Metabolita secondario

1 Introduzione

I metaboliti secondari (SMs) sono composti con strutture chimiche varie e sofisticate, prodotte da microrganismi dopo la fase di rapida crescita. Questi composti non sono essenziali per la crescita, quindi sono stati descritti come SMS in opposizione ai metaboliti primari (come amminoacidi, nucleotidi, lipidi e carboidrati).

Anche se gli antibiotici sono gli SMS più noti, gli ultimi decenni sono stati una fase di rapida scoperta di nuove attività e sviluppo di importanti composti d’uso in diversi settori industriali, in particolare farmaceutico e cosmetico, alimentare, agricolo e agricolo. Gli SMS microbici sono ora sempre più applicati a malattie precedentemente trattate solo da droghe sintetiche; ad esempio, come antinfiammatori, ipotensivi, antitumorali, anticolesterolemici, uterocontrattanti e agenti antiparassitari. Inoltre, nuovi metaboliti microbici vengono utilizzati in campi non medici come l’agricoltura, con i principali erbicidi, insetticidi, regolatori di crescita delle piante e diserbanti e pesticidi rispettosi dell’ambiente, nonché altri prodotti industriali come pigmenti e tensioattivi .

Da studi in mezzo liquido, è ora noto che la produzione di SMS inizia quando la crescita è limitata dall’esaurimento di un nutriente chiave: carbonio, azoto o fonte di fosfato (spostamento nutrizionale verso il basso). Ad esempio, la biosintesi della penicillina da parte del Penicillium chrysogenum inizia quando il glucosio viene esaurito dal terreno di coltura e il fungo inizia a consumare lattosio, uno zucchero meno facilmente utilizzato . Pertanto, la cultura è diretta verso una fase di crescita relativamente breve e una fase di produzione lunga ed efficiente. In altre parole, diversi prodotti (metaboliti unari, enzimi,ecc.) bisogno di diversi processo di fermentazione di progettazione e di controllo.

Di conseguenza, è importante considerare che il prodotto è un SM e anche la sua regolazione, per progettare un processo efficiente, con gli opportuni nutrienti limitanti. Inoltre, la comprensione della regolamentazione degli SMS è stata tradizionalmente la base per la progettazione del processo e anche un aiuto nello sviluppo di ceppi di produzione.

Tuttavia, l’arrivo dell’ingegneria genetica, della genomica e di altri sofisticati strumenti molecolari hanno promosso un avanzamento molto veloce nella comprensione della regolazione della SM che viene applicata solo lentamente.

Gli studi indicano che, oltre agli stimoli nutrizionali (esaurimento dei nutrienti), ci sono altri stimoli ambientali inaspettati che inducono SMs, come l’intensità della luce, il pH e lo stato redox. Inoltre, è stato scoperto che anche piccole molecole, che rappresentano la comunicazione intra – o interspecie, possono indurre SMS.

Questi nuovi studi hanno svelato un panorama più complesso della regolazione SM, con diversi livelli gerarchici, tra cui la regolazione epigenetica, i regolatori globali e i regolatori specifici della via. Questi circuiti regolatori sono generalmente attivati da sistemi che percepiscono questi diversi segnali ambientali (cascate di trasduzione del segnale).

Questo ha senso, poiché nel loro habitat naturale i microrganismi (funghi e actinomiceti in particolare) sono adattati in modo ottimale per percepire e rispondere alle condizioni ambientali come temperatura, umidità, disponibilità di nutrienti, concorrenti e persino potenziali partner di accoppiamento, spesso rispondendo con SMS.

Nelle fermentazioni industriali convenzionali, sebbene in un ambiente molto artificiale, i microrganismi aderiscono ancora al loro patrimonio evolutivo di regolazione genica secondo i segnali percepiti nelle loro vicinanze. Ciò significa che molti segnali importanti mancano in questi reattori a fermentazione sommersa (SmF), e quindi il pieno potenziale di produzione del microrganismo è molto probabilmente sottoutilizzato.

D’altra parte, la fermentazione allo stato solido (SSF) può fornire condizioni ambientali più vicine a quelle del loro habitat naturale, quindi questo potrebbe spiegare le eccezionali prestazioni per quanto riguarda la produzione di SMS ed enzimi in questo sistema di coltura.

Gli studi hanno identificato stimoli ambientali specifici per SSF che hanno un enorme effetto sulla produzione di SM. Da qui l’elenco degli stimoli che inducono SMS si è allungato, rappresentando nuove opportunità per progettare processi migliori e individuare potenziali obiettivi per il miglioramento genetico.

La prima parte di questo capitolo esamina i meccanismi classici che controllano gli SMS e descrive alcune applicazioni nel miglioramento del processo e della deformazione. La seconda sezione descrive la nuova e ampliata visione della regolamentazione nei loro diversi livelli. Successivamente, vengono esaminati i risultati sulla regolazione SM in SSF e la sua relazione con segnali ambientali specifici per SSF che inducono SM. L’ultima sezione rivede le applicazioni reali e potenziali di queste nuove scoperte per elaborare lo sviluppo e il miglioramento genetico dei ceppi.