Получение первичных метаболитов. Получение аминокислот

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Получение аминокислот возможно несколькими путями:
химический синтез (образуется рацемат),
гидролиз природного белкового сырья (многоступенчатая и дорогостоящая очистка),
в биотехнологических процессах (прямая микробная ферментация, микробиологический или ферментативный синтез из предшественников).
D-изомеры токсичны!

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Микробиологический метод получения аминокислот основан на способности микроорганизмов синтезировать все L-аминокислоты (мг), а в определенных условиях – обеспечивать их сверхсинтез (до 100г/л).
Биосинтез аминокислот в микробных клетках протекает в виде свободных аминокислот или «пула аминокислот», из которого в процессах конструктивного метаболизма синтезируются клеточные макромолекулы.
Пути синтеза большинства аминокислот взаимосвязаны. При этом одни аминокислоты являются предшественниками для биосинтеза других. Например, пируват – предшественник аланина, валина, лейцина.
Синтез каждой аминокислоты в микробных клетках реализуется в строго определенных количествах, обеспечивающих образование последующих аминокислот, и находится под строгим генетическим контролем.
Контроль осуществляется по принципу обратной связи на уровне генов, ответственных за синтез соответствующих ферментов (репрессия), и на уровне самих ферментов, которые в результате избытка образующихся аминокислот могут изменять свою активность (ретроингибирование).
Данный механизм контроля исключает перепроизводство аминокислот и также препятствует их выделению из клеток в окружающую среду.

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
В обход природного механизма
используют природные «дикие» штаммы,
изменяют основные факторы среды (концентрация основного субстрата, рН, соотношение макро- и микроэлементов в среде и др.)
Изменение контрольного механизма
осуществляется генетическими методами,
получают мутантные организмы: ауксотрофные и регуляторные мутанты
Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Aerobacter, Microbacterium, Eschirichia

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Промышленные штаммы несут несколько мутаций, затрагивающих механизмы регуляции целевой аминокислоты и ее предшественников, их подразделяют на несколько классов:
Природные (дикие) штаммы. Усиливают у них продукцию аминокислот условиями ферментации.
Ауксотрофные мутанты используют в тех случаях, когда необходимо синтезировать аминокислоты, являющиеся конечными продуктами разветвленных цепей метаболических реакций аминокислот. При выращивании такого штамма в среде с минимальной концентрацией необходимого ингредиента (аминокислоты) они способны на суперпродукцию аминокислоты-предшественника.
Мутанты с частично нарушенной регуляцией биосинтеза (регуляторные мутанты) способны накапливать конечные продукты неразветвленных цепей биосинтеза. Обеспечен биосинтез требуемых аминокислот и подавляется процесс их включения в белки.
Методы генетической инженерии позволяют повышать количество генов биосинтеза путем их клонирования на плазмидах.

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Производственные биотехнологические процессы получения аминокислот реализуются в условиях глубинной аэробной периодической ферментации.
Максимальная продукция аминокислоты наступает, как правило, когда прирост биомассы практически прекращается. Поэтому питательная среда на первом этапе ферментации должна обеспечивать сбалансированный рост клеток; а на втором – условия для сверхсинтеза целевой аминокислоты.
В качестве источника углерода и энергии используют богатые сахаросодержащие субстраты, главным образом, мелассу. Возможно также привлечение более доступных субстратов (ацетат, сульфитный щелок, углеводороды).
В качестве источника азота используют соли аммония, нитраты, а также аминокислоты и молекулярный азот.
Периодический режим ферментации и богатая по составу среда требуют соблюдения строгой стерильности в ходе получения инокулята и на ферментационной стадии. Стерилизации подвергаются питательная среда, воздух и все технологическое оборудование.

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
После стадии ферментации в процессе обработки культуральной жидкости клетки отделяют от раствора, который далее подвергают очистке от окрашенных примесей и взвешенных частиц с помощью сорбционных методов.
Далее процесс проводится с использованием различных методов выделения и очистки в зависимости от сферы применения конечного продукта.
Для фармакологии и пищевой промышленности аминокислоты выпускают в виде высушенных чистых кристаллических препаратов.
Для кормовых и технических целей используют стабилизированную и сконцентрированную культуральную жидкость.

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Рис. 1. Примерная технологическая схема получения аминокислоты:
1 – ферментатор; 2 – охладитель; 3 ,9 – рефрижераторы; 4 – емкость для предварительной обработки; 5 – центрифуга; 6 – вакуум-упариватель; 7 – аппарат прямой предобработки аминокислоты; 8 – барабанный фильтр; А, Б – пути (при необходимости смыкающиеся); 10 – аппарат для ультрафильтрации; 11 – емкость для консервации раствора аминокислоты; 12 – мембранный фильтр; 13 – накопитель жидкого концентрата; 14 – емкость для осаждения аминокислоты; 15 – фильтр-пресс; 16 – распылительная сушилка; 17 – накопитель сухого концентрата

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
Технология получения глутаминовой кислоты
НООС – СН2 – СН2 – NH2СН – СООН
Синтез глутаминовой кислоты происходит в
цикле трикарбоновых кислот:
НООС – СН2 – СН2 – СО – СООН + НАД(Ф)Н2 + NН3 →
→ НООС – СН2 – СН2 – NН2СН – СООН + НАД(Ф)
Продуценты: Micrococcus, Brevibacterium, Microbacterium, Corynebacterium
Сверхпродукция глутаминовой кислоты связана с высокой концентрацией аммония в среде, высокой активностью НАД(Ф)Н-зависимой глутаматдегидрогеназы и отсутствием/или дефектом α-кетоглутаратдегидрогеназы, катализирующей превращение 2-кетоглутарата в янтарную кислоту.

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ

ПОЛУЧЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ