metabolit wtórny

1 Wprowadzenie

metabolity wtórne (SMs) to związki o zróżnicowanej i wyrafinowanej strukturze chemicznej, wytwarzane przez mikroorganizmy po fazie szybkiego wzrostu. Związki te nie są niezbędne do wzrostu, więc zostały opisane jako SMs w opozycji do pierwotnych metabolitów (takich jak aminokwasy, nukleotydy, lipidy i węglowodany).

mimo że antybiotyki są najbardziej znane, ostatnie dziesięciolecia były fazą szybkiego odkrywania nowych działań i rozwoju głównych związków stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu, zwłaszcza farmaceutycznego i kosmetycznego, Żywności, Rolnictwa i rolnictwa. Drobnoustrojowe SMs są obecnie coraz częściej stosowane w chorobach wcześniej leczonych wyłącznie lekami syntetycznymi; na przykład jako leki przeciwzapalne, hipotensyjne, przeciwnowotworowe, antycholesterolemiczne, leki moczopędne i przeciwpasożytnicze. Ponadto nowe metabolity drobnoustrojów są stosowane w dziedzinach niemedycznych, takich jak rolnictwo, z głównymi herbicydami, insektycydami, regulatorami wzrostu roślin i przyjaznymi dla środowiska herbicydami i pestycydami, a także innymi produktami przemysłowymi, takimi jak pigmenty i środki powierzchniowo czynne .

z badań nad płynnym medium wiadomo, że produkcja SMs rozpoczyna się, gdy wzrost jest ograniczony wyczerpaniem jednego kluczowego składnika odżywczego: węgla, azotu lub źródła fosforanu (przesunięcie żywieniowe w dół). Na przykład biosynteza penicyliny przez Penicillium chrysogenum rozpoczyna się, gdy glukoza jest wyczerpana z pożywki hodowlanej, a grzyb zaczyna spożywać laktozę, rzadziej wykorzystywany cukier . Tak więc kultura jest ukierunkowana na stosunkowo krótką fazę wzrostu oraz długą i wydajną fazę produkcji. Innymi słowy, różne produkty (jednorodne metabolity, enzymy itp.) wymagają innego projektowania i kontroli procesu fermentacji.

w związku z tym ważne jest, aby wziąć pod uwagę, że produkt jest SM, a także jego regulację, aby zaprojektować wydajny proces, z odpowiednim ograniczającym składnikiem pokarmowym (- ami). Ponadto zrozumienie regulacji SMs tradycyjnie stanowiło podstawę projektowania procesu, a także pomoc w opracowywaniu szczepów produkcyjnych.

jednak pojawienie się inżynierii genetycznej, genomiki i innych zaawansowanych narzędzi molekularnych przyczyniło się do bardzo szybkiego postępu w zrozumieniu regulacji SM, która jest tylko powoli stosowana.

badania wskazują, że oprócz bodźców żywieniowych (wyczerpanie składników odżywczych) istnieją inne nieoczekiwane bodźce środowiskowe, które wywołują SMs, takie jak natężenie światła, pH i status redox. Ponadto stwierdzono, że nawet małe cząsteczki, które reprezentują komunikację wewnątrzgatunkową lub międzygatunkową, mogą wywoływać SMs.

te nowe badania ujawniły bardziej złożoną panoramę regulacji SM, z różnymi poziomami hierarchicznymi, w tym regulacjami epigenetycznymi, globalnymi regulatorami i regulatorami specyficznymi dla szlaku. Te obwody regulacyjne są zazwyczaj aktywowane przez systemy, które wyczuwają te różne sygnały środowiskowe (kaskady transdukcji sygnału).

ma to sens, ponieważ w ich naturalnym środowisku mikroorganizmy (w szczególności grzyby i promieniowce) są optymalnie przystosowane do wyczuwania i reagowania na warunki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność, dostępność składników odżywczych, konkurenci, a nawet potencjalni partnerzy godowi, często odpowiadając SMs-ami.

w konwencjonalnych fermentacjach przemysłowych, chociaż w bardzo sztucznym środowisku, mikroorganizmy nadal przestrzegają swojego ewolucyjnego Dziedzictwa regulacji genów zgodnie z sygnałami wyczuwanymi w ich pobliżu. Oznacza to, że w tych reaktorach fermentacji zanurzonej (SmF) brakuje wielu ważnych sygnałów, a zatem pełny potencjał produkcyjny mikroorganizmu jest prawdopodobnie niedostatecznie wykorzystany.

z drugiej strony, fermentacja w stanie stałym (SSF) może zapewnić warunki środowiskowe bliższe tym w ich naturalnym środowisku, więc może to wyjaśnić wyjątkową wydajność w zakresie produkcji SMs i enzymów w tym systemie hodowli.

badania wykazały specyficzne dla SSF bodźce środowiskowe, które mają ogromny wpływ na produkcję SM. W związku z tym lista bodźców wywołujących SMs wydłużyła się, przedstawiając nowe możliwości projektowania lepszych procesów i wykrywania potencjalnych celów poprawy genetycznej.

pierwsza część tego rozdziału zawiera przegląd klasycznych mechanizmów, które kontrolują SMs i opisuje niektóre zastosowania w procesie i ulepszaniu szczepów. Druga część opisuje nowe i rozszerzone spojrzenie na regulacje na różnych poziomach. Następnie analizowane są ustalenia dotyczące regulacji SM w SSF oraz jej związek z wytycznymi środowiskowymi dla SSF wywołującymi SM. W ostatniej części dokonano przeglądu rzeczywistych i potencjalnych zastosowań tych nowych odkryć w procesie rozwoju i ulepszania genetycznego szczepów.