Криобиологические сосуды > Химия и биотехнология > Производство аминокислот при помощи бактерий и их мутантов

Производство аминокислот при помощи бактерий и их мутантов


Все аминокислоты, из которых состоят белки, являются-L-a-амино- (или имино-) кислотами. Они находят применение-как пищевые добавки, приправы, усилители вкуса, как сырье в парфюмерной и фармацевтической промышленности и при про­изводстве других веществ. Их можно получать как из природ­ных продуктов (главным образом при гидролизе белков рас­тений), так и путем химического, микробиологического или ферментативного синтеза. Если химический синтез дает продукт-рацемат, который требует дальнейшей обработки, то последние два метода позволяют получить оптические чистые аминокислоты.
Секретом большинства производственных процессов с уча­стием микроорганизмов, о которых говорится в этой главе, яв­ляется изменение условий среды: именно за счет этого достига­ется синтез избыточных количеств желаемого продукта. Необ­ходимого дисбаланса метаболизма можно добиться путем эмпирического изменения таких факторов, как концентрация субстрата, рН, концентрация продукта, или же путем установ­ления критических уровней содержания других веществ (ионов металлов, органических добавок) в среде. При переводе биоло­гических процессов образования аминокислот на коммерческую основу были выработаны новые способы желаемых изменений метаболизма у организмов-продуцентов, направленных на уве­личение выхода промежуточных продуктов, образование кото­рых в иных условиях находится под строгим метаболическим контролем.
Для производства аминокислот бактерии стали использо­ваться с начала 50-х годов. Штаммы их постоянно улучшали генетическими методами, выделяя ауксотрофные мутанты и му­танты с измененными регуляторными свойствами. Чтобы обес­печить образование аминокислот в больших количествах, в лю­бом случае необходимо изменить систему регуляции обмена. Для этого можно либо стимулировать потребление субстрата в некоторых путях биосинтеза и выделение аминокислот в среду, либо подавить побочные реакции и процессы деградации амино­кислот.
Производство таких аминокислот, как L-глутамат, L-валин, DL-аланин, L-глутамин и L-пролин, при участии диких штам­мов бактерий основано либо на использовании присущих этим бактериям особенностей метаболизма, либо на стимуляции об­разования аминокислот в ответ на изменение условий внешней среды. Образовывать аминокислоты способны бактерии многих родов   (например, Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Aerobacter, Microbacterium, Escherichia), причем они настолько продуктивны, что производство становится рентабельным. Так, виды Corynebacterium или Brevibacterium, выращиваемые на углеводном сырье (гидролизат крахмала, мелассы из сахарного тростника и свеклы), на этаноле или ацетате при наличии до­статочного количества биотина в среде способны синтезировать до 30 г/л глутамата. Для накопления этой аминокислоты важ­ным условием является полное или частичное подавление ак­тивности а-кетоглутаратдегидрогеназы. Образование продукта увеличивается при добавлении р-лактамных антибиотиков (пе­нициллина, цефалоспорина С), поверхностно-активных веществ и жирных кислот. Влияние двух последних агентов обусловлено увеличением проницаемости клеточных мембран для глутамата, которая зависит от внутриклеточной концентрации жирных кис­лот и липидов. Путем изменения условий среды процесс фер­ментации, в ходе которого образуется L-глутамат, может быть переключен на синтез L-глутамина или L-пролина. При высокой концентрации биотина и ионов аммония создаются благоприят­ные условия для образования L-пролина, а при больших кон­центрациях аммония и ионов цинка в слабо кислой среде уси­ливается синтез L-глутамина. DL-аланин, видимо, образуется в реакции трансаминирования при участии пирувата; затем он подвергается рацемизации ферментом аланинрацемазой.