Аминокислоты. 
Основы биотехнологии. В 2 ч. Часть 2 -

Аминокислоты являются основными структурными элементами, из которых построены белки и которые определяют многие важные их свойства. Первую аминокислоту — глицин — выделил из желатина в 1820 г. А. Браконно, последнюю — треонин — выделил из гидролизата фибрина в 1935 г. А. Роуз.

Аминокислоты находят широкое применение в качестве кормовых и пищевых добавок, приправ, сырья для фармацевтической и парфюмерной промышленности. При этом из 20 аминокислот, необходимых для построения белка, незаменимыми для человека являются восемь — лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Для сельскохозяйственных животных этот список дополняют гистидин и аргинин, а для молодняка птицы — еще и пролин. В связи с этим аминокислоты добавляют в корма, что сокращает расход дефицитных белков животного происхождения.

За последние годы количество аминокислот, используемых в кормопроизводстве, возросло в 15 раз, что составляет около 70% от объема их производства. Около 30% производимых аминокислот применяют в пищевой промышленности. Например, цистеин предотвращает пригорание пищи в процессе приготовления, улучшает качество хлеба при выпечке и усиливает запах пищи. Глицин, обладающий освежающим, сладковатым вкусом, используют при производстве напитков. Глутаминовая кислота способствует усилению вкуса и консервированию пищи. Некоторые аминокислоты (аргинин, метионин, цистеин, фенилаланин и др.) используют в медицине. Широко применяют аминокислоты в химической и фармацевтической промышленности в качестве предшественников при производстве детергентов, полиаминокислот, а также полиуретана и препаратов для сельского хозяйства.

Ежегодно в мире производится около 800 тыс. т аминокислот стоимостью свыше 5 млрд долларов. Более половины от общего объема производства приходится на долю L-глутаминовой кислоты, которую используют для получения глутамата натрия (натриевая соль глутаминовой кислоты) — широко известного усилителя вкуса и аромата.

Получение аминокислот возможно путем химического синтеза, гидролиза природного белкового сырья и биотехнологическим способом.

При химическом синтезе образуется продукт рацемат, содержащий как L-, так и D-формы аминокислот. D-изомеры этих соединений в большинстве случаев токсичны (за исключением глицина и метионина).

Получение оптически активных L-изомеров аминокислот из гидролизатов природных материалов растительного и животного происхождения связано с многоступенчатой и дорогостоящей очисткой.

Процесс биотехнологического производства аминокислот включает прямую микробную ферментацию, микробиологический или ферментативный синтез из предшественников. В настоящее время наиболее распространен микробиологический метод. Он основан на способности микроорганизмов синтезировать все L-аминокислоты, а в определенных условиях — осуществлять их сверхсинтез.

Образование каждой аминокислоты в микробных клетках строго определено и находится под четким генетическим контролем (рис. 6.7).

Он 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, а также препятствует их выделению из клеток в окружающую среду.

Рис. 6.7. Схема биосинтеза лизина, метионина и треонина в клетках микроорганизмов (по Т. А. Егоровой и др., 2003). Стрелка указывает ингибирование по принципу обратной связи.

Чтобы добиться сверхсинтеза отдельных аминокислот, нужно «обойти» или изменить механизм их синтеза. Для этого можно использовать природные («дикие») штаммы, оптимизировать условия ферментации, можно также добиться дисбаланса в метаболизме аминокислот за счет изменения некоторых факторов среды (концентрации основного субстрата, pH, соотношения макрои микроэлементов и др.).

В промышленных масштабах аминокислоты получают либо экстракцией из белковых гидролизатов, либо очисткой продуктов метаболизма двух неспорулирующих грамположительных почвенных бактерий, например Corynebacterium или Brevibacterium spp. Обычно для повышения их продуктивности используют мутагенез с последующим отбором штаммов — сверхпродуцентов определенных аминокислот. Однако такой способ их получения требует много времени, а эффективность его невелика.

Альтернативным подходом является выделение и изменение специфических генов, кодирующих ключевые ферменты определенных биохимических реакций. Таков, например, генно-инженерный способ получения аминокислоты триптофана, синтезируемой Corynebacterium glutatamicum. Это достигается введением в клетки «дикого» типа копии гена, кодирующего антранилатсинтазу — фермент, лимитирующий синтез триптофана. Высокий уровень биосинтеза триптофана достигается также введением в клетки С. glutatamicum модифицированных генов трех ключевых ферментов его биосинтеза: З-дезокси-Д-арабиногептулозонат-7-фосфатсинтазы, антранилатсинтазы и антранилатфосфорибозилтрансферазы. В качестве альтернативы для синтеза аминокислот можно использовать Е. coli.

Изменение синтеза аминокислот осуществимо генетическими методами, в том числе за счет использования мутантных организмов, таких, как ауксотрофные и регуляторные мутанты. Промышленные штаммы, как правило, несут несколько мутаций, затрагивающих механизмы регуляции целевой аминокислоты и ее предшественников.

Среди продуцентов аминокислот — различные микроорганизмы, представители родов Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Aerobacter, Microbacterium, Eschirichia. Для получения таких аминокислот, как L-глутамат, L-валин, L-аланин, L-глутамин и L-пролин, возможно применение природных штаммов и усиление у них продукции аминокислот условиями ферментации. Например, высокий выход глутамата (до 30 г/л) возможен при полном или частичном подавлении активности а-кетоглутаратдегидрогеназы, при добавлении в среду ПАВ и антибиотиков (пенициллина, цефалоспорина).