Microbiology

Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические пита тельные вещества в процессе дыхания до С0₂ и воды. Поскольку в мо лекуле СО ₂ достигается высшая степень окисления углерода, в этом случае говорят о полном окислении и отличают этот тип дыхания от не полных окислений, при которых в качестве продуктов обмена выделяют ся частично окисленные органические соединения.

Под «полным окислением» имеется в виду лишь то, что не происходит вы деления каких-либо органических веществ; но это вовсе не означает, что окис ляется весь поглощенный субстрат. В каждом случае значительная часть суб страта (40-70%) ассимилируется, т.е. превращается в вещества клеток.

Конечными продуктами «неполных окислений» могут быть уксусная, глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная кислоты и ряд других со единений. Поскольку эти продукты сходны с теми, которые образуются при брожениях (пропионовая, масляная, янтарная, молочная кислоты и др.), а также в связи с тем, что при промышленных процессах броже ния необходимы специальные технические устройства (ферментеры), не­полные окисления называют также «окислительным брожением» или «аэробной ферментацией». Слова «брожение» и «ферментация» в этом случае отражают скорее технологический аспект.

Мы будем причислять к «неполным окислениям» также простое от щепление водорода от субстрата и использование микроорганизмов для катализа некоторых реакций, не имеющих для них какого-либо значе ния в обычных условиях. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры таких окислений.

Всем уксуснокислым бактериям присуща способность к образованию кислот путем неполного окисления Сахаров или спиртов. Эти кислоты как промежуточные или как непригодные для использования конечные продукты обмена выделяются в среду. Уксуснокислые бактерии-это грам-отрицательные палочки с перитрихально (Acetobacter) или полярно (Acetomonas = Gluconobacter) расположенными жгутиками, обладающие некоторой подвижностью. Они сходны с псевдомонадами, но отличают ся от них высокой толерантностью к кислотам, слабой пептолитической активностью, малой подвижностью и отсутствием пигментов. В при родных условиях уксуснокислые бактерии поселяются обычно на расте ниях. В сахаристых выделениях растений вместе с уксуснокислыми бак териями обитают дрожжи.

Многие органические кислоты, в том числе и аминокислоты, получают в промышленных масштабах с помощью микроорганизмов, осущест вляющих неполные окисления. Преимущества использования грибов для получения лимонной, итаконовой, глюконовой, яблочной и других кислот выяснились уже в начале нашего столетия. Что касается бакте рий, то еще десять лет назад с их помощью получали только уксусную и глюконовую кислоты; однако теперь они играют большую роль и как продуценты аминокислот.

Для грибов характерен окислительный тип метаболизма. Это не озна чает, что грибы не способны к анаэробному расщеплению углеводов, т.е. не могут их сбраживать (ведь спиртовое брожение осуществляется как раз дрожжами!); однако в анаэробных условиях сколько-нибудь длительный рост грибов невозможен. Кроме того, основными продук тами брожения оказываются этанол или молочная кислота. Другие ор ганические кислоты образуются только в аэробных условиях.

В естественных местах обитания грибов, т. е. в почве, никогда не бы вает заметного накопления промежуточных продуктов их жизнедеятель ности. При недостатке питательных веществ грибы получают максимум энергии и образуют клеточные вещества за счет полного окисления и ассимиляции субстрата. Если в лабораторных условиях и в промыш ленной практике дело обстоит иначе и многочисленные продукты обме на выделяются в среду, то это следует объяснить избыточным снабже нием грибов углеводами и известной «дезорганизацией» их метаболиз ма, которой часто способствует исключение из среды некоторых микроэлементов.

Известно, что грибы обладают мощной гликолитической системой. В «узких местах» метаболических путей происходит накопление проме жуточных продуктов, которые прямо или после назначительных хими ческих изменений выделяются в среду. Дж. Фостер особо подчеркивал отклонения в обмене веществ, возникающие при избытке субстрата. В конечном счете большинство неполных окислений связано с наруше нием регуляции метаболизма.

В 1957 году Киносита открыл Corynebacterium glutamicum и тем самым положил начало новой эпохе в промышленном использовании процес сов неполного окисления. Эту бактерию, выделяющую L-глутаминовую кислоту, удалось выявить с помощью простого способа отбора - биоав тографического метода. Большое количество почвенных бактерий пере носили методом отпечатков на различные питательные среды, оставляли на некоторое время для роста, а затем убивали УФ-облучением. После этого чашки заливали агаризованной средой, содер жавшей суспензию клеток штамма, нуждающегося в глутаминовой кис лоте. Рост такой индикаторной бактерии указывал, какие из выросших ранее колоний выделяли глутаминовую кислоту.

Высокая специфичность окислений, осуществляемых уксуснокислыми бактериями, весьма высокий выход продуктов и большое хозяйственное значение соответствующих процессов (например, производства со-рбозы)-все это послужило причиной того, что начиная с 30-х годов ми кробиологи стали усиленно изучать каталитические свойства микроор ганизмов, их способность перерабатывать естественные и чужеродные для них вещества.

Микроорганизмы осуществляют высокоспецифические процессы окисления, гидрирования, гидролиза, этерификации, конденсации, мети лирования, декарбоксилирования, дегидратации, дезаминирования, ами-нирования и многие другие реакции. Эти биологические превращения к тому же стереоспецифичны. Осуществлять их способны актиномицеты и другие бактерии, а также низшие и высшие грибы.

С открытием пенициллина и других антибиотиков возникла новая об ширная область промышленной микробиологии. Бактерии и грибы синтезируют множество веществ, которые по аналогии с подобного рода веществами растительного происхождения принято называть вторичными метаболитами. Многие из этих веществ играют важную роль как лечебные средства, стимулирующие препараты, добавки к кормам и т. п. В качестве продуцентов вторичных метаболитов микроорганизмы при обрели огромное экономическое значение. Открытие и исследование ан тибиотиков, а также получение новых полусинтетических антибиотиков оказало неоценимые услуги медицине. Мы еще не в состоянии предви деть все возможности, которые откроются перед нами в будущем в связи с новыми исследованиями в этой области, и с новыми применениями вторичных метаболитов, синтезируемых микроорганизмами. Получение и отбор мутантов (с учетом регуляторных механизмов) позволят значи тельно расширить использование микробных синтезов.

Уже в прошлом веке было известно, что между различными микроорга низмами могут существовать как симбиотические, так и антагонистиче ские взаимоотношения. Толчком к выяснению материальной основы ан тибиоза послужило наблюдение Флеминга, обнаружившего (1928), что колония гриба Penicillium notatumподавляла рост стафилококков. Выде ляемое этим грибом вещество, которое диффундировало в агар, получи ло название пенициллина. С тех пор было выделено множество веществ с антибиотической активностью. Антибиотики-это вещества биологиче ского происхождения, способные даже в низких концентрациях по давлять рост микроорганизмов. Различают вещества, подавляющие рост микробов (бактериостатические, фунгистатические) и убивающие их (бактерицидные, фунгицидные и т.д.).

Микотоксинами называют вторичные метаболиты определенных видов грибов. В широком понимании к ним можно отнести также и обра зуемые грибами антибиотики. В узком смысле, однако, под микоток синами понимают только такие продукты жизнедеятельности грибов, которые токсичны для высших животных и человека. Продуцентом ми-котоксина является, например, уже упоминавшийся возбудитель споры ньиClaviceps purpurea. Недавно микотоксины вновь привлекли к себе пристальное внимание, после того как был описан случай гибели тысяч индюшат от корма, содержавшего афлатоксины. Афлатоксины (про­изводные кумарина) синтезируются отдельными штаммами Aspergillus flavus, A. parasiticus, A. oryzae и некоторыми другими видами грибов. Они могут присутствовать в разных заплесневелых продуктах (в арахи се, зерне, плодах масличных растений, в корме животных). Афлатоксины обладают канцерогенными свойствами.

Среди витаминов, образуемых микроорганизмами, заслуживают упо минания рибофлавин и витамин В₁₂. Рибофлавин выделяют главным образом аскомицеты (Ashbya gossypii и Eremothecium ashbyii); однако дрожжи (Candida) и бактерии (Clostridium) тоже синтезируют в больших количествах флавины. Способность к образованию витамина В₁₂ прису ща бактериям, в метаболизме которых важную роль играют корри-ноиды(Propionibacterium, Clostridium). Этот же витамин образуют и стрептомицеты. Из мицелия зигомицетов(Blakesleea trispora и Choane-phora circinans) получают каротиноиды, используемые как добавки к кормам для животных.