Микробиологический синтез, промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, дрожжей кормовых), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Иногда к микробиологический синтез относят также промышленные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток (см. Инженерная энзимология).
Некоторые продукты микробиологического синтеза, например пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение микробиологический синтез началось в 40-50-х гг. 20 в. в связи с освоением производства пенициллина. К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства - микробиологической промышленности.
В микробиологическом синтезе сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения. в результате которого также образуются различные продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, органические кислоты и др.), но преимущественно в результате ферментативного распада органическиех веществ.
Микробиологический синтез использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к "сверхсинтезу" - избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из природных источников или получают их мутантные штаммы (напр., мутантные штаммы плесневых грибов продуцируют пенициллин в 100-150 раз быстрее, чем природные). В качестве продуцентов находят применение культуры, полученные методами генетической инженерии, в которых функционирует чужеродный для них ген. например: в бактерии кишечной палочки (Escherichia соli)-ген гормона роста человека.
Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (напр., углеводы. орг. кислоты, спирты. жиры. углеводороды. в т.ч. газообразные). Микробиологический синтез включает ряд последовательных стадий. Главные из них-подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента, выращивание продуцента, культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто наз. ферментацией), фильтрация и отделение биомассы, выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо), сушка.
Ферментацию проводят в специальных реакторах (ферментерах), снабженных устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха. Управление процессом может осуществляться с помощью ЭВМ. Наиболее удобно ферментацию осуществлять непрерывным способом - при постоянной подаче питательной среды и выводе продуктов микробиологического синтеза. Так производят, например, кормовые дрожжи. Однако большинство метаболитов получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса.
Для выделения и очистки веществ, получаемых с использованием микробиологического синтеза, используют экстракцию из водной фазы органическими растворителями при различных значениях рН, хроматографические методы (в том числе ионообменную хроматографию), кристаллизацию, осаждение. При выделении продуктов белковой природы (ферменты, токсины) предварительно осаждают белкисульфатом аммония или орг. растворителями. Многие операции по выделению проводят на холоду вследствие нестабильности некоторых продуктов обмена веществ.
Ниже приведены наиболее важные продукты микробиологический синтез
А н т и б и о т и к и. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, некоторые грибы и бактерии (главным образом их мутантные формы). Антибиотики, употребляемые преимущественно в медицине, подвергаются высокой степени очистки. Антибиотики для лечения сельскохозяйственных животных имеют специфическую активность относительно наиболее распространенных для них заболеваний, например гельминтозов, кокцидиозов и др. Для добавки в корма обычно выпускают концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащей значительное количество других продуктов обмена веществ продуцента, в т.ч. витамины, аминокислоты. нуклеотиды и др.
А м и н о к и с л о т ы. Существенное преимущество микробиологического синтеза аминокислот - возможность их получения в виде природных изомеров (L-форм). Продуцентами аминокислот служат главным образом мутанты, лишенные ряда ферментных систем, благодаря чему происходит сверхсинтез необходимого продукта. Обычно используют бактерии, относящиеся к роду Brevibacterium. Наибольший удельный вес среди аминокислот, вырабатываемых мировой промышленностью, занимают лизин и глутаминовая кислота. Получены мутанты микроорганизмов, способные к сверхсинтезу всех кодируемых аминокислот.
Н у к л е о з и д ф о с ф а т ы. Развитие микробиологический синтез нуклеотидов (инозиновой, гуаниловой и др. кислот) связано с перспективами получения искусственной пищи, где их используют в качестве вкусовых добавок. При введении в состав среды для культивирования микроорганизмов метаболических предшественников продуктов синтеза можно получать практически все известные нуклеозидфосфаты, в т.ч. АТФ. Накопление нуклеозидфосфатов происходит преим. вне клеток микроорганизмов.
В и т а м и н ы, п р о в и т а м и н ы, к о ф е р м е н т ы. Методом микробиологический синтез производят в основном витамин В12 и его коферментную форму. Продуцентами в этом процессе служат пропионовокислые бактерии. Для получения кормовых концентратов, содержащих витамин В12, на отходах бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) применяют комплекс метанообразующих бактерий. Разработаны способы получения витамина В2, р-каротина и дрожжей, обогащенных эргостеринами. При использовании соответствующих метаболических предшественников возможен также микробиологический синтез никотинамидных коферментов. например никотинамидадениндинуклеотида.
А л к а л о и д ы. Грибы рода спорыньи (Claviceps)-продуценты эргоалкалоидов. в основе строения молекул которых лежит гетероцикл эрголин. Некоторые из этих алкалоидов (напр., эргометрин и эрготамин) используют как маточные средства. Описаны также многочисленные продуценты других алкалоидов.
Г и б б е р е л л и н ы. Их микробиологический синтез осуществляют при культивировании грибов, относящихся к классу аскомицетов (As-comycetes), например Gibberella fujikuroi. Выделяют гиббереллины из фильтрата культуральной жидкости. По химической природе все они являются теграциклическими карбоновыми кислотами, относящимися к дитерпенам.
Ф е р м е н т ы. Продуцентами ферментов служат многочисленные представители микроскопических грибов, некоторые актиномицеты и др. бактерии. Технология получения ферментных препаратов упрощается, если фермент продуцируется в питательную среду. При выделении внутриклеточных ферментов необходимо предварительно разрушить клетки микроорганизмов. Для исследовательских работ, аналитических целей и т. п. обычно получают ферменты в виде гомогенных (индивидуальных) белков. При промышленной переработке сельскохозяйственного сырья в пищевой промышленности иногда применяют комплексные ферментные препараты. Так, при переработке раститительного сырья ферментный комплекс должен содержать целлюлазы, гемицеллюлазы, пектиназы, протеазы и некоторые другие ферменты. Один из важнейших ферментов, получаемый с помощью микробиологического синтеза - глюкоизомераза, катализирующая изомеризацию глюкозы во фруктозу. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп используют в пищевой промышленности вместо сахарозы.
Б е л к о в о-в и т а м и н н ы е п р е п а р а т ы. Особое внимание как источник белка привлекает микробная биомасса.
Производство такой биомассы на дешевом сырье рассматривают как одно из ср-в устранения растущего белкового дефицита в питании животных. Наиболее интенсивное развитие получили промышленные методы микробиологический синтез кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Для выращивания кормовых дрожжей используют углеводороды. гидролизаты различных отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительных материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т. д. Дрожжи, которые используют для получения белково-витаминных препаратов из углеводородов, обладают специфические ферментными системами, позволяющими осуществлять акт первичного окисления углеводородов и затем ассимилировать их, накапливая значительную биомассу. Кроме жидких углеводородов в качестве ассимилируемых компонентов среды могут быть использованы газы (напр., метан), пропускаемые в среду, содержащую минеральные компоненты, в которой происходит размножение клеток метанокисляющих микроорганизмов. Для получения кормовых микробных препаратов в качестве компонентов среды могут быть также использованы этанол, метанол, уксусная кислота. Культивирование дрожжей на углеводородах требует высокой культуры производства. В частности, необходима надежная герметизация аппаратуры, исключающая вынос микробных клеток в окружающую среду.
К числу продуктов микробиологический синтез относятся также некоторые средства защиты растений, например бактериальные энтомопатогенные препараты, вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение, и мн. бактериальные удобрения.
Частный случай микробиологический синтез-микробиологической трансформация органических соединений. Она осуществляется благодаря высокой активности специфических ферментных систем микроорганизмов, которые катализируют превращения вещества без изменения его основной структуры. Наиболее изучена трансформация стероидных соединений, например их дегидрирование, деацетилирование и гидроксилирование в строго определенных положениях. Благодаря широкой возможности подбора микроорганизмов (носителей специфических ферментных систем) метод микробиологической трансформации получает все большее распространение.
Лит.: Безбородое А. М., Биохимические основы микробиологического синтеза, М., 1984; Промышленная микробиология и успехи ген.тической инженерии, под ред. Г.К. Скрябина, М., 1984. A.M. Безбородое.
