Микробиологические трансформации органических соединений

Общая характеристика микробиологической трансформации органических соединений
Микробиологической трансформацией называется неполное превращение органических соединений ферментами микроорганизмов, сопровождающиеся накоплением в среде продуктов этого превращения.
Она осуществляется одним или несколькими ферментами и поэтому не приводит к значительному изменению субстрата.
Она проявляется:
В образовании соединений, которые далее не используются данным микроорганизмом.(например, окисление n-ксилола в n-толуиловую кислоту, которая накапливается в среде и не метаболизируется культурами рода Rhodococcus при выращивании их в синтетической среде с глюкозой и n-ксилолом.)
Во временном накоплении промежуточных продуктов в процессе использования различных органических соединений в качестве ростовых субстратов.

Она проявляется:
В образовании соединений, которые далее не используются данным микроорганизмом(например, окисление n-ксилола в n-толуиловую кислоту, которая накапливается в среде и не метаболизируется культурами рода Rhodococcus при выращивании их в синтетической среде с глюкозой и n-ксилолом).

2. Во временном накоплении промежуточных продуктов в процессе использования различных органических соединений в качестве ростовых субстратов(например, временное накопление глюконовой кислоты отдельными культурами рода Pseudomonas в процессе роста на среде с глюкозой).

Микробиологическая трансформация является естественным свойством микроорганизмов, широко распространенным в природе. Это свойство используется человеком в практической деятельности для получения ценных продуктов. Таким образом, микроорганизмы могут играть роль химических реагентов в органической химии, а микробиологическую трансформацию называют ферментативной или микробной химией. В ней можно воздействовать на обмен микробной клетки для идентификации и вычисления из ее метаболической системы отдельных ферментов или фрагментов метаболических последовательностей.

Преимущества ферментативных методов по сравнению с химическими:
Специфичность действия ферментов, что позволяет осуществлять перестройки молекул органических соединений с использованием простых технологических схем, в то время как аналогичные химические превращения требуют многостадийных синтезов.
«мягкие» условия действия ферментов, т.к. они функционируют обычно в водных, неагрессивных средах и при температурах не выше 100 С
Небольшое количество вредных для биосферы отходов и побочных продуктов

Недостатки микробиологических методов по сравнению с химическими:
Ферменты функционируют в большинстве случаев в водной среде, превращая субстрат в растворенном виде в невысоких концентрациях.
В связи с трудностями, связанными с культивированием м/о(необходимость асептических условий, обработки микробной массы, интенсивного массообмена) крупнотоннажное производство на основе микробиологической трансформации требует высоких энергетических затрат.

Процессы микробной химии
Типы процессов:
Окисление
восстановление
Декарбоксилирование
Дезаминирование
Гидролиз
Метилирование
Конденсация
Этерификация
Галогенирование
Расщепление на оптические антиподы
Изомеризация
Аминирование
Синтез нуклеотидов из предшественников

Методы микробиологической трансформации органических соединений
1. Использование ферментативных свойств интактных клеток:
1)трансформация растущей культурой в периодических условиях
2) использование ферментативной активности определенных фаз развития:
a) трансформация суспензиями неразмножающихся клеток
b) трансформация спорами
c) непрерывные процессы
3) Кометаболизм
2. Методы, основанные на дезорганизации обменных процессов клетки:
1) применение в различной степени поврежденных и дезинтегрированных клеток
2) ингибирование определенных участков метаболических путей
3) применение мутантов с блокированным синтезом определенных ферментов

3. Конструирование штаммов с повышенной способностью к трансформации органических соединений.
4. Использование ферментных препаратов, иммобилизованных ферментов и клеток
5. Политрансформация.

Микроорганизмы, трансформирующие органические соединения
Требования, предъявляемые к микробному штамму. Пригодному для использования в исследовательской практике:
микроорганизм должен развиваться на сравнительно простых (по способу приготовления) средах;
активность фермента или ферментативной системы, ответственных за трансформацию, должна быть достаточно высокой;
накопление продукта трансформации в среде должно быть достигнуто наиболее простыми методами;
перечисленные выше условия должны обеспечивать экономическую рентабельность процесса;

В соответствии с этими требованиями для микробиологической трансформации органических соединений используются обычно сапрофитные микроорганизмы, способные расти на обычных микробиологических средах и отличающиеся интенсивным обменом веществ – плесневые грибы, актиномицеты, многие семейства бактерий и микроводорослей.

Таксономическая специфичность микробиологических трансформаций

Некоторые таксоны (роды и виды) способные проводить разнообразные превращения органических соединений с накоплением продуктов трансформации:
Acetobacter suboxydans
Aspergillus niger
Brevibacterium ammoniagenes (синтезирует рибозиды и нуклеотиды и аминирует органические кислоты)