2. Біосинтетичні процеси у мікроорганізмів

У процесі росту мікроорганізмів на глюкозі в аеробних умовах близько 50 % глюкози окиснюється до СО₂ для одержан­ня енергії. Решта 50 % глюкози перетворюється на клітинний матеріал. Саме на ці перетворення і витрачається більша части­на АТФ, утвореного під час окиснення субстрату.

Розглянемо біосинтез низькомолекулярних сполук (моно­мерів) — амінокислот, нуклеотидів, вуглеводів і жирних кис­лот, які є будівельними блоками для синтезу полімерів (білків, полісахаридів, нуклеїнових кислот, ліпідів), а також основні реакції, що відбуваються з витратами АТФ.

ПОТРЕБИ В АТФ ДЛЯ УТВОРЕННЯ БАКТЕРІАЛЬНИХ КЛІТИН З ГЛЮКОЗИ

Понад 95 % клітинного матеріалу мікроорганізмів скла­дається з макромолекул. На частку білків припадає приблизно 52 %, нуклеїнових кислот — 19 % маси сухої речовини. Близь­ко 3 % становлять низькомолекулярні органічні сполуки та солі.

З наведених нижче даних про витрати енергії на утворен­ня бактеріальних клітин з глюкози (потреба в АТФ для синтезумакромолекул, з яких складається клітина) видно, що основна кількість АТФ, одержаного б дихальному ланцюгу, витрачається на полімеризацію амінокислот. Значна кількість енергії потрібна для утворення нуклеозидмонофосфатів, а також на забезпечен­ня транспортних процесів.

Потреба в АТФ для утворення бактеріальних клітин із глюкози

БІОСИНТЕЗ АМІНОКИСЛОТ

Більшість мікроорганізмів здатні синтезувати de novo всі 20 амінокислот, з яких складаються білки. Вуглецеві скелети амінокислот будуються з проміжних продуктів обміну, аміно­групи вводяться прямим амінуванням або трансамінуванням. Переведення неорганічного азоту в органічні сполуки завжди відбувається через аміак. Нітрати, нітрити, молекулярний азот (джерела азоту в поживних середовищах) попередньо відновлю­ються до аміаку (асиміляційна нітратредукція) і тільки після цього включаються до складу органічних сполук (рис. 6.9, а, б, в).

Лише небагато амінокислот утворюються в результаті пря­мого амінування вільними іонами амонію. У первинній асиміляції аміаку беруть участь L-глутаматдегідрогеназа та L -аланіндегідрогеназа, які здійснюють відновлювальне амінування 2-оксокислот (пірувату та 2-оксоглутарату) (рис. 6.9, д,е). АТФ у цьому процесі участі не бере. Утворення глутаміну з глутамату каталізується глутамінеинтетазою І потребує витрат АТФ (рис. 6.9, г). За допо­могою глутаматсинтази аміногрупа глутаміну може бути пере­несена на 2-оксоглутарат з утворенням глутамату (рис. 6.9, ж).

Решта амінокислот отримує свою аміногрупу від первин­них амінокислот у результаті трансамінування. З вільних аміно­кислот у цитоплазмі кількісно переважає глутамінова кислота (більше половини всього "пулу" амінокислот).

Рис. 6.9. Найважливіші шляхи асиміляції азоту:

іони амонію, що містяться у поживному середовищі, безпосередньо поглинаються клітинами (а). Іони нітрату під час асиміляційної нітратредукці'і (б), а молекулярний азот під час фіксації азоту (в) відновлю­ються до іонів амонію. В органічні сполуки амонійний азот перетворю­ється або за участю АТФ утворенням глутаміну, або без витрат АТФ прямим відновлювальним амінуванням 2-оксоглутарату чи пірувату

Всі необхідні для синтезу білків 20 амінокислот утворю­ються з певних метаболічних попередників (рис.6.10):

Як видно з наведених даних, субстратами для синтезу аміно­кислот є декілька сполук — піруват, оксалоацетат, 2-оксоглутарат, 3-фосфогліцерат, фосфоенолпіруват, еритрозо-4-фосфат і 5-фосфорибозил-пірофосфат. Оксалоацетат являє собою відправ­ну точку для синтезу шести амінокислот, 2-оксоглутарат є попе­редником синтезу чотирьох, а піруват —- трьох амінокислот. На рис. 6.11 показано два можливі шляхи синтезу лізину: А — діамінопімеліновий і Б — аміноадипіновий.

Мікроводорості, гриби, дріжджі здійснюють синтез лізину через аміноадипінову, бактерії — через діамінопімелінову кислоту. Аланін та аспартат синтезуються з пірувату та оксалоацетату трансамінуванням з використанням глутамату як донора аміногру­пи. Аспарагін утворюється в реакції, аналогічній реакції, що ката­лізується глутамінсинтетазою. Відновлення аспартату дає нанів-альдегід аспарагінової кислоти — попередник лізину, треоніну та метіоніну. Дезамінування треоніну приводить до утворення 2-оксо-бутирату, який в результаті послідовної дії чотирьох ферментів пере­творюється на ізолейцин. Під дією чотирьох ферментів піруват пере­творюється на валін; проміжний продукт синтезу валіну служить попередником в утворенні лейцину. Серин, гліцин і цистеїн синте­зуються з 3-фосфогліцерату, а пролін та аргінін — з глутамату.

Pис. 6.11. Шляхи біосинтезу амінокислот:

родини амінокислот: і — ароматичних амінокислот і гістидину; 2 — піруватна: 3 — аспартатна; 4 — глутаматна. Шляхи біосинтезу лізину: А -—діамінопімеліновий; -6 — аміноадипіновий

Складнішим є синтез ароматичних амінокислот . Еритрозо-4-фосфат і фосфоенолпіруват конденсуються з утворен­ням С-сполуки, яка піддається циклізації. Загальним проміж­ним продуктом синтезу ароматичних амінокислот є хоризмат. У цій точці біосинтетичний шлях розгалужується на два: 1) утво­рення триптофану через антранілат; 2) утворення тирозину та фенілаланіну через префенат :

БІОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДІВ

Попередниками піримідинових нуклеотидів є карбамоїлфосфат та аспартат . Конденсація цих сполук дає карба моїласпартат, який піддається циклізації і перетворюється на 4,5-дигідрооротат. Дегідрування цієї сполуки приводить до утво­рення оротату — першого проміжного продукту, який містить піримідинове кільце. Рибозо- 5-фосфат, утворений у пентозофосфатному циклі, активується перетворенням на 5-фосфорибозил-1-пірофосфат. Реакція 5-фосфорибозил-1-пірофосфату з оротатом дає оротидинмонофосфат, який далі декарбоксилюється в уридинмонофосфат.

Синтез пуринових нуклеотидів проходить складнішим шляхом . У результаті метаболічного шляху, який починається з 5-фосфорибозил-1-пірофосфату утворюється імідазольний нуклеотид. Три атоми піримідинового кільця, необхідні для утворення пуринового кільця з імідазольного нуклеотиду, надходять із бікарбонату, аспартату та формілтетрагідрофолієвої кислоти. Замикання кільця дає інозинмонофосфат (пуриновий нуклеотид, ІМФ). Декілька додаткових реакцій приводять від ІМФ до АМФ або до ГМФ, і нарешті утворюються АТФ та ГТФ.

Відновлення рибонуклеотидів до дезоксирибонуклеотидів відбувається на рівні дифосфатів. Відновлювальним агентом у цій реакції є флавопротеїдтіоредоксин; його відновлена фор­ма регенерується за рахунок НАДФН.

БІОСИНТЕЗ ЖИРНИХ КИСЛОТ

Більшість жирних кислот, які входять до складу бактері­альних ліпідів, містять 16 або 18 атомів вуглецю. Ці кислоти є або насиченими, або мають один чи більше подвійних зв'яз­ків. Попередником жирних кислот є ацетил-КоА. Проте подов­ження ланцюга у даному разі не відбувається за рахунок кон­денсації двох молекул ацетил-КоА з наступною подальшою кон­денсацією утвореної С₄-сполуки з ацетил-КоА. У біосинтезі жир­них кислот є дві принципові відмінності:

1. КоА-похідні не є субстратами ферментів, що беруть участь у синтезі жирних кислот. Замість них використовується ацилпереносний білок (ЛПБ), який містить як простетичну груду 4 -фосфопантетеїн, тобто є схожим на кофермент А. Перша реакція у син­тезі жирних кислот — де утворення ацетил-АПБ:

Ацетил-КоА + АПБ о Ацетил-АПБ + КоА.

2. Ацетил-АПБ функціонує у синтезі жирних кислот як затрав-ка, а С₂-фрагменти приєднуються до цієї затравки у формі малоніл-КоА. Малоніл-КоА синтезується з ацетил-КоА у два етапи.

Для подовження ацил-АПБ на два атоми вуглецю необхід­но чотири ферменти. Спочатку ацетил-АПБ реагує з малоніл-АПБ з утворенням ацетоацетил-АПБ, який потім відновлюється до в-гідроксибутирил-АПБ. Відщеплення води дає кротоніл-АПБ, а наступне відновлення приводить до утворення бутирил-АПБ:

1) Ацетил-АПБ + Малоніл-АПБ о Ацетоацетил-АПБ + СО₂ + АПБ

(3-кетоацил-АПБ-синтетаза);

2) Ацетоацетил-АПБ + НАДФН <->в-гідроксибутирил-АПБ + НАДФ

(3-кетоацил АПБ-редуктаза);

3) в-гідроксибутирил-АПБ <-> Кротоніл-АПБ + Н₂О

(в-гідроксиацил-АПБ-дегідратаза);

4) Кротоніл-АПБ + НАДФН <-> Бутирил-АПБ + НАДФ

(еноіл-АПБ-редуктаза).

Точкою розгалуження синтезу насичених і ненасичених жирних кислот є в-гідроксидеканоїл-АПБ.

Основними субстратами для утворення фосфатидних кис­лот є 3-фосфогліцерин та ацил-АПБ. 3-Фосфогліцерин утворю­ється з діоксиацетонфосфату — проміжного продукту гліколізу. Фосфатидні кислоти утворюються в результаті перенесення ацильного залишку від ацил-АПБ на 3-фосфогліцерин. Більша части­на фосфатидних кислот (через стадію утворення складних ефірів із спиртами) використовується для синтезу фосфоліпідів.

Утворення вторинних метаболітів

З відкриттям пеніциліну та інших антибіотиків виникла нова галузь промислової мікробіології. Мікроорганізми є про­дуцентами ряду вторинних метаболітів.

Синтез антибіотиків

Ще у XIX ст. було відомо, що між різними мікроорганізма­ми можуть існувати як симбіотичні (взаємовигідні), так і анта­гоністичні відносини. Антагонізм — взаємодія двох організмів, за якої один пригнічує життєдіяльність іншого. Поштовхом до з'ясування матеріальної основи антибіозу було спостереження А. Флемінга, який у 1928 р. виявив, що колонія гриба Репісіііит notatum пригнічувала ріст стафілококів. З тих пір було виявлено багато речовин з антибіотичною активністю. Антибіотики — це речовини біологічного походження, здатні навіть у низьких кон­центраціях пригнічувати ріст мікроорганізмів. Розрізняють речо­вини, що пригнічують ріст мікроорганізмів (бактеріостатичні, фунгістатичні), і такі, що їх вбивають (бактерицидні, фунгіцидні).

Продуцентами антибіотиків є гриби з групи аспергілів, актиноміцети (стрептоміцети), а також деякі бактерії (бацили). Нині відомо понад 2000 антибіотиків, але тільки близько 50 з них використовуються як хіміотерапевтичні засоби.

Яке значення мають антибіотики для організмів-продуцен­тів? До утворення антибіотиків ведуть біохімічні шляхи, які належать до вторинного метаболізму. Ці шляхи та ферменти, які їх забезпечують, не є необхідними для росту та виживання клітин. Генетичний апарат, необхідний для синтезу антибіоти­ків, у разі їх непотрібності для організму, став би баластом, і орга­нізм звільнився б від нього в процесі еволюції. Оскільки в природі зберігається лише те, що є додільним, потрібно бачити в анти­біотиках речовини, які забезпечують їх продуцентам селективні переваги і в природних умовах існування (наприклад, перевага у конкуренції за один і той самий ростовий субстрат).

Найважливіші антибіотики, використовувані в медицині. Перше місце все ще посідають пеніциліни (продуценти Репісillит notatum, Репісllит chrysogenum і деякі інші гриби), що належать до групи в-лактамних антибіотиків. Одержують також напівсинте­тичні пеніциліни розщепленням природних пеніцилінів до 6-амінопеніциланової кислоти, до якої потім хімічним шляхом приєдну­ють різні бокові групи — метицилін, карбеніцилін, ампіцилін, фене-тицилін та ін. Багато бактерій синтезують фермент пеніциліназу, який розщеплює в-лактамне кільце та інактивує пеніцилін. Про­те ряд напівсинтетичних пеніцилінів не розкладаються пеніциліназами. Оскільки напівсинтетичні пеніциліни є стійкими до дії кислот, вони можуть вводитись в організм перорально.

Цефалоспорини — продукти одного з видів гриба Cephalosporium. Цефалоспорин С має в-лактамове кільце і за своєю струк­турою схожий з пеніцилінами. Одержують напівсинтетичні цефало­спорини (цефалотин, цефалоридин), які за своєю дією схожі на похідні пеніциліну.

Стрептоміцин був уперше виділений з культури Streptomyces griseus, але його синтезують і інші види Streptomyces. Успіх використання стрептоміцину зумовлений його дією на ряд кислотостійких і грамнегативних бактерій, нечутливих до пені­циліну. Проте стрептоміцин викликає у хворих різко виражені алергічні реакції. Цей антибіотик застосовується також у вете­ринарії і для боротьби з захворюваннями рослин.

Хлороміцетин (хлорамфенікол, левоміцетин) вперше вияв­лений у культурах Streptomyces uenezuelae, але його можна одер­жати і синтетичним шляхом. Він надзвичайно стабільний і діє на більшість грамнегативних бактерій, у тому числі на спірохе­ти, рикетсії, а також на актиноміцети і великі віруси.

Тетрацикліни також являють собою метаболіти стрепто-міцетів {Streptomyces aureofaciens). Хімічно тетрацикліни (хлортетрациклін, окситетрациклін і тетрациклін) близькі між собою і мають в основі структури нафтацен. Відзначаються широким спектром дії.

До макролідів належать антибіотики різного походження з відносно великою молекулярною масою, для яких характерним є макроциклічне лактонове кільце (еритроміцин, карбоміцин А, пікроміцин).

Актиноміцин був виділений у 1940 році. Це перший анти­біотик, виявлений серед стрептоміцетів.

Поліпептидні антибіотики (граміцидин S, поліміксини, бацитрацин та ін.) характеризуються високим спорідненням до плазматичної мембрани, тому є однаково токсичними як для про-, так і еукаріот. У клінічній практиці не застосовуються. Завдяки своїй здатності вибірково транспортувати іони через мембрану поліпептидні антибіотики використовують у дослідній роботі як іонофори. Валіноміцин, наприклад, полегшує транспортування калію через мембрану. Добавлення валіноміцину до клітинної суспензії призводить до втрати клітинами іонів калію.

Мікробні екзополісахариди

Практична значущість ЕПС зумовлена їх спроможністю в невисоких концентраціях істотно змінювати реологічні харак­теристики водних систем. Різноманітність фізико-хімічних влас­тивостей мікробних полісахаридів зумовлює їх використання в нафтодобувній, харчовій, фармакологічній, хімічній промис­ловостях, сільському господарстві, медицині.

Згідно з класифікацією англійського вченого І. Сазерленда мікробні ЕПС належать до п'яти груп.

Перша група містить декстрани і споріднені полісахари­ди (левани, мутани). Вони складаються з моносахаридів одного типу, тобто є гомополісахаридами. Синтез цих ЕПС здійснюється на середовищах, що містять сахарозу як специфічний субстрат. За відсутності такого специфічного субстрату (крім сахарози, це можуть бути інші споріднені вуглеводи) утворення ЕПС не визначається. Продуцентами ЕПС першої групи є представни­ки родів Streptococcus і Leuconostoc. Декстран (a-D-глюкан) продукується бактеріями Leuconostoc mesenteroides, Streptococcus bovis, Streptococcus ulridans. Декстран використовується як замін­ник плазми, а також для аналітичних досліджень у хімії та біо­логії. Незважаючи на те що промисловий випуск декстрану існує з 40-х років XX ст., його частка на ринку мікробних ЕПС є від­носно невисокою.

Для утворення ЕПС другої групи також необхідна наяв­ність специфічного вуглецевого субстрату, проте синтезовані ЕПС є гетерополісахаридами. Нині встановлено утворення тако­го ЕПС жовтозабарвленою псевдомонадою.

До третьої групи належать гомополісахариди, що синте­зуються на різних вуглецевих субстратах. Деякі з цих гомополісахаридів складаються лише з вуглеводів, наприклад бактеріаль­на целюлоза або пулулан (продуцент Aureobasidium pullulans), інші вміщують ацетильні групи (наприклад, ЕПС, синтезовані певними видами Agrobacterlum).

Курдлан — в(1—3)-глюкан — синтезується бактеріями Alcaligenes faecalls і Agrobacterlum radiobacter. Цей полісаха­рид при нагріванні до 54 °С утворює гель, який, на відміну від агарових, зберігає свою структуру в широкому діапазоні темпе­ратур (від 18 до 80 °С). Курдлан характеризується надзвичай­ною стійкістю до кислотної обробки. Завдяки цим властивос­тям курдлан використовують у харчовій промисловості, а також для приготування мікробіологічних середовищ.

Четверта група мікробних ЕПС найчисленніша. її пред­ставники являють собою гетерополісахариди, які складаються із структур з повторюваними блоками. До цієї групи належить найбільш досліджений мікробний ЕПС — ксантан, а також про­мислово цінні ЕПС — гелан і емульсан.

До складу ксантану (продуцент Xanthomonas campestris NRRL В-1459) входять залишки , D -глюкози, D-манози, D-глюкуронової кислоти у співвідношенні 2,8:2,0:2,0. Крім того, ЕПС містить близько 4,7 % , О -ацетильних груп і близько 3 % залиш­ків піровиноградної кислоти, зв'язаних із залишками глюкозив бокових ланцюгах у вигляді циклічного кеталю. Ксантан впер­ше був описаний у 60-х роках XX ст. В Інституті мікробіології і вірусології НАН України селекціоновано штам Xanthomonas campestris pv. campestris 8162, який синтезує біополімер, ана­логічний ксантану.

Розчинам ксантану притаманна висока в'язкість за низьких концентрацій, яка залишається постійною в широкому діапазоні рН і не залежить від температури та наявності солей у розчині. Основ­ні характеристики ксантану уможливлюють його використання в нафтодобуванні, а також у виготовленні харчових продуктів.

Новим полісахаридом з унікальними властивостями є етапо­лан (розробка Інституту мікробіології і вірусологи НАН України).Комплексний полісахаридний препарат етаполан, синтезо­ваний штамом бактерій Acinetobacter sp. 12S, складається з нейт­рального і двох кислих ЕПС, один з яких є ацильованим. Нейт­ральний ЕПС є мінорним компонентом. Ацильований і неацильований полісахариди ідентичні за молярним співвідношенням D-глюкози, D-манози, О-галактози, L-рамнози, D-глюкуронової і піро­виноградної кислот (3:2:1:1:1:1) і структурою повторюваної оди­ниці вуглеводного ланцюга. Різниця між цими ЕПС полягає в тому, що ацильований полісахарид вміщує жирні кислоти (С₁₂-С₁₈). Реологічні властивості розчинів етаполану (здатність до емуль­гування, підвищення в'язкості в присутності одно- і двовалент­них катіонів, при зниженні рН, в області низьких швидкостей зсуву, у системі Си²⁺-гліцин) визначаються співвідношенням у його складі ацильованого і неацильованого компонентів, а також вміс­том жирних кислот в ацильованому полісахариді.

Етаполан є полісахаридом багатофункціонального призна­чення і може бути використаний у нафтодобувній, харчовій, хіміч­ній промисловостях як загущувальний, стабілізувальний, емульгувальний та суспендувальний агент. На основі етаполану роз­роблено спосіб ізоляції припливу пластових вод, який дає мож­ливість при застосуванні 1 т етаполану видобути додатково до 240 т нафти та знизити її обводнення з 84 до 15 %. З викорис­танням етаполану як головної складової частини розроблені технології виготовлення косметичних кремів за загальною назвою "Екол", технічного мийного засобу "БІМС-1". Завдяки спромож­ності адсорбувати та виводити з організму солі важких металів, етаполан може входити до рецептури хлібопродуктів, рекомен­дованих для профілактичного харчування.

Гелан — гетерополісахарид, синтезований Pseudomonas elodea ATCC 31461. Він складається з тетрасахаридних повто­рюваних одиниць, що містять залишки глюкози, рамнози, глюкуронової кислоти і О-ацетильні групи. Гелан існує у вигляді трьох форм — нативній, низькоацетильованій і низькоацетильо-ваній освітленій. Низькоацетильований гелан одержують нагрі­ванням нативного гелану за рН 10. Після охолодження гелан утворює тверді гелі, стійкість яких залежить від концентрації гелану і наявності в розчині солей. Гелан за торговою назвою "Гельрит" використовується як гелеутворювальний агент для приготування мікробіологічних середовищ. У порівнянні з ага­ром "Гельрит" має такі переваги: стабільність під час багато­разового автоклавування; інертність до більшості добавок, які є компонентами біологічних ростових середовищ; стійкість до ферментативної деградації; більш висока прозорість; нижча ток­сичність щодо чутливих мікроорганізмів. Висока температура плавлення геланових гелів дає можливість використовувати цей ЕПС у харчових продуктах, які піддаються тепловій обробці.

Емульсан є мікробним ЕПС, який одержують у промисло­вому масштабі на основі нехарчової сировини — етанолу. Емульсан складається з N- і О-ацильованих залишків , D -галактозаміну, , D глюкози і аміноуронової кислоти. О-ацильна частина емуль-сану вміщує 5-19 % залишків жирних кислот. Вміст білка в емуль-сані становить 5-15 % . Розчинам емульсану притаманні емуль-гувальні властивості, що зумовило його використання в нафто­вій промисловості для підвищення нафтовидобутку.

До п'ятої групи мікробних ЕПС належить бактеріальний альгінат. Цей гетерополісахарид складається з мономерів двох типів: D-мануронової і L-гулуронової кислот. На відміну від ЕПС четвертої групи, в альгінаті немає повторюваних одиниць. Проду­центами альгінату є Pseudomonas aeruginosa iAzotobacter vinelandii. Бактеріальний альгінат відрізняється від альгінату з морських водоростей наявністю О-ацетильних груп, приєднаних до D-ману­ронової кислоти. Мікробні альгінати використовуються в харчо­вій промисловості як замінники водоростевих альгінатів.

Лектини мікробного походження

Лектини — це вуглеводзв'язувальні білки, які характери­зуються певною вуглеводною специфічністю. Здатність взаємодіяти з певним вуглеводом — фундаментальна характеристика лектинів. Лектини використовуються як лікарські препарати, діагностикуми та аналітичні реагенти. Найбільш вивченими біо­логічними реакціями, що відбуваються за участю лектинів, є такі:аглютинація еритроцитів та інших типів клітин;адгезивна активність;мітогенна" стимуляція лімфоцитів '",фагоцитарна активність;ферментативна активність і токсичність щодо еукаріотичних клітин.

До недавнього часу джерелом одержання лектинів були рослини та тканини тварин. Проте навіть серед них існує дефі­цит лектинів з рідкісною вуглеводною специфічністю (щодо фуко-зи, уронових і сіалових кислот). Сіалові кислоти (N-ацетилнейрамінова та N-гліколілнейрамінова кислоти) можна уявити як продукт конденсації N-ацетилглюкозаміну з піровиноградною кислотою. Сіалові кислоти не зустрічаються у вільному вигляді, а входять до складу глікопротеїнів, глікокон'югатів біологічних рідин, є складовою поверхні еукаріотичних клітин.

Технологія одержання позаклітинних сіалоспецифічних бактеріальних лектинів (80-ті роки XX ст.) є розробкою Інсти­туту мікробіології і вірусології НАН України. Продуцентами таких унікальних лектинів є представники роду бацил (Bacillus subtilis). Слід зазначити, що серед сапрофітних бактерій здат­ність до синтезу лектинів була виявлена вперше.

Сіалоспецифічні бацилярні лектини за хімічною природою є глікопротеїнами, які містять до 10 % вуглеводів. Вони є гетеро­генними за молекулярною масою: у складі очищених лектинів вияв­лені компоненти з молекулярною масою від 10 000 до 70 000. Молеку­лярна маса неочищених лектинів не перевищує 15 000-19 000.

Бактеріальні лектини можуть бути внутрішньоклітинни­ми, асоційованими з поверхнею клітин і позаклітинними. Най­більший інтерес для біотехнології викликають позаклітинні лектини, які містяться в культуральній рідині, оскільки виді­лення таких лектинів є простішим, ніж клітинних. Вміст лек­тинів в культуральній рідині є невисоким і, як правило, не пере­вищує 100 мг/л.

Поверхнево-активні речовини мікробного походження

Поверхнево-активні речовини (ПАР) — це сполуки, які здатні знижувати поверхневий натяг на межі розподілу фаз. Такі речовини, завдяки силам міжмолекулярної взаємодії, можуть концентруватися (адсорбуватися) на межі розподілу фаз, зни­жуючи величини поверхневого натягу. ПАР поділяються на молекулярно-розчинні, які утворюють істинні розчини, та колоїд­ні {міцелярно-розчинні). Основні характеристики ПАР такі:1) критична концентрація міцелоутворення (ККМ). ККМ визначається як концентрація ПАР, за якої в його розчині утво­рюються міцели, що перебувають у рівновазі з молекулами чи іонами. На практиці ККМ визначається як максимальна кон­центрація істинно розчинного ПАР, яка може бути отримана в даних умовах;2) величина гідрофільно-ліпофільного балансу (ГЛБ). ГЛБ визначається за 20-бальною шкалою і показує співвідношення гідрофільної та гідрофобної частин у молекулі ПАР. Чим вище значення ГЛБ, тим гідрофільнішою є сполука.

ПАР мікробного походження називаються бію- ПА Р, біосурфактантами. Розробляти їх почали у 70-х роках XX ст., тобто, як і мікробні лектини, вони є відносно новим продуктом біотехнології. Субстратами для синтезу ПАР є переважно вугле­водні (н-алкани) — нерозчинні у воді сполуки, і у зв'язку з цим синтез ПАР мікроорганізмами можна розглядати як життєво важливу функцію, а саме — емульгування важкодоступних суб­стратів і переведення у форму, доступну для засвоєння. З такої точки зору біо-ПАР можна розглядати як первинні метаболіти. Проте, крім вуглеводнів, як субстрати для синтезу ПАР можуть бути використані і водорозчинні сполуки (глюкоза, етанол). У таких випадках утворення ПАР не є життєво необхідною функцією, і їх можна розглядати як вторинні метаболіти.

Біо-ПАР є міцелярно-розчинними сполуками, тобто скла­даються з гідрофобної та гідрофільної частин. ПАР на основі значення ККМ можна поділити на три групи:1) ПАР, для яких ККМ перевищує 7 г/л. Таким ПАР не при­таманні мийні властивості;2) типові мийні засоби, емульгатори. Значення ККМ ста­новить 0,2-7,0 г/л;3) ПАР, слабкорозчинні у воді і добре розчинні у вуглевод­невих середовищах. ККМ не перевищує 0,2 г/л.

Слід зазначити, що дистильована вода має поверхневий натяг 73 мН/м. Ефективні біо-ПАР знижують це значення до 29-32 мН/м, маючи при цьому низькі значення ККМ.

За хімічною природою біо-ПАР поділяються на п'ять груп (класифікація німецького вченого Ф. Вагнера, який є провід­ним спеціалістом у галузі біотехнології мікробних ПАР): 1) гліколіпіди; 2) ліпопедтиди (ліпопротеїни); 3) ліпополісахариди; 4) жирні кислоти та їх похідні; 5) фосфоліпіди.

Продуцентами ПАР можуть бути бактерії, дріжджі, гриби та мікроводорості. Найвідомішими з мікробних ПАР є гліколіпіди (продуцентами є артробактерії, псевдомонади синтезують ПАР, який називається "рамноліпід Р-1 дріжджі родів Candida та Torulopsis). Серед ліпопротеїнів найбільш відомими є бацилярні ПАР — сурфактин, ліхенізин, серед ліпополісахаридів — емульсан.

За класифікацією ізраїльського вченого Е. Розенберга(1999 р.) біосурфактанти поділяються на низько- та високомолекулярні. До низькомолекулярних належать гліколіпіди (трегалозоліпіди, софороліпіди, рамноліпіди) та ліпопептиди (сурфактин, поліміксин, граміцидин S). Високомолекулярні біосурфактанти — це полісахариди, білки, ліпополісахариди, ліпопротеїни або комплекси цих сполук. Низькомолекулярні ПАР здатні знижу­вати поверхневий натяг на межі розподілу фаз, а високомолеку­лярні є ефективними стабілізаторами емульсій типу "масло у воді", тобто вони є емульгаторами.