4.5. Изменение проницаемости мембраны
Повышенная продуктивность микроорганизмов по глутаминовой кислоте обусловлена увеличенной проницаемостью их мембраны. Эта кислота является одним из важнейших промышленных продуктов (в виде глутамата натрия ее применяют для улучшения вкуса пищевых продуктов). Фактически всю производимую глутаминовую кислоту получают биосинтетическим путем.
Основным направлением продуцирования глутаминовой кислоты из глюкозы являются путь Эмбдена – Мейергофа (рис. 4.3). Молярный выход кислоты достигает 50 % от общих сахаров, а концентрация ее в культуральной жидкости (КЖ) – 90 г/л.
Модификация проницаемости осуществляется благодаря ограничению роста путем добавления биотина (рис. 4.4) либо пенициллина, а также производных жирных кислот.
Рис. 4.3. Метаболические пути превращений
при производстве глутамата из глюкозы
Рис. 4.4. Рост и продуцирование глутамата при различных уровнях биотина:
1 – кривая продуцирования глутамата; 2 – кривая роста
Добавление к среде выращивания пенициллина во время логарифмической фазы роста позволяет глутаминовой кислоте выходить из клетки, вследствие чего внутриклеточный уровень ее быстро снижается до 5 мг/г клеток. Клетки продолжают выделять глутаминовую кислоту в течение 40–50 ч.
К клеточным изменениям, сопровождающими выделение кислоты, относят изменение сферической формы до очертаний набухших палочек; проявления активности внутриклеточного фермента при измерении на инактивных клетках; потерю аминокислотного клеточного пула при промывании клеток и уменьшение «упакованного» объема клеток, несмотря на отсутствие их лизиса.
Биотин контролирует проницаемость посредством выполнения своей роли в синтезе жирных кислот. Дефицит биотина (так же, как добавление производных жирных кислот или пенициллина) вызывает значительные изменения в липидном составе оболочек микроорганизмов, обладающих повышенной продуктивностью по глутаминовой кислоте.
Ключевым результатом такого дефицита является образование мембран, обедненных фосфолипидами. Для успешной ферментации аминокислоты критическое содержание в среде биотина выбирают таким образом, чтобы оно соответствовало концентрации 15–20 мкг/г (рис. 4.4.).
Пенициллин или производные жирных кислот следует добавлять в среду в качестве тормозящего фактора – в логарифмической фазе роста. Хотя пенициллин не ингибирует синтез фосфолипидов, введение его приводит к немедленному выделению фосфолипидов.
С помощью специальных штаммов глутаминовую кислоту можно получить не только из глюкозы, но и других источников углерода. Так, концентрация глутаминовой кислоты в культуральной жидкости при использовании этанола составляет ~ 60 г/л.
Когда механизм проницаемости клеточной мембраны изменяется под воздействием ограничения роста микроба биотином или добавления пенициллина, глутаминовая кислота выходит из клетки и не может больше служить внутриклеточным предшественником других аминокислот.