РОЗДІЛ 2
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОСТУ МІКРООРГАНІЗМІВ
НА СУМІШІ СУБСТРАТІВ
Важливими аспектами процесів біотехнологічного виробництва є питання, що
стосуються використання дешевої сировини, забезпечення економії вуглецевих
субстратів, зниження енергетичних витрат на процес мікробного синтезу, а також
проблеми більш повної трансформації вуглецевих субстратів у практично цінні
метаболіти. Вирішення даних питань потребує глибоких знань фізіології, біохімії
та генетики продуцентів. Розробка на основі цих знань принципів регуляції
енергетичного та конструктивного метаболізму дасть змогу реалізувати
біотехнологічні процеси з найбільш високою ефективністю.
Природне середовище існування мікроорганізмів містить, як правило, декілька
вуглецевих субстратів. Натомість у лабораторних умовах для їх культивування
зазвичай використовують моносубстрати як єдине джерело вуглецю та енергії.
Поряд з цим існують роботи, в яких доведена здатність мікроорганізмів
використовувати суміші двох (чи більше) субстратів [93, 110, 111, 123, 124,
126, 135, 136, 140, 142, 146, 148, 151, 154, 159, 161, 164, 176] і досліджені
деякі аспекти регуляції таких процесів [113, 128, 158].
2.1. Концепція допоміжного субстрату. Енергетична класифікація субстратів
Концепція допоміжного субстрату була запропонована Бабелем для підвищення
виходу біомаси при культивуванні мікроорганізмів на суміші субстратів [92]. В
основу концепції покладена так звана “енергетична” класифікація субстратів,
згідно якої всі субстрати поділяються на енергетично надлишкові та енергетично
дефіцитні [94].
Центральним вуглецевим попередником (ключовим інтермедіатом), з якого
синтезуються всі клітинні компоненти, є фосфогліцеринова кислота (ФГК). Якщо
кількість АТФ та відновлювальних еквівалентів, що утворюються при метаболізмі
субстрату до ФГК є достатньою для синтезу клітинних компонентів, такий субстрат
називається енергетично надлишковим. Енергетично дефіцитними субстратами є
субстрати, частина яких повинна бути окислена до СО2 з метою одержання енергії,
необхідної для процесів конструктивного метаболізму. Іншими словами, субстрати
для хемоорганотрофного живлення мікроорганізмів відрізняються один від одного
співвідношенням витрат вуглецю субстрату відповідно на конструктивний та
енергетичний метаболізм [92]. Комбінуючи енергетично нерівноцінні субстрати,
можна уникнути непродуктивних втрат вуглецю та енергії, які мають місце при
використанні моносубстратів, а також збільшити ефективність трансформації
вуглецю субстратів у біомасу. Такий ефект можна умовно назвати ефектом
"допоміжного субстрату".
Для того, щоб визначити енергетичну цінність субстрату, необхідно знати
метаболічні шляхи перетворення вуглецю субстрату в центральний попередник
синтезу біомаси [94]. Залежно від того, за яким шляхом катаболізується
субстрат, він може бути як енергетично надлишковим, так і енергетично
дефіцитним. Комбінація таких субстратів супроводжується зміною ефективності їх
використання мікроорганізмами.
Енергетично надлишковий + енергетично дефіцитний субстрати. Ефективність
трансформації вуглецю при використанні суміші метанолу та глюкози є вищою, ніж
у випадку моносубстратів [151].
Енергетично дефіцитний + енергетично дефіцітний субстрати. Цікавим виявилось
те, що ефект “допоміжного субстрату” може мати місце, якщо використовується два
енергетично дефіцитних субстрати, які асимілюються одночасно, наприклад,
метанол та манітол [177], метанол та глюкоза [120], метанол та форміат [129],
метан та СО2, метанол та СО2 [29].
Умовний енергетично надлишковий + енергетично дефіцитний субстрати. Умовні
енергетично надлишкові субстрати характеризуються тим, що вони використовуються
тільки для забезпечення енергії, тобто їх вуглець не включається у біомасу.
2.2. Типи трансформації мікроорганізмами суміші субстратів
За останні десятиліття багатьма дослідницькими групами опубліковані результати
досліджень щодо споживання мікроорганізмами різних комбінацій ростових і
неростових субстратів. Найбільш повно основні поняття та терміни, що стосуються
процесів трансформації ростових і неростових субстратів, сформульовані та
викладені в монографії Малашенко із співавт [30]. Перш за все автори наводять
характеристику типів живлення мікроорганізмів та понять “ростовий” та
“неростовий” субстрат. Розглядаються такі типи живлення (трофії): по відношенню
до джерела енергії (хемо - хімічний, фото - світловий); по відношенню до донору
електронів (органо - органічна речовина, літо - неорганічна); по відношенню до
джерела вуглецю (авто - вуглекислота, гетеро - органічна речовина).
Класичним прикладом для інтерпретації поняття “ростовий” субстрат є
хемоорганогетеротрофія [30], тип живлення, при якому вуглецьвмісна речовина
використовується мікроорганізмом як єдине джерело вуглецю, енергії та
електронів. Неростовий субстрат [30] — це речовина, яка не використовується
мікроорганізмом як єдине джерело вуглецю та енергії. Мікроорганізми можуть не
реагувати на присутність неростового субстрату або здійснювати його
трансформацію до певних продуктів незалежно від ростового субстрату чи спряжено
з асиміляцією ростового субстрату.
2.2.1. Трансформація ростових субстратів
Якщо мікроорганізм здатний використовувати суміш ростових субстратів, то у
даному разі можливі два варіанти споживання цих ростових субстратів:
міксотрофія та диауксія.
Міксотрофія - це одночасна незалежна трансформація мікроорганізмами двох (чи
більше) ростових субстратів [30]. Для міксотрофії є характерним одночасне
функціонування ферментів трансформації обох субстратів. Необхідною умовою для
цього є відсутність репр
- Київ+380960830922