Бактерии при производстве янтарной кислоты

Бактерии - фотоСреди всех природных продуцентов янтарной кислоты бактерия A. succinogenes выделяется несколькими важными умениями. Во-первых, она способна использовать различные источники углерода, а не только глюкозу. Благодаря этому ее можно выращивать на отходах сахарного производства или сельского хозяйства, которые куда дешевле, чем сахар-рафинад. Во-вторых, эта бактерия выдерживает высокие концентрации питательных веществ, то есть устойчива к осмотическому давлению. В-третьих, она обеспечивает наиболее высокое содержание янтарной кислоты в культуральной жидкости — по крайней мере, по сегодняшним данным.

Недостатки этого вида бактерий — общие для всех продуцентов янтарной кислоты: жизнь в уютном инкубаторе желудка избаловала их и они потеряли способность синтезировать некоторые витамины и аминокислоты. Поэтому к среде, на которой мы хотим вырастить янтарную кислоту, необходимо добавлять факторы роста. Кроме того, наряду с янтарной кислотой эти бактерии выделяют и другие — уксусную, муравьиную и молочную, а также этанол. Это затрудняет выделение продукта.

Самое интересное, что эти недостатки — продолжение «целевой» способности бактерии продуцировать янтарную кислоту. Чтобы убедиться в этом, придется чуть-чуть углубиться в биохимию. Иначе мы не сможем по достоинству оценить всю ювелирность работы бактерий и генных инженеров. Приглядитесь к классическому циклу Кребса.

Стрелочки в цикле направлены традиционно, по часовой стрелке — это естественный порядок превращений у большинства организмов. Однако по- следовательность реакций в цикле может быть и обратной — если для этого есть особые условия. Стрелочка, напрямую соединяющая изоцитрат с янтарной и яблочной кислотами, называется «глиоксилатный шунт». Это один из возможных обходных путей на метаболической карте. Из рисунка видно, что к образованию янтарной кислоты могут вести три пути: по часовой стрелке в цикле Кребса (правая ветка, окислительная), против часовой стрелки (левая ветка, восстановительная) и напрямую – через разложение изоцитрата. Можно сочетать сразу два пути, но левая и правая ветви цикла не могут работать вместе, потому что разнонаправлены. То есть теоретически возможны 5 вариантов: только правая ветвь, только глиоксилатный шунт, только левая ветвь, правая ветвь плюс глиоксилатный шунт, левая ветвь плюс глиоксилатный шунт. На практике глиоксилатный путь и правую ветвь цикла не разделяют слишком строго, поскольку их запускают схожие механизмы, так что из пяти вариантов наиболее употреби- тельны три последних.

В случае с A. succinogenes превращение веществ идет по левой ветке цикла. Ключевой этап — присоединение угле- кислого газа к веществу под названием фосфоенолпируват (ФЕП). Необходимые условия — высокая концентрация СО2 в окружающей среде и активная работа соответствующих ферментов. Именно эта реакция запускает движение по маршруту «оксалоацетат — малат — фумаровая кислота — янтарная кислота».

Конкурирующий процесс — превращение ФЕП в пируват, из которого потом образуются побочные продукты. Чтобы справиться с этим неприятным следствием, ученые создали штамм FZ6, в котором «отключили» фермент, отвечающий за синтез муравьиной кислоты. Сегодня это один из наиболее интересных продуцентов для промышленности, он накапливает больше 100 граммов продукта на литр культуральной жидкости. Отключению ферментов, отвечающих за синтез этанола или уксусной кислоты, мешает то, что геном бактерии пока недостаточно изучен.