Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
30
Значительная часть целлюлозы разлагается в анаэробных условиях. В рубце разложение идет, скорее, с образованием органических кислот. Следовательно (Ljungdahl, Eriksson, 1985), разложение целлюлозы в анаэробных условиях состоит из двух взаимосвязанных процессов. Первый — это окисление целлюлозы до СОг и восстановление протонов до Н2, второй — окисление Н2 и восстановление СОг до уксусной кислоты и метана, сульфата— до H2S или нитрата — до аммиака. Это указывает на важную роль Нг в анаэробном разложении целлюлозы. На первом этапе бактерии образуют Н2, а на втором они его потребляют. Другими словами, Нг переносится от Н2-продуцирующих к Н2-потребляющим бактериям. Концепция межвидового переноса водорода оказала огромное влияние на понимание механизмов генерации энергии у анаэробных микроорганизмов и ферментации с участием смешанных культур (Peck, Odom, 1984; Liung-dahl, Eriksson, 1985).
Знание физиологии бактерий в ассоциациях, превращающих целлюлозу в С02 и метан, позволило понять, что эта конверсия происходит через стадии, которые обеспечиваются определенной метаболической группой бактерий. Если, например, в ассоциации целлюлолитическая бактерия представлена Clostridium thermo-cellurn, то она гидролизует целлюлозу до целлобиозы и глюкозы с помощью внеклеточных целлюлолитических ферментов. Clostridium thermocellum сбраживает часть сахаров до молочной и уксусной кислот, этанола, С02 и Н2. Однако, если Clostridium thermocellum не имеет спутников, глюкоза и целлобиоза накапливаются в среде и, наконец, достигают концентрации, когда они ингибируют целлюлолитическую систему. Если в среде имеется другая бактерия, способная метаболизировать глюкозу и целлобиозу, она потребляет эти сахара и продуцирует соответствующие метаболиты.
Если целлюлолитическая бактерия представлена Clostridium thermohydrosulfuricum, то она из глюкозы и целлобиозы образует те же продукты, что и С. thermocellum. При совместном культивировании эти бактерии более эффективно разлагают целлюлозу, чем одна Clostridium thermocellum, при этом тип метаболизма бактерии-спутника определяет, какими будут продукты в среде. В смешанной культуре Clostridium thermocellum и Thermoanaerobacter ethanolicus, продуцирующей этанол и С02, основными продуктами разложения целлюлозы являются этанол и С02 (Ljungdahl, Eriksson, 1985).
Бактериальные целлюлазы термофильных и мезофильных организмов представляют интерес с точки зрения применения их для получения этанола из целлюлозы. С этой целью целесообразно использование культуры видов Clostridium. Целлюлазы, секретируемые этими микроорганизмами,— это эндо- и экзоглю-каназы с оптимумом pH 5,2 и 5,4, температуры — 65 и 67 °С соответственно. Внеклеточная целлобиаза у Clostridium thermo-
31
cellum отсутствует. И хотя целлюлазы этого организма слабо ингибируются глюкозой и целлобиозой, скорость осахаривания целлюлозы вдвое меньше, чем для целлюлаз Trichoderma reesei. Установлено, что на поверхности Clostridium thermocellum образуются сложно организованные многоферментные комплексы'— целлюлосомы, которые ответственны за прикрепление клетки к целлюлозе и выделение ферментов в среду. Внеклеточные и связанные на клеточной стенке целлюлозосвязующие факторы (ЦСФ) идентичны по молекулярной массе, строению и составу субъединиц, а также иммунологически (Lamed et al., 1983а).
ЦСФ, выделенный из культуры Clostridium thermocellum, представляет собой комплекс субъединиц с ММ 2100000 и размером молекулы 18 нм. Субъединицы имеют сложную четвертичную структуру. Комплекс разделяется на 14 полипептидных цепочек. По крайней мере 8 полипептидных компонентов ЦСФ обладают целлюлолитической активностью. Предполагается, что ЦСФ — это многокомпонентный комплекс или группа комплексов с индивидуальной антигенностью, множественной целлюлаз-ной активностью и способностью связываться на целлюлозе. ЦСФ не только ответствен за плотное сцепление клеток с целлюлозой, но также представляет собой основную часть целлюлоли-тического аппарата этого организма (Bayer et al., 1983).
У мутантов, потерявших способность к адгезии, этот фактор отсутствует. Полагают, что в процессе адгезии взаимодействие субстрата с антигенным фактором, который является высокомолекулярным полипептидом, может индуцировать синтез целлюлаз. Частичная денатурация внеклеточного фактора додецил-сульфатом натрия вызывает распад комплекса на соответствующие субъединицы. Полученные данные, по мнению авторов, указывают на определенную организацию эндо- и экзоцеллюлаз в родственные мультиэизнмные комплексы, названные целлю-лосомами. Видимо (Lamed et al., 1983а), целлюлазы образуют на поверхности субстрата тонкую сложную структуру. Это муль-тиэнзимная высокоорганизованная структура, ответственная как за клеточную адгезию, так и за эффективность ферментативного гидролиза вследствие создания пространственной близости различных комплиментарных ферментов. Такая структура на клеточной поверхности, как целлюлосома, может быть важным фактором эффективной деградации целлюлозы анаэробными бактериями.
