Факторы, влияющие на биосинтез ферментов

Существует мнение, что из клеток микроорганизмов можно выделить любые из известных ферментов. Большинство микро­организмов способно расти на относительно простых и дешевых питательных средах. Имеется возможность усиливать способность микроорганизмов к биосинтезу ферментов с помощью селекции, получая высокопродуктивные мутантные формы. Биосинтез ферментов в растущих культурах можно регулировать технологическими приемами.

Состав и количество синтезируемых клетками ферментов зависит главным образом от наследственных свойств данного организма, так как структура каждого образующегося в клетке белка определяется соответствующим геном. В то же время ген как единица наследственности способен изменяться, делиться и расщепляться под влиянием внешней среды, а также в результате направленных мутаций искусственного характера. Решение задачи получения промышленно ценных штаммов мутантов с измененными генетическими свойствами успешно осуществляется путем селекции с использованием мутагенных факторов, таких, как ионизирующие и неионизирующие излучения, изотопы, актинофаги, антибиотики, химические соединения, обладающие высокой преобразующей способностью по отношению к наследственным элементам клетки.

Несмотря на определяющую роль генетического фактора в биосинтезе ферментов, производительность существующих технологических процессов по каждому ферменту не в последнюю очередь зависит от состава питательной среды, имея в виду наличие в ней не только источников углерода, азота, фосфора и других элементов, но и веществ, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп. Хотя механизм этого явления не вполне изучен, сам факт должен в максимальной степени учитываться технологами в ходе биосинтеза.

Рядом примеров проиллюстрируем опыт, накопленный в этом отношении. Фермент липаза почти не синтезируется грибом Asp. awamori на среде без индуктора, внесение кашалотового жира усиливает биосинтез фермента в сотни раз. Этот же вид гриба при добавлении в среду крахмала и полном исключении минерального фосфора интенсивно синтезирует другой фермент — фосфатазу.

Однако не только наличие индуктора способно увеличить выход фермента; не менее важно подыскание оптимального для биосинтеза фермента состава питательной среды и оптимальных условий культивирования.

Для интенсификации процесса роста и синтеза ферментов часто добавляют всевозможные вытяжки или экстракты, содержащие дополнительные факторы роста. К ним относятся прежде всего аминокислоты. Они легко проникают внутрь клетки и специфически влияют на образование фермента. Механизм их действия, вероятно, заключается в компенсации недостающих свободных внутриклеточных аминокислот, необходимых для синтеза фермента. Факторами роста являются также пуриновые основания и их производные, РНК и продукты ее гидролиза.

Все рассмотренные факторы должны учитываться при составлении питательных сред для культивирования продуцентов ферментов. В промышленных средах в качестве источников органического углерода и азота чаще всего используют различные сорта крахмала (картофельный, кукурузный, рисовый), кукурузный экстракт, соевую муку, гидролизаты биомассы дрожжей и т. д. Микроорганизмы для своего роста могут утилизировать и минеральные соединения азота, которые в конечном счете превращаются в аммиак, необходимый для синтеза сложных азотсодержащих органических соединений.

^{Существенное влияние оказывают минеральные соли Mg2+}, Са²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺ и некоторых других металлов. Однако о механизмах их действия известно немного. Некоторые из них входят в состав ряда ферментов, ионы Са повышают устойчивость α-амилазы, ионы Fe и Mg активизируют и стабилизируют протеолитические ферменты; Fe²⁺ и Сu²⁺ участвуют в реакциях, связанных с утилизацией и превращением энергии.

Оптимальный состав питательной среды для каждого продуцента может быть определен двумя способами: методом эмпи­рического подбора и с использованием математических методов оптимизации, последний подход становится в последние годы преимущественным благодаря применению ЭВМ.

С точки зрения характера процесса культивирования микроорганизма-продуцента все технологические процессы производства ферментных препаратов делятся на две принципиально отличные группы: в первом случае ферментация ведется глубинным методом в жидкой питательной среде, во втором используется поверхностная культура, растущая на специально подготовленной рыхлой и увлажненной питательной среде.[1,3]