20. Основные принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов. Что такое катаболитная репрессия? Как это явление связано с явлением диауксии роста при культивировании микроорганизмов

Согласованный биосинтез клеточных компонентов регулируется очень точными и целенаправленными механизмами регуляции ферментативных процессов, в результате которых либо изменяется количество соответствующих ферментов, либо их активность. Посредниками в осуществлении этих механизмов являются низкомолекулярные соединения, которые либо синтезируются клеткой, либо поступают в клетку из окружающей среды.

Количество синтезируемых ферментов в клетке регулируется путем действия механизмов индукции и репрессии.

Вещества, которые приводят к изменению скорости синтеза белков при добавлении их к культуре (физиологические сигналы) называются индукторами и репрессорами (вместе обозначаются как эффекторы).

Индукция – это процесс увеличения количества соответствующего фермента в клетке под влиянием субстрата. Индуктором, как правило, бывает какой-либо компонент питательной среды для культивирования. Наличие такого вещества в среде приводит к значительному ускорению синтеза ферментов, отвечающих за его расщепление и утилизацию.

Репрессия синтеза ферментов – другой регуляторный механизм, при функционировании которого синтез ферментов в клетке прекращается в присутствии определенных концентраций специальных веществ (репрессоров). Это механизм предотвращения перепроизводства низкомолекулярных метаболитов, который позволяет остановить синтез ферментов, в данный момент не требующихся клетке.

Механизмом репрессии главным образом регулируется образование анаболических ферментов (процесс биосинтеза микробных метаболитов).

Репрессором может быть конечный продукт, образование которого катализирует фермент. Его называют корепрессором.

Помимо репрессии синтеза ферментов конечным продуктом, существует механизм остановки синтеза некоторых ферментов при введении в среду определенных концентраций глюкозы (или другого источника углеводов), называемый катаболитная репрессия.

Сущность этого процесса состоит в ингибировании транскрипции генов, определяющих синтез ферментов, необходимых для катаболизма лактозы или других энергетических субстратов, когда в среде присутствует глюкоза — более эффективный источник энергии.

К числу углеводов, на ассимиляцию которых оказывает влияние катаболитная репрессия, может быть отнесена не только лактоза, но и галактоза, мальтоза и т. п.

Такой регуляторный механизм обусловлен биохимическими особенностями ассимиляции углеводов, отличных от глюкозы.

Известно, что любой из названных углеводов, прежде чем включиться в метаболизм по гликолитическому пути, должен подвергнуться энзиматическим превращениям до одного из начальных продуктов гликолиза, например глюкозо-6-фосфата или фруктозо-6-фосфата. Такое превращение вызывает необходимость синтезировать ферменты, обеспечивающие образование названных продуктов. Вместе с тем наличие глюкозы в среде исключает такую необходимость, так как она относится к легко усвояемым или быстро ассимилируемым субстратам. Синтез ферментов, обеспечивающих утилизацию лактозы и других углеводных субстратов, начнется при исчерпании глюкозы в среде.

Явление, при котором последовательно включаются в обмен источники питания, в первую очередь углеводы, называется диауксией. На кривых роста биомассы микроорганизмов при наличии в питательной среде глюкозы и других источники углеводов (например, лактозы) наблюдаются периоды задержки роста в виде горизонтальных участков: один – после использования глюкозы, второй – после использования второго субстрата. В этот период происходит индукция ферментов ассимиляции второго субстрата (например, лактозы), после чего рост клеток возобновляется.

21. Назовите основные способы интенсификации процессов образования продуктов метаболизма при периодическом культивировании продуцентов БАВ. Интенсификация биосинтеза путем регуляции скорости роста микроорганизмов продуцентов. Преимущества и недостатки метода.

Обогащение питательных сред для культивирования микроорганизмов – продуцентов различных метаболитов, являющихся целевыми продуктами, и регуляция скорости роста продуцентов являются основными способами интенсификации биосинтеза.

Регуляция скорости роста микроорганизма – продуцента осуществляется путем поддержания в ходе культивирования условий, обеспечивающих максимальное накопление целевого продукта.

Скорость роста микроорганизма зависит от влияния большого количества различных факторов внешней среды (концентрации питательных субстратов, рН среды, условий аэрации), но в большей степени зависит от фактора, лимитирующего рост. Факторами, лимитирующими рост продуцентов, чаще всего служат концентрации углеводов и азота в среде для культивирования

Биосинтез продуктов метаболизма происходит одновременно с ростом или, что чаще, с некоторой задержкой по сравнению с ростом (синтез вторичных метаболитов).

Известно, что синтез метаболитов, в том числе вторичных, осуществляется растущей культурой продуцента, но для интенсивного синтеза необходимо снижение скорости роста.

Поддерживая определенные скорости роста, как в период накопления биомассы, так и в период интенсивного биосинтеза можно обеспечить максимальную продуктивность образования целевого метаболита.

Осуществить это можно путем поддержания концентраций лимитирующих рост субстратов (углеводов, азота и др.) на уровнях, оптимальных для каждого периода развития культуры. Оптимальные концентрации лимитирующих рост субстратов определяются в специальных экспериментах. Уровни их поддержания различны для периодов роста и биосинтеза.

Как правило, рост идет с одинаковой интенсивностью в широком диапазоне концентраций основных субстратов (при их избытке), тогда как биосинтез возможен только в определенном узком диапазоне концентраций субстратов, лимитирующих рост.

Например, максимальная удельная скорость роста продуцента тетрациклина наблюдается в присутствии 10–20 мг/мл глюкозы и 0,4–0,8 мг/мл азота, а максимальный синтез антибиотика – при 0, 1–0,15 мг/мл глюкозы и 0,45–0,55 мг/мл азота.

Концентрация ионов водорода (рН) – один из параметров управления биохимическими процессами в клетке, с помощью которого их можно направлять по тому или иному пути. На примере многих продуцентов показано, что оптимальные значения рН для периодов роста и биосинтеза различны. Например, применительно к процессу биосинтеза тетрациклина, для роста благоприятны значения рН 6,0–6,8. а для биосинтеза антибиотика 5,8–6,0.

Не менее важное значение для регуляции скорости роста, имеет поддержание на оптимальном уровне температуры в процессе культивирования. Она может служить регулятором путей углеводного обмена. Например, переключать ассимиляцию глюкозы с гексозомонофосфатного пути на гликолитический, что у некоторых продуцентов приводит к снижению уровня биосинтеза продукта (например, при биосинтезе окситетрациклина)

22. Назовите основные способы интенсификации процессов образования продуктов метаболизма при периодическом культивировании продуцентов БАВ. Интенсификация биосинтеза путем обогащения питательных сред для культивирования микроорганизмов продуцентов. Преимущества и недостатки метода.

Основные способами интенсификации образования продуктов метаболизма при периодическом культивировании микроорганизмов – продуцентов являются: обогащение питательных сред для культивирования и регуляция скорости роста продуцентов.

Обогащение питательных сред для выращивания вегетативного инокулята (посевного материала) источниками углеводов, азота, фосфора и др. приводит к повышению интенсивности образования целевого продукта. Положительный эффект обогащения среды для выращивания посевного материала является следствием увеличения количества микробной биомассы. Кроме того, выращенный на обогащенной среде посевной материал, качественно отличается от выросшего на бедной среде – он способен к синтезу большего количества целевого продукта.

Обогащение ферментационных сред источниками углеводов, азота и другими компонентами также сопровождается увеличением конечных показателей биосинтеза по целевому продукту. Показано например, что при биосинтезе целого ряда антибиотиков (пенициллин, олеандомицин, тетрациклин и др.) на обогащенных средах более чем в два раза увеличилась их концентрация в культуральной жидкости.

Степень обогащения сред чаще всего характеризуется содержанием в них источника углерода. Но в сбалансированной, оптимальной для биосинтеза метаболита питательной среде должны быть соответственно увеличены также и концентрации источников азота, жира и других компонентов.

Одной из разновидностей способа обогащения питательных сред, является добавление источников углеводов, азота и других необходимых субстратов в культуральную жидкость по мере их потребления при культивировании. Этот прием позволяет продлить период активного биосинтеза и увеличить выход целевого продукта.

Т.о. преимуществом способа обогащения питательных сред для культивирования продуцентов является увеличение в культуральной жидкости количества продуктивной биомассы, следствием чего является возрастание концентрации целевого продукта в ней.

Однако при увеличении количества микробной биомассы увеличивается вязкость среды. Наличие высоковязких культуральных жидкостей затрудняет равномерное обеспечение микроорганизмов питательными веществами, кислородом и отвод продуктов метаболизма, которые могут ингибировать процессы жизнедеятельности продуцентов. Это является недостатком способа и ограничивает возможности его применения.