2. Промислові мікробіологічні процеси

Промислові мікробіологічні процеси можна розбити на 5 основних груп:

1) вирощування мікробної біомаси;

2) отримання продуктів метаболізму мікроорганізмів;

3) отримання ферментів мікробного походження;

4) отримання рекомбінантних продуктів;

5) біотрансформація речовин.

Мікробна біомаса. Мікробні клітини самі по собі можуть служити кінцевим продуктом виробничого процесу. У промисловому масштабі отримують два основні типи мікроорганізмів: дріжджі, необхідні для хлібопечення, і одноклітинні мікроорганізми, використовувані як джерело білків, які можна додавати в їжу людини і тварин. Пекарні дріжджі вирощували у великих кількостях з початку ХХ століття і використовували як харчовий продукт в Германії під час Першої світової війни.

Проте технологія виробництва мікробної біомаси як джерела харчових білків була розроблена тільки на початку 1960-х років. Лава європейських компаній обернули увагу на можливість вирощування мікробів на такому субстраті, як вуглеводні, для отримання т.з. білка одноклітинних організмів (БОО). Технологічним тріумфом було отримання продукту, що додається в корм худобі і що складається з висушеної мікробної біомаси, що виросла на метанолі. Процес йшов в безперервному режимі у ферментері з робочим об'ємом 1,5 млн.л. Проте у зв'язку із зростанням цін на нафту і продукти її переробки цей проект став економічно невигідним, поступившись місцем виробництву соєвої і рибної муки. До кінця 80-х років заводи по отриманню БОО були демонтовані, що поклало край бурхливому, але короткому періоду розвитку цієї галузі мікробіологічної промисловості. Перспективнішим виявився інший процес – отримання грибної біомаси і грибного білка мікопротеїну з використанням вуглеводів як субстрату.

Продукти метаболізму. Після внесення культури до живильного середовища спостерігається лаг-фаза, коли видимого зростання мікроорганізмів не відбувається; цей період можна розглядувати як час адаптації. Потім швидкість росту поступово збільшується, досягаючи постійної, максимальної для даних умов величини; такий період максимального зростання називається експоненціальною, або логарифмічною, фазою. Поступово зростання сповільнюється, і настає т.з. стаціонарна фаза. Далі число життєздатних кліток зменшується, і зростання зупиняється.

Слідуючи описаній вище кінетиці, можна простежити за утворенням метаболітів на різних етапах. У логарифмічній фазі утворюються продукти, життєво важливі для зростання мікроорганізмів: амінокислоти, нуклеотиди, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і так далі Їх називають первинними метаболітами.

Багато первинних метаболітів представляють значну цінність. Так, глутамінова кислота (точніше, її натрієва сіль) входить до складу багатьох харчових продуктів; лізин використовується як харчова добавка; фенілаланін є попередником замінника цукру аспартаму. Первинні метаболіти синтезуються природними мікроорганізмами в кількостях, необхідних лише для задоволення їхніх потреб. Тому завдання промислових мікробіологів полягає в створенні форм мутантів мікроорганізмів – надпродуцентів відповідних речовин. У цій галузі досягнуті значні успіхи: наприклад, удалося отримати мікроорганізми, які синтезують амінокислоти аж до концентрації 100 г/л (для порівняння – організми дикого типу накопичують амінокислоти в кількостях, що обчислюються міліграмами).

У фазі уповільнення зростання і в стаціонарній фазі деякі мікроорганізми синтезують речовини, що не утворюються в логарифмічній фазі і не грають явної ролі в метаболізмі. Ці речовини називають вторинними метаболітами. Їх синтезують не всі мікроорганізми, а в основному нитчасті бактерії, гриби і споротворні бактерії. Таким чином, продуценти первинних і вторинних метаболітів відносяться до різних таксономічних груп. Якщо питання про фізіологічну роль вторинних метаболітів в клітинах-продуцентах було предметом серйозних дискусій, то їхнє промислове отримання представляє безперечний інтерес, оскільки ці метаболіти є біологічно активними речовинами: одні з них володіють антимікробною активністю, інші є специфічними інгібіторами ферментів, треті – ростовими чинниками, багато хто володіє фармакологічною активністю. Отримання такого роду речовин послужило основою для створення цілої лави галузей мікробіологічної промисловості. Першим в цій лаві стало виробництво пеніциліну; мікробіологічний спосіб отримання пеніциліну був розроблений в 1940-х роках і заклав фундамент сучасної промислової біотехнології.

Фармацевтична промисловість розробила надскладні методи скринінгу (масової перевірки) мікроорганізмів на здатність продукувати коштовні вторинні метаболіти. Спочатку метою скринінгу було отримання нових антибіотиків, але незабаром виявилося, що мікроорганізми синтезують і інші фармакологічно активні речовини. Протягом 1980-х років було налагоджено виробництво чотирьох дуже важливих вторинних метаболітів. Це були: циклоспорин – імунодепресант, використовуваний як засіб, що запобігає відторгненню імплантованих органів; імипенем (одна з модифікацій карбапенема) – речовина з найширшим спектром антимікробної дії з усіх відомих антибіотиків; ловастатин – препарат, що знижує рівень холестерину в крові; івермектин – антигельминтний засіб, використовуваний в медицині для лікування онхоцеркозу, або «річкової сліпоти», а також у ветеринарії.

Ферменти мікробного походження. У промислових масштабах ферменти отримують з рослин, тварин і мікроорганізмів. Використання останніх має ту перевагу, що дозволяє проводити ферменти у величезних кількостях за допомогою стандартних методик ферментації. Крім того, підвищити продуктивність мікроорганізмів незрівнянно легше, ніж рослин або тварин, а вживання технології рекомбінантних ДНК дозволяє синтезувати тваринні ферменти в клітинах мікроорганізмів. Ферменти, отримані таким шляхом, використовуються головним чином в харчовій промисловості і суміжних областях. Синтез ферментів в клітинах контролюється генетично, і тому наявні промислові мікроорганізми-продуценти були отримані в результаті направленої зміни генетики мікроорганізмів дикого типу.

Рекомбінантні продукти. Технологія рекомбінантних ДНК, відоміша під назвою «генна інженерія», дозволяє включати гени вищих організмів в геном бактерій. В результаті бактерії набувають здатності синтезувати «чужорідні» (рекомбінантні) продукти – сполуки, які раніше могли синтезувати тільки вищі організми. На цій основі було створено безліч нових біотехнологічних процесів для виробництва людських або тваринних білків, раніше недоступних або таких, що застосовувалися з великим ризиком для здоров'я. Сам термін «біотехнологія» набув поширення в 1970-х роках у зв'язку з розробкою способів виробництва рекомбінантних продуктів. Проте це поняття набагато ширше і включає будь-який промисловий метод, заснований на використанні живих організмів і біологічних процесів.

Першим рекомбінантним білком, отриманим в промислових масштабах, був людський гормон зростання. Для лікування гемофілії використовують один з білків системи згортання крові, а саме чинник VIII. До того як були розроблені методи отримання цього білка за допомогою генної інженерії, його виділяли з людської крові; вживання такого препарату було зв'язане з ризиком зараження вірусом імунодефіциту людини (ВІЧ).

Довгий час цукровий діабет успішно лікували за допомогою інсуліну тварин. Проте учені вважали, що рекомбінантний продукт створюватиме менше імунологічних проблем, якщо його удасться отримувати в чистому виді, без домішок інших пептидів, що виробляються підшлунковою залозою. Крім того, очікувалося, що число хворих діабетом з часом збільшуватиметься у зв'язку з такими чинниками, як зміни в характері харчування, поліпшення медичної допомоги вагітним, страждаючим діабетом (і як наслідок – підвищення частоти генетичної схильності до діабету), і, нарешті, очікуване збільшення тривалості життя хворих діабетом. Перший рекомбінантний інсулін потрапив у продаж в 1982 році, а до кінця 1980-х років він практично витіснив інсулін тварин.

Багато інших білків синтезуються в організмі людини в дуже невеликих кількостях, і єдиний спосіб отримувати їх в масштабах, достатніх для використання в клініці, – технологія рекомбінантних ДНК. До таких білків відносяться інтерферон і еритропоетин. Еритропоетин спільно з мієлоїдним колонієстимулювальним чинником регулює процес утворення клітин крові у людини. Еритропоетин використовується для лікування анемії, пов'язаної з нирковою недостатністю, і може знайти вживання як засіб, що сприяє підвищенню рівня тромбоцитів, при хіміотерапії ракових захворювань.

Біотрансформація речовин. Мікроорганізми можна використовувати для перетворення тих або інших сполук на структурно схожі, але коштовніші речовини. Оскільки мікроорганізми можуть проявляти свою каталітичну дію лише якихось певних речовин, процеси, що протікають при їх участі, більш специфічні, ніж чисто хімічні. Найбільш відомий процес біотрансформації – отримання оцту в результаті перетворення етанолу на оцтову кислоту. Але серед продуктів, що утворюються при біотрансформації, є і такі високоцінні сполуки, як стероїдні гормони, антибіотики, простагландини.