МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счёт присущих микробной клетке ферментных систем. При М. с., как и любом органич. синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. М. с. следует отличать от брожения, в результате к-рого тоже получаются различные продукты микробного обмена (напр., спирты, органич. к-ты), но преим. за счёт распада органич. вещества. Значит, часть продуктов, образующихся в ходе М. с., обладает физиологич. активностью и представляет практич. ценность для нар. х-ва.

К. М. с. относят широкий круг процессов. 1. Накопление микробной массы для использования её: а) в качестве бел-ково-витаминных добавок к кормам; б) как источника получения белков, липи-дов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков; в) для борьбы с паразитами животных и растений; г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологич. (энзима-тич.) трансформации органич. соединений. 2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в т. ч. ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклео-тидов и т. п.

М. с. осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (напр., коферментом А) и участии нуклеотидфосфатов, чаще всего адениловых производных (см. Адено-зинфосфорные кислоты). Затем мн. метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов - их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию нек-рых продуктов обмена веществ (мн. аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая к-та при сверхсинтезе может накапливаться в количестве св. 10 мг!мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин В₂-до 1-2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, к-рыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при произ-ве соответств. метаболитов путём М. с. При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусств, путём мутанты -штаммы, у к-рых сверхсинтез - следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов. Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Напр., выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой к-ты, нек-рых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100-150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина; мутантные штаммы используются при. произ-ве как этого, так и др. антибиотиков.

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 к-т и др. метаболитов клетки могут использовать в зависимости от особенностей культуры разные неорганич. источники азота, а из соединений углерода - различные углеводы органич. к-ты (в т. ч. уксусную к-ту) жидкие, твёрдые или газообразные углеводороды и др. Определённые виды способные к хемосинтезу или фотосинтезу, в качестве источника углерода могут усваивать углекислый газ. т.. о. подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём М. с. же лаемые вещества из дешёвого и доступ ного сырья. Эти особенности делают М. с. весьма эффективным способом произ-ва мн. соединений; часть из них (напр., мн. антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.

Нек-рые продукты М. с. давно использовались человеком (напр., пекарские дрожжи), но широкое пром. применение М. с. получил начиная с 40-50-х гг. 20 в. Прогресс в этой области связан прежде всего с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологич. активностью. Освоение в пром. масштабах произ-ва пенициллина привело к решению мн. микробиологич., технологич. и инж. задач. Это, наряду с расширением произ-ва дрожжей как белково-витаминных добавок к кормам, послужило основой для развития пром. М. с. Так, в частности, были созданы специальные аппараты - фер-ментёры, с помощью которых можно вести технологич. процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабжённые устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.

Технологически совр. процесс М. с. состоит из ряда последоват. этапов (операций). Главные из них: подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента; подготовка питат. среды; выращивание посевного материала; культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе к-рого и осуществляется М.с., часто называемый ферментацией (напр., 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. технологич. операций, определяются химич. природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографич. методы, кристаллизацию, осаждение и др. Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный -с непрерывными подачей питат. среды и выводом продуктов М. с. Так производят, напр., микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов М. с., и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодич. способом - с выводом продукта в конце процесса. В нек-рых случаях (напр., при произ-ве ряда ферментов) продуценты выращивают не в фер-ментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питат. среды -т. н. поверхностным способом. Для произ-ва разнообразных продуктов М. с. в СССР создана микробиологическая промышленность, уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов. Работы в области М. с.

проводятся почти во всех промышленно развитых странах. Во многих из них продукты М. с. являются важной составляющей экономики страны, напр, производство ферментов и аминокислот -в Японии, лекарственных препаратов -в Венгрии.

Антибиотики - один из первых продуктов М. с., к-рые широко производят для медицины и с. х-ва. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты, нек-рые грибы и бактерии, гл. обр. их мутантные формы. Антибиотич. препараты, употребляемые преим. в медицине, отличаются высокой степенью чистоты. На корм животным чаще идёт концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащий значительное количество др. продуктов обмена веществ продуцента, в т. ч. витамины, аминокислоты, нуклеотиды и т. п. Нек-рые антибиотики (фитобак-териомицин, трихотецин, полимиксин) используются как средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом М. с. производят в основном витамин В₁₂, а частично и витамин В₂ и его коферментную форму - флавин-адениндинуклеотид (ФАД), каротинои-ды, эргостерин. Кроме того, развивается произ-во разных др. соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин Bi₂ получают практически только путём М. с. Осн. продуцентами при этом служат пропионовокис-лые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной пром-сти (послеспиртовые, ацетоно-бути-ловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента). Мн. микроорганизмы способны к сверхсинтезу витамина В₂ с активным выделением его в среду, но в качестве пром. продуцентов употребляют наиболее активные культуры, гл. обр. грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii. Помимо свободного витамина, при помощи Е. ashbyii получают также ФАД. [3-каротин-провитамин витамина А, получаемый также др. способами (извлечение из моркови и др. объектов, хи-мич. синтез), образуется наряду с др. каротиноидами мн. микроорганизмами и содержится в клетках, придавая биомассе характерную окраску от жёлтой до красных тонов; однако наибольший практич. интерес представляет культура Blakeslea trispora - самый активный синтетик, к-рым и пользуются в основном в качестве продуцента при пром. биосинтезе. Эргостерин - провитамин витамина D₂ - содержится в клетках мн. дрожжей; осн. источником его пром. получения служат пекарские дрожжи. Однако уже имеются дрожжевые культуры со значительно более высоким уровнем накопления эргостерина. Комплекс витаминов и коферментов синтезируется, кроме того, в процессе развития дрожжей и накапливается в дрожжевой биомассе, которая привлекает всё более пристальное внимание как источник этих соединений.

Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в нар. х-ве, особенно в пищ. пром-сти. Продуцентами ферментов -протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, ка-талазы - служат мн. мицелиальные грибы, нек-рые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значит, техноло-гич. трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в пром-сти используют комплексные препараты, содержащие, напр., протеазы и липазы, протеазы и амилазы.

Аминокислоты. Наблюдаемый во мн. странах недостаток ряда аминокислот в рационах человека и кормах животных вызвал промышленное их получение, в т. ч. и методом М. с. Существ, преимущество М. с. аминокислот перед хим. методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот, вырабатываемых М. с., наиболее важны лизин и глутамииовая кислота. Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для произ-ва используются преим. мутанты -ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением её в среду.

Нуклеотиды. Широкое развитие М. с. нуклеотидов, в частности инозиновой, гуаниловой и др. к-т, получил в Японии, где они используются гл. обр. как добавки к специфич. продуктам восточной кухни. В будущем нуклеотиды приобретут, вероятно, более важное значение в качестве регуляторов мн. энзиматич. и гормональных процессов в животном организме. Накопление нуклеотидов происходит преим. в культуральной жидкости, т. е. вне клеток продуцентов. Для М. с. нуклеотидов, как и аминокислот, используются биохимич. мутанты с выраженным сверхсинтезом нужного соединения.

Белок и белково-витаминные препараты. Особое значение как источник белка имеет микробная биомасса. Производство такой биомассы на дешёвом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего белкового дефицита в питании человека и животных. Наиболее интенсивное развитие получили пром. методы М. с. так наз. кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Кормовые дрожжи содержат значит, количество белка (до 50-55%), в состав к-рого входят незаменимые аминокислоты, напр. лизин, триптофан, метионин,, они богаты витаминами, мн. микроэлементами. Для выращивания кормовых дрожжей использовали преим. дешёвое углеводное сырьё -гидролизаты отходов деревообр. пром-сти, непищевых растит, материалов, (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т. п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т. д. Ныне в крупных пром. масштабах организуется произ-во дрожжей на углеводородах (и-алканах, газойле, различных фракциях нефти). Большие запасы этого сырья позволяют планировать крупнотоннажное произ-во микробной биомассы. Для получения белково-витаминной биомассы изучается также возможность применения бактерий. Мн. бактерии хорошо растут на углеводородах, в частности газообразных (напр., на метане), а также на др. источниках углерода (напр., на метаноле и уксусной к-те). Углеводороды и их производные привлекают внимание и как сырьё для М. с. отд. физиологически активных соединений (аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т. д.).

К числу продуктов М. с. следует отнести и нек-рые средства защиты растений: бактериальные энтомопатогенные препараты (напр., энтобактерин, инсек-тин, 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 мн. бактериальные удобрения.

К частному случаю М. с. относится микробиологич. трансформация органич. соединений. За счёт высокой активности специфических энзиматич. систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органич. соединения, не меняя его осн. структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определённых положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидро-ксилирования, в результате чего меняется физиологич. активность исходного сте-роидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов - носителей специфических ферментных систем - метод микробиологич. трансформации получает всё большее распространение.

Лит.: Безбородое А. М., Биосинтез биологически активных веществ микроорганизмами, Л., 1969; Уэбб Ф., Биохимическая технология и микробиологический синтез, пер. с англ., М., 1969; А х р е м А. А., Титов Ю. А., Стероиды и микроорганизмы, М., 1970; "Журнал Всес. химического об-ва им. Д. И. Менделеева", 1972. т. 17, № 5 (номер посвящён промышленной микробиологии); "Прикладная биохимия и микробиология" (с 1965); "Journal of Fermentation Technology" (Tokyo, с 1970).

Г. К. Скрябин, А. М. Безбородое.