Методы микробиологической химии

Методы микробиологической химии

Современная методология микробиологической трансформации позволяет использовать для осуществления того или иного химического превращения любой микроорганизм. В исследовательской и производственной практике набор микробных культур, используемых для трансформационных реакций, намного меньше, чем полный список всех известных микроорганизмов. В первую очередь находят применение в качестве культур-трансформаторов сапрофитные организмы, способные развиваться на сравнительно простых средах, гетеротрофы, отличающиеся интенсивным обменом веществ.

Существуют, наконец, «звезды» микробиологической трансформации - отдельные виды или даже штаммы, известные своей способностью проводить разнообразные превращения. В настоящее время такими «звёздами» являются следующие штаммы микроорганизмов-нефтедеструкторов: Pseudomonas sp. 22 , Rhodococcus erythropolis 21, Microbacterium tefaciens 6, Pseudomonas sp. 9, Bacillus sp. 282, Arthrobacter sp. 283, штаммы дрожжей NF 4-2 и NF 5-1, Y. lipolytica NF5-1, Pseudomonas sp. KL-1, Rhodococcus erythropolis BKM AC–1339Д, Pseudomonas sp. 142NF (pNF142), Rhodococcus sp. S67, Rhodococcus erythropolis AC-1339 Д, Bacillus subtilis ВКМ 1742 Д, Fusarium species №56, Pseudomonas aureofaciens 1393, Rhodococcus erythropolis Sh5, Microbacterium liquefaciens AshlO, Pseudomonas putida Sh-1, Pseudomonas sp. Ash-10, Rhodococcus sp. Sh-5 и Pseudomonas sp. KL-1.

В настоящее время существуют следующие методы использования энзиматической активности отдельных участков метаболической системы микробной клетки для осуществления химических превращений экзогенных веществ:

1. Использование ферментативных  свойств нормально развивающихся  культур:

а) Трансформация растущей культурой в периодических условиях.

б) Использование ферментативной активности определенных фаз развития:

- трансформация суспензиями  неразмножающихся клеток;

- трансформация спорами;

- непрерывные методы.

2. Методы, основанные на  дезорганизации обменных процессов  клетки:

а) применение в различной степени поврежденных и дезинтегрированных клеток;

б) ингибирование определенных участков метаболических путей;

в) применение мутантов с блокированным синтезом определенных ферментов.

3. Использование ферментных  препаратов, иммобилизованных ферритов  и клеток.

4. Политрансформация.

5. Соокисление и кометаболизм

Практически реализуемые методы обычно представляют собой результат комплексного применения нескольких подходов.

Трансформация растущей культурой

Наиболее прост метод проведения трансформационных реакций, когда трансформируемый субстрат вносится в культуру, растущую на какой-либо полноценной питательной среде. Большая часть микробиологических превращений стероидов осуществляется этим методом. Обычно трансформирующая культура выращивается на оптимальной питательной среде, трансформируемое вещество вводится или в начале процесса, или по ходу развития культуры. Продукт реакции экстрагируется в момент, когда его концентрация в культуральной жидкости достигает наибольшего значения.

В преобладающем большинстве случаев трансформационная активность микроорганизмов существенно меняется в процессе роста культуры, а максимальная скорость образования продукта проявляется клетками лишь в определенном физиологическом возрасте, в определенной фазе развития. Известно, что важнейшей характеристикой ферментационного процесса является соотношение между ростом клеточного вещества и образованием продуктов. Разные ферментации заметно различаются по этому признаку. Наиболее естественной классификацией ферментационных процессов является схема, разработанная Гейденом. Основные принципы этой схемы могут быть положены и в основу классификации физиологических типов трансформационных процессов.

Трансформации I типа характеризуются тесной связью между- ростом и накоплением продукта, так что второй тип процессов является непосредственным результатом превращения источника углерода в энергетическом обмене. К процессам этого типа относятся трансформации, представляющие собой накопление промежуточных продуктов катаболизма, например неассимилируемых фрагментов молекул ростового субстрата. Типичными примерами могут служить окисление нафталина с образованием салициловой кислоты, алкилбензолов с длинными алифатическими заместителям в ароматические кислоты и т.п. В этих процессах ростовой субстрат является и трансформируемым веществом. Отличительная черта этих трансформаций - совпадение максимумов скоростей ростового и трансформационного процессов. Поэтому воздействия, регулирующие рост, соответственно, влияют на накопление продукта трансформации.

Сложнее для изучения и регулирования процессы, где ростовой трансформируемый субстраты различны. У трансформаций II типа максимумы скоростей ростового и трансформационного процессов несколько сдвинуты. Типичен случай, когда наибольшая трансформационная активность приходится на фазу замедления роста (следующую за экспоненциальной). Биомасса в это время нарастает линейно.

Трансформация III типа отличается четко выраженной двухфазностью. Трансформационный процесс является в данном случае типичным вторичным процессом, его максимальная удельная скорость соответствует стационарной фазе роста культуры. В некоторых случаях трансформация начинается лишь по окончании роста. Так идет окисление цис-пропенилфосфоновой кислоты в фосфомицин культурой Penicillium spinulosum.

Изучение корреляции между ростовым и трансформационным процессами служит непременным условием для успешного регулирования оптимизации трансформации. Установив фазу развития, в которой культура проявляет наибольшую трансформирующую активность, исследователи пытаются использовать для проведения реакции клетки, тем или иным путем стабилизированные именно в этом состоянии. Существуют, по крайней мере, два подхода, позволяющие это сделать - использование суспензий неразмножающихся клеток и стабилизация физиологического состояния культуры с помощью методов непрерывного культивирования.

Трансформация суспензиями неразмножающихся клеток

Этот метод широко распространен в микробиологической практике особенно в области трансформации стероидов. Он может быть использован сравнительно легко в тех случаях, когда трансформации осуществляются 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.

Метод трансформации суспензиями неразмножающихся клеток позволяет использовать культуру определенного физиологического состояния, которое соответствует строго определенному возрасту. Так, в гидроксилирование кортексолоны с помощью культуры Ticghemella Hi 333 наиболее интенсивно осуществляется 19-часовым мицелием. Суспензии отмытых клеток используются также для трансформации кортексолонов в гидрокортизон и ацетат кортизона, дезацетилирования ацетата кортизона (Mycobac-album 726) и ряда других превращений.

Трансформации, осуществляемые спорами грибов и актиномицетов

Трансформации, осуществляемые спорами, заслуживают специального внимания. Они обладают рядом удобств как технологические процессы. Неожиданно высокая энзиматическая активность, которую демонстрируют споры, осуществляющие трансформации органических веществ, еще раз напоминают, насколько условны многие схемы, воспринимаемые как не подлежащие сомнению.

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.

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

Непрерывные методы микробиологической трансформации органических соединений

Процессы получения продуктов, непосредственно связанные с ростом микроорганизмов в условиях непрерывного культивирования, осуществляются сравнительно 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 используется 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.

Используют для биодеструкции углеводородов нефти такие микроорганизмы как Rhodococcus, Candida, Pseudomonas, Bacillus, Fusarium, Nocardia и другие.

Соокисление и кометаболизм

Термин «соокисление» возник в мировой литературе в конце 1950-х годов. Он впервые был упомянут в работах по окислению углеводородов микроорганизмами Pseudomonas methanica. Эта культура использует в качестве источника углерода и энергии метан, но не способна расти за счет его гомологов, тем не менее окисляет этан, пропан и бутан в процессе роста за счет метана или будучи выращенной на метане. Это явление и было названо «соокисление».

В 1960-х годах был предложен более общий термин «кометаболизм». Строгое определение понятия «кометаболизм» отсутствует, и разные авторы толкуют его весьма произвольно.

Некоторые исследователи – специалисты в области почвенной микробиологии – называют кометаболизмом процессы трансформации органических соединений (в частности, пестицидов), осуществляемые микроорганизмами, растущими или выращенными на субстратах, индуцирующих синтез трансформирующей ферментной системы.

Большинство специалистов-микробиологов определяют кометаболизм как ферментативные процессы, которые осуществляются микроорганизмами лишь сопряженно с использованием ростовых субстратов. Другими словами, этот феномен характеризуется тем, что трансформационная реакция проявляется лишь в присутствии ростового субстрата определенной структуры и при условии его использования. Тесная взаимосвязь между ростовыми и трансформационными процессами, зависимость трансформационного процесса от природы ростового субстрата и являются характерными и отличительными чертами кометаболизма.

Взаимосвязь между окислением ростового субстрата и превращением трансформируемого вещества может быть очень тесной. Например, культура Nocardia corallina 1А окисляет 3-метилпиридин, п-ксилол и ряд других структурно близких соединений в циклические кислоты только при наличии в среде ростового субстрата. Отмытые клетки этой культуры в буферном растворе названные соединения не окисляют. Трансформация начинается только после внесения ростового субстрата в систему. Наиболее интенсивно окисляется 3-метилпиридин культурой, растущей на полноценной питательной среде.

Ярким примером полифункциональности, которая реализуется в условиях кометаболизма, могут быть реакции культуры Nocardia corallina 1А. Этот организм окисляет метилы у таких соединений, как м- и п-ксилолы, 3-метилпиридин, м- и п-нитротолуолы; при этом накапливаются соответствующие циклические кислоты. При появлении аминогруппы в молекуле трансформируемого субстрата культура в тех же условиях осуществляет ее ацелирование, не действуя на метил. У хлортолуолов элиминируется хлор и расщепляется кольцо, крезолы расщепляются без окисления метила и т.д.

Представители родов Arthrobacter, Brevibacterium, Cellumonas, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia способны осуществлять различные окислительные превращения бензола и п-ксилола в соокислительных условиях, т.е. в процессе роста на н-парафинах или на глюкозе

Интересным примером процессов кометаболизма является превращение алкалоида бревикарина в бревиколлин грибными культурами Penicillium sp. и Rhizopus sp., которое заключается в циклизации алифатического радикала. В таблице 1 основные типы процессов, осуществляемых микроорганизмами в условиях кометаболизма.