Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

аминокислоты

Этиловый спирт

ВВЕДЕНИЕ. Этиловый спирт (этанол) используется как

сырье в химическом производстве, как растворитель, а

также как топливо. В 2004 г. мировое производство эта-

нола составило 45 млрд л (34,6 млн т), из которых

и

лишь 2,3 млрд л были получены из этилена – продукта

переработки нефти и природного газа. Более двух

кислоты

третей этанола, поступающего на рынок, получают из

глюкозы биотехнологическими методами с помощью

анаэробных дрожжей и бактерий. Традиционная техно-

Спирты,

логия производства этанола использовалась во многих

нефть все чаще обращают вниимание на биотехнологи-

странах, затем стало экономически выгоднее получать

этанол из продуктов переработки нефти. В последние

годы в связи со значительным ростом мировых цен на

ческие подходы как резервную стратегию. Брожение мо-

жет снова стать основным способом промышленного по-

лучения этанола лишь при условии очень низких цен на

биомассу или слишком высоких цен на энергоносители.

С 1975 г. в Бразилии и США этанол используют в каче-

стве топлива для двигателей внутренного сгорания.

МИКРООРГАНИЗМЫ И БИОСИНТЕЗ. Для получения

этанола путем спиртового брожения самое важное

значение имеют пекарские дрожжи Saccharomyces

cerevisiae. При гликолизе 1 моль D-глюкозы дает

2 моль этанола. В бактериях Zymomonas mobilis,

выделенных из сока агавы, этанол образуется в кето-

дезоксифосфоглюконатном пути (пути Энтнера–Дудо-

рова). Оба этих микроорганизма не имеют ферментов

для расщепления полисахаридов, поэтому перед тем,

как добавлять в питательную среду углеводы, их рас-

щепляют до моносахаридов подходящими фермен-

тами. Другой биотехнологический метод получения

этанола основан на применении рекомбинантных

штаммов-суперпродуцентов, которые в результате

клонирования новых генов приобретают способность

перерабатывать такие дешевые виды сырья, как крах-

мал, целлюлоза или гемицеллюлоза. Особый интерес

представляют термофильные анаэробные бактерии

Thermoanaerobacter ethanolicus, которые могут рас-

щеплять многие углеводы. Оптимальные условия для

роста этого микроорганизма – температура 69 °С,

рН среды 4,5–9,5.

ПЕРЕРАБОТКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРМЕНТАЦИИ.

В основе промышленной технологии получения этанола

лежит процесс брожения, который осуществляется в

биореакторах объемом до 500 м3 в периодическом ре-

жиме. В стандартных асептических условиях клетки

дрожжей Saccharomyces cerevisiae менее подвержены

заражению молочнокислыми бактериями, чем Zymomo-

nas mobilis. В качестве бактериальной культуры исполь-

зуют дрожжи, выращенные на обогащенной сахарами

среде. Через 14–20 ч выход этанола достигает макси-

20

мума (~90% теоретического значения). Процесс обра-

зования этанола замедляется из-за подавления роста

аминокислоты

1-Бутанол, ацетон

ВВЕДЕНИЕ. 1-Бутанол имеет очень важное значение

как растворитель лаков, используемых при покраске

автомобилей, а также как сырье в промышленном син-

тезе (в реакциях этерификации). Объем мирового

и

производства бутанола составляет 1,2 млн т в год. Ра-

ньше бутанол служил сырьем при получении синтети-

кислоты

ческого каучука из бутадиена. Ацетон также очень

важный растворитель. В мире за год производится

около 3 млн т ацетона. В современном производстве

Спирты,

основным источником сырья для синтеза этих соеди-

нений служат продукты нефтехимической промышлен-

ности. До 1950 г. ацетон и 1-бутанол получали в ос-

новном при сбраживании мелассы или крахмала с

помощью анаэробных бактерий рода Clostridium.

В связи с новыми возможностями, которые открыва-

ются в эпоху развития биотехнологии, ферментатив-

ных методов получения ацетона и 1-бутанола вновь

приобрели значение после их оптимизации и рассмат-

риваются в качестве «резервных» технологий.

МИКРООРГАНИЗМЫ И БИОСИНТЕЗ. Среди немного-

численных бактерий-продуцентов ацетона и 1-бута-

нола наиболее важное значение в производственных

технологиях имеют анаэробные бактерии рода Clo-

stridium. В ацетоно-бутиловом брожении можно вы-

делить две фазы: первая – бактерии активно размно-

жаются, и в среде накапливаются ацетат и бутират,

что приводит к понижению рН до 5,0. При таком низ-

ком рН размножение бактерий практически заканчи-

вается, и брожение переходит во вторую фазу – на-

копление 1-бутанола и ацетона, образующихся из

имеющихся в среде углеводов и накопленных в пер-

вой фазе кислот. Состав конечного продукта зависит

от используемого бактериального штамма. Наиболее

хорошо изучена физиология Clostridium acetobutyli-

сum, который обладает самой высокой продуктив-

ностью, а также достаточно устойчив к токсичному

действию 1-бутанола. При сбраживании 100 г глюко-

зы с помощью Clostridium acetobutyliсum образуется

38 г смеси бутанола и ацетона в соотношении 3:1.

Многие представители рода Clostridium содержат

амилазы, амилоглюкозидазы и другие внеклеточные

деполимеразы, поэтому для их культивирования

можно использовать такое дешевое питательное ве-

щество, как крахмал. Перспективным признано при-

менение лактозы (в виде молочной сыворотки). К на-

стоящему времени изучены механизмы действия и

регуляции практически всех ферментов, участвую-

щих в биосинтезе ацетона и 1-бутанола, гены боль-

шинства этих ферментов уже клонированы. При гли-

колизе из глюкозы образуется пируват, который под

действием фермента пируват:ферредоксин-оксидо-

редуктазы декарбоксилируется с образованием аце-

22

тил-КоА. Продуцируемые в процессе гликолиза вос-

становительные эквиваленты (прежде всего NADH)

аминокислоты

Уксусная кислота

ВВЕДЕНИЕ. Уксус в качестве вкусовой добавки или

консерванта использовался в Европе еще в античные

времена. Он также находит широкое применение и в

классической кухне народов Азии. По традиционной

и

технологии уксус получали из вина. Один из знаме-

нитых примеров – бальзамический уксус, который

кислоты

является своеобразной «кулинарной достопримеча-

тельностью» города Модена (Италия). Во Франции в

XVIII в., когда еще трудно было говорить о развитии

Спирты,

промышленности, существовал так называемый

«стружечный» способ получения уксуса – разведен-

ное вино наливали в бочки с древесной стружкой,

вымоченной в уксусе. В 1856 г. Луи Пастер обнару-

жил микроорганизмы, осуществляющие уксуснокис-

лое брожение – уксуснокислые бактерии. К 1868 г.,

изучая различные среды роста, он получил чистую

культуру этих бактерий и таким образом заложил ос-

новы технологического метода получения винного ук-

суса (содержание уксусной кислоты около 6%). Сто-

ловый уксус – 5%-й раствор уксусной кислоты, как

правило, получают ферментацией ректификата (эта-

нола). Мировое производство уксусной кислоты со-

ставляет несколько млрд литров в год. В США в

больших количествах используется ацетат кальция-

магния (температура плавления –7,7 °С), получен-

ный биотехнологическим методом, как реагент для

борьбы с обледенением на автотрассах (Cryotech

CMAТМ). Химический реактив «ледяная уксусная кис-

лота» (99,7%, рКа 5,6) производят из этилена или

метанола.

МИКРООРГАНИЗМЫ В БИОСИНТЕЗЕ. Способностью

осуществлять неполное окисление этанола с образо-

ванием уксусной кислоты обладают лишь немногие

микроорганизмы, в частности, некоторые штаммы

Gluconobacter и Acetobacter. Принадлежность бакте-

рий к тому или иному штамму определить очень

сложно из-за быстро меняющегося фенотипа, поэто-

му с этой целью используют анализ последователь-

ностей 16S-рРНК или плазмид. Окисление этанола

происходит в реакциях, катализируемых мембранос-

вязанными ферментами алкогольдегидрогеназой

и альдегиддегидрогеназой. В клетках Acetobacter

альдегиддегидрогеназа несет в качестве простетиче-

ской группы пирроллхинолинхинон (ПХХ), а альдегид-

дегидрогеназа наряду с пирроллхинолинхиноном

содержит еще гем. Перенос электронов на терми-

нальную оксидазу происходит через образование

убихинона. Уксуснокислые бактерии осуществляют

гликолиз, образующиеся молекулы пирувата посту-

пают в цикл лимонной кислоты. Уксуснокислые бак-

терии чрезвычайно требовательны к высокой концен-

трации кислорода в среде роста: прерывание аэрации

24

всего на несколько минут приводит к значительному

снижению эффективности окисления этанола. В от-