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
Мутанты с модифицированными системами регуляции

Более выгодные с точки зрения их промышленного применения штаммы микроорганизмов получали также, модифицируя системы регуляции на уровне ферментов и (или) генов с помощью иных генетических трансформаций и селекции. Мутанты такого типа можно использовать для повышения выходов продуктов метаболизма и ферментов.

РИС. 6.20. В нормальной клетке АМР и GMP ингибируют последовательность реакций биосинтеза нуклеотидов по принципу обратной связи на нескольких стадиях (а). В мутанте, не способном синтезировать АМР и GMP, концентрацию этих веществ при соответствующем составе среды можно поддерживать на достаточно низком уровне, обеспечивая таким путем повышение выхода инозина и гипоксантина (б). (Аиба Ш., Хемфри А., Миллис Н., Биохимическая технология и аппаратура. — М.: Пищевая промышленность, 1975.)

Чтобы добиться перепроизводства метаболита, обладающего ингибиторными и (или) репрессорными свойствами в своем пути биосинтеза, необходимо искать мутантные организмы, аллостерические ферменты и опероны которых нечувствительны к присутствию метаболита. Часто такие мутанты удается, выделить с помощью антиметаболитов — токсичных аналогов изучаемых метаболитов. В содержащей антиметаболит среде нормальные клетки не растут, поскольку антиметаболит подавляет или ингибирует биосинтез необходимого метаболита, не будучи способным выполнять функции несинтезирующегося метаболита или заменять его в последующих путях метаболизма. Напротив, картина биосинтеза и скорости реакции у штаммов с нарушенной системой регуляции по принципу обратной связи в присутствии антиметаболита не изменяются, поэтому такие штаммы нормально развиваются и в среде, содержащей антиметаболит. В табл. 6.6 перечислены некоторые продукты жизнедеятельности микроорганизмов, выходы которых можно повысить таким путем.

Таблица 6.6. Продукты метаболизма и соответствующие антиметаболиты, применение которых в селекции микроорганизмов позволяет выделить более продуктивные мутанты^а

^а Demain A. L., Overproduction of Microbiai Metabolites due to Alteration in Regulation, in Advances in Biochemical Engineering, vol. !. Ghose T. K., Fiechter A. (eds.), p. 113, Springer-Verlag, New York, 1971.

Устойчивость к антиметаболитам часто обусловлена различными изменениями в системах регуляции, например частичным или полным восстановлением активности ферментов, каталитические свойства которых в нормальном пути биосинтеза подавляются. В частности, с помощью антиметаболитов можно также вести поиск мутантов с необычно высокими концентрациями биосинтезирующих ферментов. Подобный подход, например, может оказаться целесообразным при разработке процессов производства ферментов, используемых затем в других биосинтетических процессах in vitro.

Для конститутивных мутантов характерно то, что биосинтез индуцибельных или репрессибельных ферментов не зависит от наличия или отсутствия индуктора или репрессора. Путем использования конститутивных мутантов можно повысить выходы следующих ферментов: ß-галактозидазы, каталазы, фосфатаз, протеаз, гомосериндегидрогеназы, инвертазы, гистидазы, пенидиллиназы и амидазы.

В приведенном выше обсуждении мы уделяли основное внимание различным подходам к повышению выхода интересующих нас веществ. Те же самые молекулярно-биологические подходы могут служить основой для поиска путей биосинтеза производных нормальных метаболитов, а также совершенно новых веществ, которые, возможно, найдут применение в фармакологии и в других областях. Эта тема вкратце рассмотрена в обзорах [4—6]. Примером практически важного процесса может служить биосинтез тетрациклинового антибиотика 6-деметилтетрациклина мутантным штаммом Streptomyces aureofaciens. 6-Деметилтетрациклин более устойчив в кислых средах, чем обычный тетрациклин, и поэтому является одним из основных антибиотиков тетрациклиновой группы, производящихся в промышленном масштабе.