Производство аминокислот из биосинтетических предшественников

      Комментарии к записи Производство аминокислот из биосинтетических предшественников отключены

Использование предшественников при производстве аминокислот позволяет успешно преодолевать метаболический контроль, осуществляющийся по механизму обратной связи и репрессии. Рассмотрим

процесс синтеза L-лейцина из Z.-треонина через ос-кетобутират. Первый фермент в этом пути биосинтеза, гидратаза, у Serratia marcescens ингибируется I-изолейцином по механизму обратной связи, чего не происходит с индуцированной D-треонингидратазой при добавлении в среду D-треонина. Поэтому синтез L-изолейцина из него может миновать метаболический контроль. С другой стороны, для того чтобы обойти последний, можно использовать предшественники, превращаемые в ходе обмена в кетобутират (например, а-амино-, а-бром- и а-гидроксибутират); точно так же при участии гидроксиметилтранс-феразы и в присутствии достаточного количества метилентетрагидро-фолата из предшественников глицина можно получать L-серии. В качестве поставщиков С-1 могут выступать глицин, формальдегид, фор-миат, саркозин, холин или метионин. При наличии в среде глицина, глюкозы и метанола метиониновый ауксотроф Artrobacter globiformis образует до 5,2 г/л L-серина. Для такой конверсии, а также для образования L-глутамата, 1-метионина и ароматических аминокислот могут использоваться и другие штаммы растущих на метаноле бактерий. Остановимся на том, каковы роль и ожидаемые преимущества применения ферментов при синтезе аминокислот. Эти процессы бывают одно- и многостадийными, а используемые для их осуществления методы весьма разнообразными: от применения in situ интактных, но не растущих организмов до иммобилизованных препаратов. В этой связи целесообразно рассмотреть пять классов ферментов.

1. Гидролитические ферменты (или гидролазы), например, L-a-ами-но-е-капролактамлиаза (синтез L-лизина) или 2-аминотиазолин-4-кар-боксилатгидролаза (синтез I-цистеина). Чтобы можно было использовать неочищенные ферменты, целые клетки обрабатывают поверхностно-активными веществами, вызывающими изменение проницаемости. Кроме того, могут быть получены мутанты, у которых искомый продукт не вовлекается более в обмен веществ.

2. Лиазы. Эти ферменты часто используются в реакциях дезами-нирования. Так, для образования L-аспарта из фумарата аммония может применяться (в обратной реакции) аспартаза, или 1-аспартатам-миаклиаза. В качестве доноров аммония могут, кроме того, выступать гидразин или гидроксиламин. Сходным образом 1-фенилаланинам-миаклиаза может катализировать распад L-фенилаланина с образованием трднс-коричной кислоты и аммиака. Хотя обычно равновесие в этих реакциях сдвинуто в сторону распада, при высоких концентрациях аммонийных ионов начинают преобладать процессы синтеза.

3. Ферменты, содержащие пиридоксальфосфат. Это обычные ко-ферменты, участвующие в метаболизме аминокислот. Они катализируют множество реакций: рацемизацию, трансамииирование, декар-боксилирование, замещение, элиминацию и являются своего рода универсальными. По-видимому, роль этих коферментов состоит в активации аминокислот, что облегчает их взаимодействие с апоферментом. Мы рассмотрим здесь лишь несколько ферментов из этой группы.

J 34

Так, I-тирозинфеноллиаза ф-тирозиназа) катализирует реакцию Р-элиминации, в которой тирозин распадается с образованием пиру-вата, фенола и аммиака. При оптимальных условиях Erwinia herbicola может синтезировать очень много этого фермента (до 10 % от растворенного белка). Его используют для синтеза тирозина: в иммобилизованной форме он применялся для непрерывного его производства — субстратная специфичность такова, что он может также осуществлять реакцию р-замещения между D,L-серином и пирокатехолом, в результате которой образуется L-ДОФА.

Примером широко распространенного в природе фермента, осуществляющего дезаминирование, может служить 1-триптофаниндол-лиаза (триптофаназа). Она катализирует реакции а,р-элиминации и Р-замещения, а также характеризуется широкой субстратной специфичностью (L-триптофан, 1-цистеин, 5-метил-1-цистеин, р-хлор-1-ала-нин, L-серии). Действие ее может быть обращено, и тогда она будет способствовать синтезу L-триптофана из индола, пирувата и аммиака. Примером индуцибельного фермента является L-метионин-у-лиаза: она катализирует реакцию элиминации, где субстратами могут быть разнообразные аминокислоты, включая производные L-метионина и 1-ци-стеина. Первый расщепляется с образованием метантиола, ос-кетобу-тирата и аммиака. Когда фермент работает на синтез, его можно применять для производства новых серосодержащих аминокислот на основе алкантиолов и арилтиоспиртов. Он может также расщеплять селенметионин. Использование селено лов в обратных реакциях замещения, идущих с образованием гомоцистеинов, содержащих селен вместо серы, — это первый случай, когда селен удалось включить в состав аминокислот.

Эту лиазу можно применять для синтеза меченых аминокислот.

4. Дегидрогеназы аминокислот, например, лейцин- и аланин-дегид-рогеназы. Эти ферменты катализируют обратимые реакции дезами-нирования. Их применяют в непрерывных процессах синтеза аминокислот из соответствующих кетоаналогов. В мембранном реакторе дегидрогеназы аминокислот удерживаются ультрафильтрующей мембраной и используют в своей работе один и тот же пул HADH, который сохраняется в реакторе, так как ковалентно связан с полиэтилен-гликолем. Регенерация его в ходе процесса осуществляется с помощью формиатдегидрогеназы.

5. Глутаминсинтаза. Этот фермент катализирует АТФ-зависимую реакцию аминирования глутамата, которая была сопряжена со сбраживанием сахара дрожжами. Высвобождающаяся при брожении энергия используется для синтеза глутамина. При распаде фруктозо-1,6-дифосфата, образовавшегося при сбраживании глюкозы, продуцируется АТР, которая необходима для энергоснабжения эндергонической реакции, катализируемой синтазой. При использовании бесклеточного экстракта пекарских дрожжей и глутаминсинтазы Gluconobacter subo-xydans из глюкозы, глутамата и ионов аммония в качестве субстратов с высоким выходом был получен глутамин.

5.4. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКА

Структура питания человечества в целом, в том числе и населения нашей страны, далеко не идеальна, причем наиболее дефицитным компонентом пищи является белок, особенно высокой питательной ценности. Его традиционные источники — продукты животноводства и растениеводства — не покрывают все возрастающую потребность в белковой пище, особенно увеличившуюся в связи с интенсивным приростом населения. Альтернативным источником этого вещества могут служить различные микроорганизмы — дрожжи, высшие съедобные грибы, некоторые микроводоросли и т. д.

Микробиологическое производство белка налажено относительно недавно. Оно обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами получения белковой пищи (животноводством и растениеводством): не требует посевных площадей, не зависит от климатических и погодных условий, поддается точному планированию и высокому уровню автоматизации, позволяет получать продукцию стандартного качества. Продукты микробиологического синтеза можно назвать новыми видами кормов и пищи. Разнообразие микроорганизмов и типов их питания позволяет легко маневрировать в использовании различных видов сырья для биосинтеза.

Дополнительные материалы:

Разработка комплексных биотех. решений по созданию и производству белка и аминокислот


Похожие статьи: