secundaire metaboliet
1 Inleiding
secundaire metabolieten (SMs) zijn verbindingen met gevarieerde en geavanceerde chemische structuren, geproduceerd door micro-organismen na de snelle groeifase. Deze samenstellingen zijn niet essentieel voor de groei, zodat zijn zij beschreven als SMs in tegenstelling tot primaire metabolites (zoals aminozuren, nucleotiden, lipiden, en koolhydraten).Hoewel antibiotica het meest bekende SMs zijn, zijn de laatste decennia een fase geweest waarin snel nieuwe activiteiten werden ontdekt en belangrijke verbindingen werden ontwikkeld die op verschillende industriële gebieden kunnen worden gebruikt, met name in de farmaceutische en cosmetische industrie, de voedingsmiddelenindustrie, de landbouw en de landbouw. Microbiële SMs worden nu steeds meer toegepast op ziekten die voorheen alleen met synthetische drugs werden behandeld; bijvoorbeeld als ontstekingsremmende, hypotensieve, antitumor, anticholesterolemische, uterocontractanten en antiparasitaire middelen. Bovendien worden nieuwe microbiële metabolieten gebruikt in niet-medische gebieden zoals de landbouw, met belangrijke herbiciden, insecticiden, plantengroeiregulatoren en milieuvriendelijke herbiciden en pesticiden, evenals andere industriële producten zoals pigmenten en oppervlakteactieve stoffen .
uit studies in vloeibaar medium is nu bekend dat de productie van SMs begint wanneer de groei wordt beperkt door de uitputting van één belangrijke nutriënt: koolstof, stikstof of fosfaatbron (nutritionele verschuiving). Bijvoorbeeld, begint de biosynthese van penicilline door Penicillium chrysogenum wanneer de glucose van het cultuurmedium wordt uitgeput en de schimmel begint lactose, een minder gemakkelijk gebruikte suiker te consumeren . De cultuur is dus gericht op een relatief korte groeifase en een lange en efficiënte productiefase. Met andere woorden, verschillende producten (unaire metabolieten, enzymen, enz.) moeten verschillende fermentatie proces ontwerp en controle.
daarom is het belangrijk om in overweging te nemen dat het product een SM is en ook de regulering ervan, om een efficiënt proces te ontwerpen, met de juiste beperkende nutriënt(en). Bovendien is het inzicht in de regulering van SMs van oudsher de basis voor het procesontwerp en ook een hulpmiddel bij de ontwikkeling van productiestammen.
de komst van genetische manipulatie, genomica en andere geavanceerde moleculaire instrumenten hebben echter een zeer snelle vooruitgang in het begrip van de regulering van SM bevorderd, die slechts langzaam wordt toegepast.
Studies tonen aan dat er, naast nutritionele stimuli (nutriënten uitputting), nog andere onverwachte omgevingsstimuli zijn die SMs induceren, zoals lichtintensiteit, pH en redoxstatus. Bovendien is gebleken dat zelfs kleine moleculen, die intra – of interspecies communicatie vertegenwoordigen, SMs kunnen induceren.
deze nieuwe studies hebben een complexer panorama van SM-regulering blootgelegd, met verschillende hiërarchische niveaus, waaronder epigenetische regulering, mondiale regulatoren en trajectspecifieke regulatoren. Deze regelcircuits worden over het algemeen geactiveerd door systemen die deze verschillende omgevingssignalen (signaaltransductiecascades) waarnemen.
dit is zinvol, omdat in hun natuurlijke habitat micro-organismen (schimmels en actinomyceten in het bijzonder) optimaal zijn aangepast aan de omgevingsomstandigheden zoals temperatuur, vochtigheid, beschikbaarheid van nutriënten, concurrenten en zelfs potentiële paringspartners, die vaak reageren met SMs.
in conventionele industriële fermentaties, hoewel in een zeer kunstmatige omgeving, hechten micro-organismen nog steeds aan hun evolutionaire erfgoed van genregulatie volgens signalen die in hun omgeving worden waargenomen. Dit betekent dat veel belangrijke signalen ontbreken in deze submerged fermentation (SmF) reactoren, waardoor het volledige productiepotentieel van het micro-organisme zeer waarschijnlijk onderbenut is.
anderzijds kan vaste-state fermentatie (SSF) milieuomstandigheden opleveren die dichter bij die in hun natuurlijke habitat liggen, dus dit zou de uitstekende prestaties met betrekking tot de productie van SMs en enzymen in dit kweeksysteem kunnen verklaren.
Studies hebben SSF-specifieke milieustimuli geïdentificeerd die een enorm effect hebben op de productie van SM. Vandaar dat de lijst van SMs-inducerende stimuli is verlengd, wat nieuwe mogelijkheden biedt om betere processen te ontwerpen en potentiële doelen voor genetische verbetering te spotten.
het eerste deel van dit hoofdstuk geeft een overzicht van de klassieke mechanismen die SMs beheersen en beschrijft enkele toepassingen in proces-en rekversterking. In het tweede deel wordt de nieuwe en uitgebreide visie op regelgeving op de verschillende niveaus beschreven. Hierna worden de bevindingen over SM-regulering in SSF en de relatie ervan met SSF-specifieke omgevingsfactoren die SM induceren, onderzocht. In het laatste deel worden de huidige en potentiële toepassingen van deze nieuwe bevindingen herzien om de ontwikkeling van processen en de genetische verbetering te beïnvloeden.