Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Молекулярная генетика и системы регуляции
Применение результатов исследования генетики микроорганизмов и популяций мутантов в промышленности
Системы клеточной регуляции; влияние состава среды

Достижения молекулярной биологии и результаты изучения закономерностей систем регуляции клеточных процессов имеют важные практические приложения. Некоторые из этих приложений, связанные с возможностью определения положения нужного или вредного гена и с последующими попытками различными методами модифицировать этот ген, были рассмотрены в предыдущем разделе. Другой подход основан на индуцировании мутации в более продуктивный штамм; о результатах такого подхода мы уже упоминали в гл. 1 в связи с повышением выхода пенициллина за счет использования особых штаммов, полученных путем ряда последовательных мутаций. В заключительной части настоящего раздела мы рассмотрим ряд других микробиологических процессов, основанных главным образом на применении специально выведенных мутантных штаммов.

Часто повышенная продуктивность мутантного микроорганизма легко объясняется изменениями в основных системах регуляции клетки. Понимание механизмов, контролирующих биосинтез необходимого продукта метаболизма, важно еще и потому, что только на этой основе можно принять обоснованное решение об обеспечивающем максимальную продуктивность составе питательной среды и о способах ее контроля. Влияние среды на продуктивность клеток мы и рассмотрим в первую очередь.

Существуют два подхода к решению проблемы повышения продуктивности клеток путем изменения состава среды: во-первых, можно ввести в среду индуцирующие вещества и, во-вторых, попытаться снизить количество репрессора. На первый взгляд оба этих подхода довольно очевидны, однако их практическое использование может быть связано с рядом трудностей.

Чрезвычайно эффективными индукторами биосинтеза ферментов помимо самого субстрата могут быть не подвергающиеся метаболическим превращениям аналоги субстратов. Например, галактозиды, в частности изопропил-β-D-тиогалактозид, могут повышать удельную ß-галактозидазную активность Е. coli более чем в 1000 раз. Аналоги других субстратов эффективны в отношении соответствующих ферментов; так, N-ацетилацетамид повышает амидазную активность, метидиллин ускоряет биосинтез пенициллин-β-лактамазы, а малоновая кислота способствует повышению малеатизомеразной активности.

Известно, что во многих практически важных процессах биосинтез продукта метаболизма может тормозиться за счет катаболитной репрессии. Доступность быстро усваиваемого субстрата, например сравнительно концентрированных растворов глюкозы, стимулирует рост клеток, но в то же время тормозит синтез антибиотиков пенициллина, митомицина, бацитрацина и стрептомицина. Выход пенициллина значительно повышается в условиях искусственной диауксии (рис. 7.14), т. е. при добавлении к глюкозной питательной среде медленно метаболизирующегося сахара типа лактозы. В таких условиях биомасса растет на глюкозе, а синтез пенициллина осуществляется по мере усвоения лактозы. Тот же самый эффект может быть достигнут и другим путем, если глюкозу медленно добавлять к питательной среде.

В качестве других примеров репрессоров, концентрации которых легко регулируются путем изменения состава среды, можно привести неорганический фосфат, подавляющий синтез фосфатазы в Е. coli и нуклеазы в Aspergillus quernicus, а также аммиак, подавляющий биосинтез уреазы в Proteus retgeri. Например, путем снижения концентрации фосфатного иона в питательной среде можно повысить содержание щелочной фосфатазы в Е. coli от практически нулевого уровня до примерно 5% от массы всех белков клетки. Аналогично снижение концентрации аминокислот или сульфатного иона существенно ускоряет синтез протеаз бактериями или водорослями Aspergillus niger соответственно.

Труднее поддерживать низкую концентрацию репрессора, если последний синтезируется микроорганизмом. Один из возможных подходов к решению этой задачи сводится к модифицированию клеточной мембраны таким образом, чтобы репрессор легко диффундировал из клетки в среду. Такой подход используется, в частности, в очень эффективном производстве глутаминовой кислоты с участием Corynebacterium glutamicum, когда выделение глутаминовой кислоты в среду индуцируется снижением концентрации биотина. В присутствии избытка биотина концентрации других аминокислот внутри клетки достигают максимума. Хотя механизм этого эффекта не известен, некоторые экспериментальные факты свидетельствуют о том, что биотин влияет на фосфолипидные компоненты клеточной мембраны.

В следующем разделе мы рассмотрим другие методы борьбы с отрицательными эффектами репрессоров.