Sekundärmetabolit

1 Einleitung

Sekundärmetabolite (SMs) sind Verbindungen mit vielfältigen und komplexen chemischen Strukturen, die von Mikroorganismen nach der schnellen Wachstumsphase produziert werden. Diese Verbindungen sind für das Wachstum nicht essentiell, daher wurden sie im Gegensatz zu Primärmetaboliten (wie Aminosäuren, Nukleotiden, Lipiden und Kohlenhydraten) als essentiell beschrieben.

Obwohl Antibiotika das bekannteste Antibiotikum sind, waren die letzten Jahrzehnte eine Phase der raschen Entdeckung neuer Aktivitäten und der Entwicklung wichtiger Verbindungen, die in verschiedenen industriellen Bereichen, insbesondere Pharma und Kosmetik, Lebensmittel, Landwirtschaft und Landwirtschaft, verwendet werden. Mikrobielle Therapien werden jetzt zunehmend auf Krankheiten angewendet, die zuvor nur mit synthetischen Medikamenten behandelt wurden; zum Beispiel als entzündungshemmende, blutdrucksenkende, antitumorale, anticholesterinämische, Uterokontraktantien und antiparasitäre Mittel. Darüber hinaus werden neue mikrobielle Metaboliten in nichtmedizinischen Bereichen wie der Landwirtschaft mit wichtigen Herbiziden, Insektiziden, Pflanzenwachstumsregulatoren und umweltfreundlichen Herbiziden und Pestiziden sowie anderen Industrieprodukten wie Pigmenten und Tensiden eingesetzt .

Aus Studien in flüssigem Medium ist nun bekannt, dass die Produktion von SMs beginnt, wenn das Wachstum durch die Erschöpfung eines Schlüsselnährstoffs begrenzt ist: Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Phosphatquelle (Ernährungsumstellung). Zum Beispiel beginnt die Penicillin-Biosynthese durch Penicillium chrysogenum, wenn Glukose aus dem Kulturmedium erschöpft ist und der Pilz beginnt, Laktose, einen weniger leicht verwertbaren Zucker, zu konsumieren . Somit ist die Kultur auf eine relativ kurze Wachstumsphase und eine lange und effiziente Produktionsphase ausgerichtet. Mit anderen Worten, verschiedene Produkte (unäre Metaboliten, Enzyme usw.) benötigen unterschiedliche Fermentationsprozessgestaltung und -steuerung.

Folglich ist es wichtig zu berücksichtigen, dass das Produkt ein SM und auch seine Regulierung ist, um einen effizienten Prozess mit den entsprechenden Grenznährstoffen zu entwerfen. Darüber hinaus ist das Verständnis der Regulierung von SMs traditionell die Grundlage für die Prozessgestaltung und auch eine Hilfe bei der Entwicklung von Produktionsstämmen.

Die Ankunft von Gentechnik, Genomik und anderen hochentwickelten molekularen Werkzeugen hat jedoch einen sehr schnellen Fortschritt im Verständnis der Regulation von SM gefördert, der nur langsam angewendet wird.

Studien weisen darauf hin, dass es neben Ernährungsreizen (Nährstoffmangel) auch andere unerwartete Umweltreize gibt, die SMs induzieren, wie Lichtintensität, pH-Wert und Redoxstatus. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass selbst kleine Moleküle, die eine Intra- oder Interspezies-Kommunikation darstellen, SMs induzieren können.

Diese neuen Studien haben ein komplexeres Panorama der SM-Regulation mit verschiedenen Hierarchieebenen enthüllt, einschließlich epigenetischer Regulation, globaler Regulatoren und Pathway-spezifischer Regulatoren. Diese Regelkreise werden im Allgemeinen von Systemen aktiviert, die diese verschiedenen Umgebungshinweise erfassen (Signaltransduktionskaskaden).

Dies ist sinnvoll, da Mikroorganismen (insbesondere Pilze und Actinomyceten) in ihrem natürlichen Lebensraum optimal angepasst sind, um die Umweltbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Nährstoffverfügbarkeit, Konkurrenten und sogar potenzielle Paarungspartner zu erfassen und darauf zu reagieren.

In konventionellen industriellen Fermentationen, obwohl in einer sehr künstlichen Umgebung, halten Mikroorganismen immer noch an ihrem evolutionären Erbe der Genregulation gemäß Signalen fest, die in ihrer Nähe wahrgenommen werden. Dies bedeutet, dass viele wichtige Signale in diesen untergetauchten Fermentationsreaktoren (SmF) fehlen und daher das volle Produktionspotenzial des Mikroorganismus sehr wahrscheinlich nicht ausgeschöpft wird.

Andererseits kann die Festkörperfermentation (SSF) Umweltbedingungen schaffen, die denen in ihrem natürlichen Lebensraum näher kommen, so dass dies die hervorragende Leistung bei der Produktion von SMs und Enzymen in diesem Kultursystem erklären könnte.

Studien haben SSF-spezifische Umweltreize identifiziert, die einen enormen Einfluss auf die SM-Produktion haben. Daher hat sich die Liste der SMs-induzierenden Stimuli verlängert, was neue Möglichkeiten darstellt, bessere Prozesse zu entwerfen und potenzielle Ziele für genetische Verbesserungen zu erkennen.

Der erste Teil dieses Kapitels behandelt die klassischen Mechanismen, die SMs steuern, und beschreibt einige Anwendungen in der Prozess- und Dehnungsverbesserung. Der zweite Abschnitt beschreibt die neue und erweiterte Sicht der Regulierung in ihren verschiedenen Ebenen. Danach werden die Ergebnisse zur SM-Regulation in SSF und ihre Beziehung zu SSF-spezifischen Umwelteinflüssen, die SM induzieren, untersucht. Im letzten Abschnitt werden die tatsächlichen und potenziellen Anwendungen dieser neuen Erkenntnisse für die Prozessentwicklung und die Verbesserung der Stammgenetik überarbeitet.