Биотрансформация органических соединений

Микробная трансформация — неполное превращение органи­ческих соединений ферментами микроорганизмов, сопровождаю­щееся накоплением в среде продуктов этого превращения.

Микробные трансформации осуществляются одним или несколькими ферментами и поэтому не приводят к значительным изменениям структуры субстрата. Микробная трансформация проявляется как в образовании соединений, которые далее не используются данным микроорганизмом, так и во временном на­коплении промежуточных продуктов в процессе использования различных органических соединений в качестве ростовых суб­стратов.

Примером первого типа процессов может служить окисление, п-ксилола в п-толуиловую кислоту, которая накапливается в сре­де и не метаболизируется некоторыми штаммами рода Nocardiaпри выращивании их в синтетической среде с глюкозой и п-ксилолом:

Примером второго типа процессов является временное накоп­ление глюконовой кислоты отдельными штаммами рода Pseudomonasв процессе роста на среде с глюкозой:

При этом глюконовая кислота после значительной аккумуля­ции в среде используется как источник углерода.

Микробная трансформация — естественное свойство микроорганиз-мов, широко распространенное в природе. Это свойство используется человеком в практической деятельности для полу­чения ценных продуктов. Таким образом, микробы могут выпол­нять роль химических реагентов в органической химии. Поэтому микробную трансформацию, когда она используется в этих це­лях, называют ферментативной, микробной или микробиологи­ческой химией. Действительно, цели и подходы микробной транс­формации близки целям и методам органической химии.

В микробной химии используются не только процессы транс­формации, осуществляемые микроорганизмами в природе или в стандартных условиях культивирования но, различные биохимические, генетические, микробиологические и технологические методы воздейст­вия на метаболизм микробной клетки, позволяющие препаративно получать продукты неполного превращения органических соединений, ис­пользуя микроорганизмы, у которых в обычных условиях спо­собность осуществлять данную трансформацию не выражена.

Таким образом, огромные возможности органической химии дополняются не менее широкими возможностями микробиоло­гической, или ферментативной, химии. Методы химии и микро­биологии, конкурируя между собой, дополняют друг друга. В различных случаях предпочтение отдается тому или другому подходу на основе сравнительной оценки их рентабельности, осо­бенностей технологии, влияния производственных процессов на человека и биосферу в целом.

Преимущества ферментативных методов по сравнению с химическими заключаются в следующем:

1) специфичность действия ферментов позволяет осущест­влять весьма тонкие перестройки молекул разных соединений с использованием простых технологических схем, в то время как аналогичные химические превращения обычно требуют трудо­емких многостадийных синтезов или вообще невозможны:

2) «мягкие» условия действия ферментов, так как они функ­ционируют обычно в водных, неагрессивных средах и при темпе­ратуре не выше 100 °С;

3) небольшое количество вредных для биосферы отходов и побочных продуктов.

Последние две особенности характеризуют микробиологиче­ские методы как основу «мягкой технологии» в отличие от хими­ческих, которые по технологическим условиям и действию на биосферу являются «жесткими».

Недостатками микробиологических методов на современном уровне их развития по сравнению с химическими являются сле­дующие. Ферменты функционируют в большинстве случаев в водной среде, а большинство субстратов как правило плохо растворимы в воде. Поэтому в процессах приходится использовать растворы низкой концентрации, что приводит к низкому выходу целевого продукта с единицы объема аппарата. В связи с этим, а также не­которыми другими трудностями, связанными с культивированием микроорганизмов (необходимость асептических условий, интен­сивного массообмена и обработки больших количеств микробной массы или культуральной среды, загрязнением целевого продукта биотрансформации питательными веществами и продуктами их метаболизма и др.), крупнотоннажное про­изводство на основе методов микробиологи-ческой трансформации требует высоких энергетических затрат.

Поэтому на современном этапе методы микробной химии рентабельны, прежде всего, в тех случаях, когда необходимы тонкие перестройки достаточно сложных молекул, таких, как углеводы, стерины и стероиды, антибиотики, алкалоиды, простагландины, некоторые аминокислоты, нуклеотиды и др., если речь идет о производстве средних масштабов — не более чем сотен или ты­сяч тонн в год.