады;
қалыпқа келу (восстановление) реакциясы: альдегидтердің бастапқы спирттерге қайта айналуы, кетондар мен дикетондардың қалпына келуі, қосалқы байланыстарының гидрилденуі, нитротоптарының қалпына келуі, біріншілік және екіншілік спирттерінің қалпына келуі, альдегидтердің меркаптоқосылыстарына трансформациялануы және т.б.;
декарбоксилирлену: органикалық қосылыстардың метильді топтарының ақырғы өніміне декарбоксилирленуі, кето қышқылдарының карбол қышқылдарына дейін тотыға декарбоксильденуі, кето қышқылдарының спирттерге қайта декарбоксильденуі, амин қышқылдарының аминдер мен амин қышқылдары түзілуіне дейін декарбоксильденуі, моноамин қышқылдарының спирттер мен окси қышқылдарына айналуы, декарбоксильденудің аралас типтері;
дезаминдеу реакциясы: амин қышқылдарының – карбон қышқылдарына, амин қышқылдарының – кето- және окси қышқылдарына, амидтердің – спиртке, аминдердің – альдегидтер мен кетондарға, аминдердің – тиісті карбон қышқылдарына дезаминденуі мен аралас типті дезаминденулері;
гликозидтердің түзілуі; мысалы глюкозадан ашытқылар арқылы мальтоза синтезі;
гидролиз: эфирлер шайылуы, гликолиздік байланысының гидролизі, амидтер гидролизі, ақуыздар гидролизі және т.б.
метильдеу реакциясы:
метилирлеу реакциясы;
этерификация және соның ішінде фосфорилирлеу мен ацетильдеу;
дегидратация;
конденсация реакциясы ;
аминирлеу мен амидирлеу;
диметоксилирлеу реакциясы;
нуклеотизация;
галогенирлеу;
деметилирлеу;
ассиметризация;
рацемизация;
изомеризация.
Қажетті қосылыстар алу мақсатындағы микробиологиялық трансформация реакциялары тізбегін жүргізуге керек болатын микроорганизмдер культурасы эмпирикалық жолмен таңдап алынады.
Қазірге кезде лимон қышқылдарының ең ірі өндірістері бойынша АҚШ (1 жылда 200 мың тонна ) және ТМД елдерінде (1 жылда 25 мың тонна ) өндіріледі.
Трансформацияның кейбір жағдайларында тотығу және гидролиз сияқты бірнеше реакцияларды талап ететін субстрат молекуласының күрделі өзгерістері жүреді. Жалпы органикалық қосылыстарды бактериялар, актиномицеттер және саңырауқұлақтар да трансформациялауға қабілетті келеді.
Трансформациялау реакциясына негізделген өндіріс үдерісінде көмірсулар, стериндер, стероидтар, кейбір амин қышқылдары, нуклеотидтер, антибиотиктер, алкалоидтар, простогландиндер сияқты күрделі молекулалы заттардың жеңіл өзгерісі қажет болған жағдайында ғана тиімді болып саналады. ТМД елдерінде микробты трансформация көмегімен стеройдты гармондардың бірнеше түрін өндіреді, мысалға алғанда преднизолон. Кейбір микробиологиялық өнеркәсібінде 6-атомды спирт – сорбитті сорбоза моносахаридіне айналдырады, ал соңғысы «С» дәруменінің алғы заты болып табылады.
Органикалық қышқылдарды медицинада, тамақ өнеркәсібінде, техникалық мақсатта және әртүрлі химиялық синтезде пайдаланады. Үш карбондық қышқылдар айналасында кездесетін барлық қышқылдарды микробиологиялық жолмен алуға болады. Бірқатар органикалық қышқылдар айналымда түзіледі, ал қалғандары әртүрлі ферментацияның өнімдері болып табылады. Көбінесе органикалық қышқылдың түзілу үдерісі аэробты жағдайдағы көміртекті қосылыстардың шала тотығуына негізделеді. Қазіргі кезде өнеркәсіптік көлемде және пилотты қондырғыда 35% (изолимонды қышқыл) -100% (галды қышқылы) дейін шығымдылығы жоғары органикалық қышқылдардың 18 түрін өндіреді, олардың ішінен тек лимон қышқылы толық ферментация жолымен алынады. Ал басқа қышқылдарды, микробиологиялық және химиялық әдістер арқылы өндіреді.