Биологическая трансформация органических соединений

 

3.2. Использование неразмножающихся клеток

Этот метод используется когда наибольшая активность трансформации  приходится на определенную фазу развития культуры или если трансформируемый субстрат полностью разлагается  микроорганизмом, и для получения  целевого продукта метаболизм необходимо остановить на определенной стадии.

Наиболее легко этот метод применим когда трансформация  осуществляется грибными культурами мицелий которых может быть без особых технологических затруднений отделен от среды выращивания в нужный момент и ресуспендирован в буферном растворе или даже водопроводной воде, где и осуществляется трансформационная реакция. Достоинство этого метода заключается и в том, что простая трансформационная среда облегчает выделение продукта в отличие от трансформаций, осуществляемых растущей культурой, где в качестве сред часто используют очень сложные по составу растворы, включающие, например, такие комплексные ингредиенты, как кукурузный экстракт.

 

3.3. Трансформация спорами

Трансформации, осуществляемые спорами, заслуживают специального внимания. Они обладают рядом удобств как технологические процессы:

• Процессы трансформации проходят в простых средах – дистиллированной или водопроводной воде, буферных растворах. Иногда требуется добавка небольших концентраций органических веществ.
• Споры обладают высокой энзиматической активностью даже после длительного хранения (до трех лет в состоянии заморозки). Если процессы трансформации идут в бедной среде, то споры могут быть отмыты и использованы еще 4-5 раз;
• Оптимум pH выражен менее четко, чем у вегетативных клеток, что позволяет применять условия, неблагоприятные для развития сторонних микроорганизмов при трансформации.

В конце 50-х годов было обнаружено, что давно известное  превращение жирных кислот в метилкетоны, осуществляемое некоторыми плесенями  в процессе созревания сыра «Рокфор», является функцией спор. Особенность этой трансформации заключается в том, что проросшие споры и мицелиальные клетки практически не обладают трансформирующей активностью. Отмытые споры (0 час) образуют кетон и поглощают кислород с максимальной интенсивностью. 16-часовая культура, у которой около половины спор проросло, продуцирует по сравнению с исходной суспензией спор меньше половины кетона и значительно меньше поглощает кислорода. Через 48 часов все споры прорастают, образование кетона и поглощение кислорода прекращаются.

Описанная трансформация – не уникальное свойство культуры Penicillium roqueforti. Она широко распространена среди грибов, представителей как рода Penicillium, так и других родов – Aspergillus, Curvularia, Paecilomyces, Scopulariopsis.

 

3.4. Применение дезинтегрированных клеток

Этот метод применяется  тогда, когда метаболит не накапливается  в процессе трансформации в нужной концентрации. Сущность этого метода – применение отдельных участков ферментных систем, вычленяемых путем различных «дезорганизаций» их нормального функционирования. Методы такой дезорганизации различны, от высушивания до глубокой дезинтеграции клеточных структур. Примером может служить превращение аденозинмонофосфата в аденозинтрифосфат ацетоновым порошком или механически растертыми клетками дрожжей.

 

 

3.5. Использование для трансформации выделенных из микроорганизмов ферментных препаратов, в т.ч. в иммобилизованной форме

Логически, это наиболее естественный способ использования  ферментов для трансформации органических соединений. Однако его применение возможно лишь тогда, когда ферментные препараты легки в получении, стабильны и не требуют кофакторов. Особенно большие перспективы в использовании этого метода раскрылись в связи с разработкой метода иммобилизации ферментов.

Преимущества использования  иммобилизованных ферментов следующие:

• Возможность неоднократного использования ферментов
• Остутствие необходимости очистки продукта от катализатора
• Стабильность при хранении и в процессе использования
• Возможность вести реакцию в более широком диапазоне физико-химических условий
• Экономическая перспективность

Примером использования  данного метода может служить  получение L-аспарагиновой кислоты из фумарата аммония с помощью иммобилизованной в полиакриламидный гель аспартазы E.coli.

 

3.6. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИ ПОМОЩИ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ КЛЕТОК МИКРООРГАНИЗМОВ

Этот метод был разработан в связи с необходимостью работы с ферментами, зависящими от кофакторов или несколькими ферментами как  альтернатива использованию иммобилизованных ферментов. Суть метода заключается в иммобилизации клеток заключением в полиакриламидный (ПААГ) или каррагенановый гель. Один из наиболее ярких примеров – превращение фумаровой кислоты в аспарагиновую методом заключения E. coli в полиакриламидный гель.

 

3.7. НЕПРЕРЫВНЫЕ МЕТОДЫ

Непрерывные методы используются для получения продуктов, непосредственно  связанных с ростом микроорганизмов  в условиях непрерывного культивирования. Такие методы осуществляются довольно легко. Некоторые из них – производство уксусной кислоты, этилового спирта – уже нашли применение в промышленности.

Основным достоинством непрерывного культивирования является возможность поддерживать микробную  культуру в течение длительного  времени в стабильном физиологическом  состоянии при постоянных условиях культивирования. Техника многостадийных систем позволяет стабилизировать культуры даже в состоянии, физиологически весьма далеком от фазы наиболее интенсивного (экспоненциального) роста, что необходимо в случае микробиологических процессов, не связанных с ростом.

Проточные системы интенсивно используются при трансформации соединений, не связанных непосредственно с ростом культур. Для реализации таких трансформаций первостепенное значение имеет правильное понимание соотношения процессов роста и превращения трансформационного субстрата, изучение оптимальных условий для той или иной фазы развития. Двухстадийный непрерывный процесс позволяет расчленить фазы развития культуры.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических.

Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий – производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. Теперь с использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов. Применение и совершенствование микробной технологии в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.

В отличие от процессов  биосинтеза и брожения, в которых  участвует большое количество ферментов, в микробиологической трансформации обычно работает один определенный фермент, катализирующий окисление, декарбоксилирование, метилирование или какую-либо другую реакцию.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бекер, М.Е. Введение в биотехнологию. Изд. «Звайгене», 1974. – 231с.
2. Промышленная микробиология. Под ред. Н.С.Егорова – М.:Высшая школа, 1989. – 688с.
3. R. Gopishetty, M., Louie T., Subramanian M. V. Microbial Transformations of Natural Products. // Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) – 2011. – P. 2-4.