Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
С проблемой локализации ферментов непосредственно связан вопрос о существовании на поверхности клеток особых участков, где происходит экспрессия белка в окружающую среду. У мице-лиальных грибов секреция осуществляется преимущественно в апикальном участке гиф, т. е. в участке активного роста. Ферменты секретируются через определенные поры в стенке клетки. Для локализации катаболических ферментов, какими являются целлюлазы, пектиназы и другие, характерна некоторая вариабельность, вызванная специфическими функциями клеток, условиями их обитания. Так, условия существования целлюлолптиче-ских бактерий рубца жвачных и почвенных мицелиальных целлюлозоразрушающих грибов существенно отличны. Особенности образования, локализации и выделения таких ферментов представляются экологически целесообразной адаптацией микроорганизмов к данным условиям среды. Полагают, что внеклеточные ферменты синтезируются на рибосомах (или мезосомах), связанных с мембраной (Безбородов, Астапович, 1984).
Согласно «сигнальной» гипотезе Блобеля (цит. по Безбородову, Астапович, 1984), секретируемый белок несет в себе сигнал в виде определенной аминокислотной последовательности, по которому он распознается мембранами, происходит локальное ослабление связи между мембранными белками, в результате чего в мембране образуется туннель. Последний не является постоянной структурой, после прохождения белка он исчезает. Образование туннеля совпадает по времени с трансляцией, и процесс синтеза и секреции фермента оказывается скоординированным.
Большинство известных белков первоначально синтезируется в виде предшествеников, которые затем подвергаются модификации. Процессинг включает весь цикл изменений от образования структур молекул до их функционирования. В процессинге белка при образовании функционально активных продуктов могут участвовать протеазы. Посттрансляционные модификации белка могут осуществляться также за счет гликозилирования, присоединения углеводного компонента.
69
Возможно также внеклеточное формирование четвертичной структуры ферментов (Безбородов, Астапович, 1984). Внеклеточные белки проходят через особые поры в клеточной стенке. Допускается, что через клеточную стенку проходит предшественник, который приобретает свою окончательную конформацию на клеточной стенке. Механизм секреции белка через цитоплазматическую мембрану существенным образом не отличается у прокариот и эукариот. Рост микроорганизмов и синтез ферментов могут быть связаны определенной зависимостью. Многие внутриклеточные ферменты образуются в определенных фазах развития клетки. Например, экзоферменты синтезируются премущест-венно в постэкспоненциальной фазе роста, т. е. при его замедлении.
Имеется ряд гипотез, объясняющих это явление (Безбородов, Астапович, 1984). Хотя секреция ферментов является активной функцией клетки, накопление ферментов в среде культивирования микроорганизмов в значительной степени зависит от различных физико-химических факторов, и прежде всего от состава питательной среды: источника углерода, азота, других компонентов, их количества и соотношения, кислотности среды, температуры, аэрации и других факторов.
Индукция экзогенным низкомолекулярным соединением — не единственный механизм активации синтеза ферментов у микроорганизмов, особенно в тех случаях, когда субстрат является полимерным соединением (целлюлоза). Инициация и значительное ускорение синтеза многих микробных ферментов могут быть достигнуты в результате воздействия на физиологическое состояние микробной клетки целого ряда факторов (изменение темпов роста микробной популяции в результате лимита одного из компонентов среды или действия ингибиторов и антиметаболитов, присутствие субстрата фермента, продукта его действия или их аналогов, образование продуктов трансгликолизирования и некоторых эндогенных метаболитов).
Существенным моментом, обусловливающим инициацию синтеза и секреции экзоферментов, являются «метаболизируемость» источника углерода и скорость роста микроорганизма-проду-цента.
В заключение следует сказать, что исследование проблемы получения целлюлаз достигло такого уровня, когда можно рассматривать вопрос об их широком промышленном производстве. Высокая стоимость целлюлолитических ферментов ограничивает их применение в промышленности для осахаривания целлюлозы. Такая стоимость обусловлена низкими выходом и удельной активностью имеющихся сегодня микробных ферментов.
Глава 4
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОБНЫХ ЦЕЛЛЮЛАЗ
Использование лигноцеллюлазного сырья в сельском хозяйстве и промышленности приводит к накоплению значительного количества целлюлозных отходов. Важным источником целлюлозосодержащих материалов являются городские и бытовые отходы, животный навоз, а также некоторые отходы пищевой промышленности. Их гидролиз до легкоусвояемых сахаров позволяет получить сырье для ферментации в микробиологической промышленности. С этой целью могут быть использованы целлюлолитические ферменты.
Целлюлазы получают путем глубинного или чаще поверхностного культивирования микроорганизмов на средах с различными целлюлозосодержащими субстратами (отрубями, жомом, опилками, соломой, древесной пульпой, бумажной и вискозной массой), очищенной целлюлозой, а также мелассой и простыми сахарами. Применяется способ получения целлюлазы на среде, содержащей в качестве источника углерода только глюкозу. На образование ферментного комплекса влияют состав и соотношение компонентов, кислотность и аэрация среды. Из известных в настоящее время продуцентов целлюлазы наиболее активными продуцентами ферментов, способными осахаривать природные целлюлозосодержащие субстраты, являются различные штаммы грибов рода Trichoderma. Trichoderma viride широко используется для получения целлюлаз в Японии, США, Германии, а также в нашей стране.
