2. Производство микробами токсинов, пигментов, ароматических и других веществ.

Микробиологический синтез, синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счёт присущих микробной клетке ферментных систем. При М. с., как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. М. с. следует отличать от брожения, в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счёт распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся в ходе М. с., обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность для народного хозяйства.

К микробному синтезу относят широкий круг процессов.

1. Накопление микробной массы для использования её:

а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам;

б) как источника получения белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков;

в) для борьбы с паразитами животных и растений;

г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений.

2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п.

  Микробный синтез осуществляется внутри клетки. Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов — их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответствующих метаболитов. При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём штаммы, у которых сверхсинтез — следствие нарушений обмена веществ.

В процессе М. с. получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Так, для синтеза белков, нуклеиновых кислот и других метаболитов клетки могут использовать, в зависимости от особенностей культуры, разные неорганические источники азота, а из соединений углерода — различные углеводы, органические кислоты (в т. ч. уксусную кислоту), жидкие, твёрдые или газообразные углеводороды и др. Определённые виды, способные к хемосинтезу или фотосинтезу, в качестве источника углерода могут усваивать углекислый газ.

Широкое промышленное применение микробный синтез получил, начиная с 40—50-х гг. 20 в. Были созданы специальные аппараты — ферментёры, с помощью которых можно вести технологический процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабжённые устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.

Технологически современный процесс М. с. состоит из ряда последовательных этапов (операций).

Главные из них:

- подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;

- подготовка питательной среды;

- выращивание посевного материала;

- культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробный синтез, часто называемый ферментацией (например, ферментация антибиотиков);

- фильтрация и отделение биомассы;

- выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо;

- сушка.

Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди др. технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др.

Продукты микробного синтеза.

Токсины. Некоторые бактерии образуют токсические вещества — токсины — соединения разнообразной химической природы, обладающие высокой физиологической активностью. Они значительно подавляют рост и развитие растений. Действие токсинов весьма существенно отражается на животных. Они оказывают значительное влияние на различные стороны обмена веществ живого организма, подавляя различные физиологические функции. Некоторые токсические вещества действуют также на микробную клетку.

Токсины могут быть различного химического состава и различного биологического действия. Особый интерес представляют токсины специфического действия, т. е. избирательно подавляющие рост определенных видов растений (особенно сорняков) или специфически действующие на насекомых.

Антибиотики — один из первых продуктов микробного синтеза, которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Некоторые антибиотики (фитобактериомицин, трихотецин, полимиксин) используются как средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

Пигменты. Многие микроорганизмы в процессе жизнедеятельности выделяют красящие вещества — пигменты, придающие культуре разнообразный цвет. Микробы образуют самые различные по цвету пигменты — в культурах микроорганизмов можно встретить всю гамму цветов и оттенков.

Красные пигменты образуются некоторыми бактериями, актиномицетами. Наиболее яркий красный пигмент выделяет широко распространенная в воздухе и воде неспороносная бактерия Bacterium prodigiosum, по наименованию вида бактерии пигмент получил название продигиозин. Он окрашивает колонии в ярко-красный цвет.

Желтые пигменты встречаются в культурах стафилококков, микрококков, сарцин, микобактерии.

Синие пигменты выделяются синегнойной палочкой — Bact. pyocyaneum (пигмент называется пиоцианин), микробами синего молока — Bact. syncyaneum (синцианин), а также актиномицетами вида Act. violaceus, один из пигментов которых назван мицетином. Фиолетовые пигменты характерны для некоторых бактерий и актиномицетов фиолетовой группы.

Черные и коричневые пигменты встречаются в культурах некоторых почвенных бактерий, например азотобактера — микроорганизма, способного фиксировать азот атмосферы и тем самым обогащать почву азотом. Группа бурых актиномицетов образует бурые пигменты меланоидного характера. Черные пигменты чаще встречаются в культурах грибов.

Одни из пигментов локализуются в цитоплазме микробов, другие — только в оболочке, а третьи — выделяются микроорганизмами во внешнюю среду.

Количество пигментов, синтезируемых микробами, может быть различно: одни микробы выделяют только один пигмент, другие — несколько, что придает различные оттенки тем или иным культурам бактерий.

Яркость микробных пигментов и их образование тесно связаны с условиями питания и культивирования микробов. Как правило, условия, способствующие хорошему росту микробов, стимулируют и образование ими пигментов.

Химическая природа пигментов очень разнообразна. Функции пигментов различны.

Некоторые из пигментов обладают антибиотическим действием и фактически являются антибиотиками, например мицетин из культуры актиномицета Act. violaceus., нигрозин из Bact. niger, пиоцианин из Bact. pyocyaneum, продигиозин из Bact. prodigiosum и др. Такие пигменты, как каротиноиды, играют роль в окислительных процессах в клетке, некоторые являются стимуляторами. Одним из актиномицетов выделяется пигмент — витамицин, который стимулирует рост животных.

Особое значение среди пигментов микробов имеют каротиноидные пигменты, к которым принадлежат пигменты микроорганизмов, имеющие красно-розовую, красно-оранжевую и желтую окраску.

Способность синтезировать каротиноиды свойственна широкому кругу микроорганизмов: бактериям, актиномицетам, дрожжам, грибам.

Каротиноиды представляют собой обширную группу соединений, молекула которых состоит из циклического кольца (или колец) и длинной углеводородной цепочки с непредельными связями. Такая структура молекулы дает возможность образования множества стереоизомеров, т. е. аналогичных по химическому составу соединений, но различающихся по расположению в пространстве тех или иных радикалов. Биологически наиболее активен β-каротин. β-каротин и каротиноиды используют как добавки в корма животным, а также в некоторые пищевые продукты для обогащения их ценными соединениями, из которых образуются витамины.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом микробного синтеза производят витамин B₁₂, витамин B₂ и его коферментную форму — флавинадениндинуклеотид (ФАД), каротиноиды, эргостерин. Кроме того, развивается производство разных др. соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин B₁₂ получают практически только путём М. с. Основными продуцентами при этом служат пропионовокислые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетонобутиловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента). Многие микроорганизмы способны к сверхсинтезу витамина B₂ с активным выделением его в среду.

Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в народном хозяйстве, особенно в пищевой промышленности. Продуцентами ферментов — протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, каталазы — служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значительными технологическими трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в промышленности используют комплексные препараты, содержащие, например, протеазы и липазы, протеазы и амилазы.

  Аминокислоты. Наблюдаемый во многих странах недостаток ряда аминокислот в рационах человека и кормах животных вызвал промышленное их получение, в том числе и методом М. с. Существенное преимущество М. с. аминокислот перед химическим методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот, вырабатываемых М. с., наиболее важны лизин и глутаминовая кислота. Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для производства используются преимущественно мутанты-ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением её в среду.

Микроорганизмы могут синтезировать гликозиды, алкалоиды, эфирные масла; аминокислоты и белки; регуляторы роста растений, нуклеотиды

К числу продуктов М. с. следует отнести и некоторые средства защиты растений: бактериальные энтомопатогенные препараты (например, энтобактерин, инсектин, дендробациллин), вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение. Указанное действие вызывают своеобразные «белковые кристаллы» — носители токсичности, расположенные в микробных клетках.

Методом М. с. получают также многие бактериальные удобрения.

К частному случаю М. с. относится микробиологическая трансформация органических соединений. За счёт высокой активности специфических энзиматических систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органического соединения, не меняя его основной структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определённых положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидроксилирования, в результате чего меняется физиологическая активность исходного стероидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов — носителей специфических ферментных систем — метод микробиологической трансформации получает всё большее распространение.