Біотехнологія мікробного синтезу

Біотехноло́гія мікро́бного си́нтезу, мікро́бна біотехноло́гія, промисло́ва мікробіоло́гія — галузь науки і техніки, яка використовує потенціал мікроорганізмів (бактерій, грибів, зокрема й їхніх одноклітинних форм — дріжджів, а також водоростей, архей) для отримання корисних для людини продуктів та речовин.

Історична довідка

Зародження біотехнології мікробного синтезу пов’язано з розвитком мікробіології як науки у 19 ст. Дослідження Л. Пастера, Р. Коха, С. Виноградського уможливили культивування мікроорганізмів у контрольованих умовах. Першим промисловим продуктом мікробного синтезу вважають етанол (див. Спирт етиловий), отриманий шляхом бродіння.

Із розвитком ферментаційної техніки у 1920-х почалося виробництво кислот органічних: кислоти молочної, кислоти лимонної. У 1940-х розвитку галузі сприяв синтез першого антибіотика пеніциліну. У 1970–1980-х завдяки методам інженерії генетичної у мікробному синтезі почали використовувати створення рекомбінантних штамів для продукування білків терапевтичної дії: інсуліну, інтерферону, соматотропіну тощо.

Характеристика

Біотехнологія мікробного синтезу включає розроблення та застосування методів, які дозволяють використовувати мікроорганізми для синтезу біологічно активних речовин, зокрема, ферментів, антибіотиків, вітамінів, амінокислот та інших сполук, необхідних у медицині, харчовій промисловості, хімічній промисловості та інших галузях промисловості.

Методологія

Об’єктом дослідження біотехнології мікробного синтезу є біологічні агенти — мікроорганізми, які використовуються як продуценти цільових продуктів. Предметом дослідження є біотехнологічні процеси мікробного синтезу, включно з їхньою біохімічною основою, регуляція метаболізму (див. Обмін речовин), генетичні модифікації, технології культивування та методи отримання й очищення цільових продуктів. Мікробний синтез передбачає:

• вибір продуцента — природного або генно-модифікованого штаму;
• оптимізацію умов культивування (водневий показник (pH), температура, аерація, джерела вуглецю та азоту);
• регуляцію метаболізму для підвищення виходу продукту (використання індукторів, попередників біосинтезу, інгібіторів побічного метаболізму);
• масштабування процесів (від лабораторного ферментера до промислових біореакторів);
• виділення, очищення і стандартизацію продукту.

Структура

Основні напрями мікробного синтезу:

• синтез ферментів (наприклад, амілази, протеази, целюлази);
• біосинтез антибіотиків (наприклад, пеніцилін, цефалоспорини, тетрациклін, поліміксин);
• виробництво амінокислот (наприклад, глутамінова кислота, лізин, треонін);
• отримання вітамінів (В_₂, В_₁₂, С);
• біосинтез органічних кислот (наприклад, молочної, лимонної, оцтової кислоти);
• біосинтез спиртів та інших органічних розчинників (наприклад, етанол, бутанол, ацетон);
• виробництво біодобрив, біопестицидів, біостимуляторів росту рослин;
• одержання біомаси харчового (хлібопекарські дріжджі, заквашувальні композиції для виготовлення кисломолочних продуктів) та лікувально-профілактичного (пробіотики, вакцини) призначення;
• синтез практично важливих полімерів (наприклад, полігідроксиалканоати — біодеградабельні замінники традиційних пластмас).

Синтез ферментів. Основні класи ферментів (відповідають класифікації ферментів — Enzyme Commission Code (EС)), які синтезують мікроорганізми, включають гідролази (EC 3), трансферази (EC 2) та ізомерази (EC 5). Найбільше промислове значення мають гідролази, зокрема: амілази (α-, β-, глюкоамілаза, пуллуланаза), глікозидази (оліго-1,6-глюкозидаза), протеази (ендо- та екзопептидази, включно з сериновими, металопротеази, цистеїнові, аспарагінові) та ліпази. Ці ферменти каталізують реакції гідролізу, відповідно, вуглеводів, білків і ліпідів, а також використовуються у трансформаційних процесах (етерифікація, алкоголіз). Промислове значення мають і інші мікробні ферменти: β-галактозидаза (лактаза), естерази, фосфоліпази, ліпоксигенази, ксиланази, глюкозооксидаза, лаккази, каталаза, пероксидаза, аспарагіназа, тирозиназа, нарингіназа, лімоніназа, α-ацетолактатдекарбоксилаза, мальтогенна амілаза. Ці ферменти широко застосовують у харчовій, текстильній промисловості, фармацевтичній промисловості, целюлозно-паперовій та хімічній промисловості, у виробництві мийних засобів.

Біосинтез антибіотиків. За допомогою біотехнологій мікробного синтезу промислово одержують мішені антибіотичних речовин, які включають реплікацію дезоксирибонуклеїнової кислоти (актиноміцин, блеоміцин та гризеофульвін), транскрипцію (рифаміцин), трансляцію 70-S рибосомами (хлорамфенікол, тетрациклін, лінкоміцин, еритроміцин та стрептоміцин), транскрипцію 80-S рибосомами (циклогексамід), транскрипцію 70- та 80-S рибосомами (пуроміцин та фузидова кислота), синтез клітинної стінки (циклосерин, бацитрацин, пеніцилін, цефалоспорин та ванкоміцин) та клітинні мембрани (поверхнево-активні речовини, включно з поліміксином і амфотерицином; каналотвірні йонофори, такі як лінійний граміцидин; та мобільні йонофори-носії, зокрема монензин). До промислово важливих продуктів мікробного синтезу належать антибіотики, які є протипухлинними агентами (доксорубіцин, даунорубіцин, мітоміцин, блеоміцин).

Виробництво амінокислот. Найактивніше в промисловості продукують L-форму амінокислот: глутамінову (за участі Corynebacterium glutamicum), лізин (Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum), треонін, триптофан, метіонін, валін та ін. Синтез забезпечується шляхом генної модифікації продуцентів, блокуванням конкурентних шляхів, активацією аніонного транспорту або пригніченням зворотного зв’язку. Амінокислоти, отримані шляхом мікробного синтезу, широко застосовують як підсилювачі смаку (глутамат натрію), у фармацевтичній промисловості, як попередники біологічно активних речовин, а також у виробництві кормових добавок.

Отримання вітамінів. Мікробним синтезом одержують промислово важливі вітаміни групи B і вітамін C. Вітамін В_₂ (рибофлавін) синтезують за участі Ashbya gossypii, Bacillus subtilis, Candida famata; вітамін В_₁₂ – Propionibacterium freudenreichii, Pseudomonas denitrificans, Streptomyces griseus; вітамін С ( аскорбінова кислота) отримують шляхом прямого мікробного синтезу за використання Ketogulonicigenium vulgare або мікробної трансформації хімічно синтезованого попередника (синтез Рейхштейна) за участі Acetobacter suboxydans або Gluconobacter oxydans.

Біосинтез органічних кислот. Найпоширенішими продуктами мікробного синтезу є лимонна кислота (отримують за участі Aspergillus niger, генно модифікованих штамів Yarrowia lipolytica), молочна кислота (Lactobacillus spp., Bacillus coagulans), оцтова кислота (Acetobacter aceti), глюконова кислота (Gluconobacter oxydans), бурштинова кислота (Actinobacillus succinogenes, генно модифіковані штами Escherichia coli), мурашина, яблучна, піровиноградна кислоти та ін. Органічні кислоти широко застосовують у харчовій, фармацевтичній, текстильній та хімічній промисловості.

Біосинтез спиртів та інших органічних розчинників. Мікроорганізми здатні синтезувати широкий спектр органічних розчинників, зокрема спиртів. Етанол одержують із цукровмісної сировини за участі дріжджів Saccharomyces cerevisiae, бактерій Zymomonas mobilis. Бутанол і ацетон одержують за допомогою ацетобутилового бродіння із використанням бактерій Clostridium acetobutylicum. Також перспективними є штами Escherichia coli, які генетично модифікують для підвищення продуктивності синтезу ізопропанолу, ізобутанолу та інших розчинників.

Виробництво біодобрив, біопестицидів, біостимуляторів росту рослин. Мікробні біотехнології широко використовуються для виробництва засобів екологічно безпечного землеробства. Азотфіксувальні бактерії Rhizobium, Azotobacter та Bradyrhizobium застосовують для створення біодобрив. Bacillus thuringiensis продукує токсини, ефективні проти шкідників, що використовується як основа для біопестицидів. Pseudomonas fluorescens і Bacillus subtilis продукують фітогормони (ауксини, цитокініни), які діють як біостимулятори (див. Біогенні стимулятори) росту рослин.

Одержання біомаси. Біомаса мікроорганізмів використовується у виробництві харчових продуктів та лікарських засобів. Хлібопекарські дріжджі (Saccharomyces cerevisiae) є джерелом білка та вітамінів групи B. Заквашувальні композиції для кисломолочних продуктів формують із штамів Lactobacillus delbrueckii, Streptococcus thermophilus, Bifidobacterium spp. та ін. Пробіотики (Lactobacillus rhamnosus, Bifidobacterium bifidum) застосовують для відновлення мікробіоти кишківника, а рекомбінантні вакцини виробляють із використанням Saccharomyces cerevisiae або Escherichia coli як біофабрик.

Синтез практично важливих полімерів. Мікроорганізми використовують для біосинтезу біополімерів, які є екологічною альтернативою синтетичним пластикам. Полігідроксіалканоати (ПГА), зокрема полігідроксибутират (ПГБ), синтезують такі бактерії, як Cupriavidus necator, Alcaligenes eutrophus і Bacillus megaterium. Ці полімери біорозкладні, їх застосовують у виробництві упаковки та медичних імплантів, у сільському господарстві. Також перспективними є мікробні продуценти ксантанової та геланової камеді (Xanthomonas campestris, Sphingomonas elodea), які використовують як загущувачі й стабілізатори.

Розвиток наукових досліджень

Значний внесок у розвиток світової біотехнології мікробного синтезу зробили А. Флемінг, З. Ваксман, Г. Боєр (нар. 1936; США), С. Коен; в Україні — Є. Квасников, Т. П. Слюсаренко (1928–2006; Україна), В. С. Підгорський (нар. 1937; Україна), Т. П. Пирог (нар. 1958; Україна).

В Україні в другій половині 20 ст. вітчизняна індустрія мікроорганізмів бурхливо розвивалася: виникла нова галузь — мікробіологічна промисловість. Її головне завдання — виробництво біологічно активних сполук (білково-вітамінних концентратів, амінокислот, антибіотиків, ферментів, вітамінів, стимуляторів росту рослин тощо) сільськогосподарського та промислового призначення.

Підготовку фахівців у галузі біотехнології мікробного синтезу здійснює кафедра біотехнології і мікробіології Національного університету харчових технологій, яка була першою і впродовж понад двадцяти років залишалася єдиною в Україні, що забезпечувала навчання спеціалістів для мікробіологічної промисловості. Перший випуск біотехнологів (технологів мікробіологічних і вітамінних виробництв) відбувся 1971. Наукове підґрунтя біотехнології мікробного синтезу в Україні традиційно формувалося в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України. У 2021 на базі Біотехнологічного модуля установи створено лабораторію біотехнології мікробного синтезу, головним завданням якої визначено розроблення інноваційних біотехнологічних рішень для мікробіологічної та фармацевтичної промисловості.

Література

1. Demain A. L. Microbial Biotechnology // Trends in Biotechnology. 2000. Vol. 18, № 1. P. 26–31.
2. Підгорський В. С., Іутинська Г. О., Пирог Т. П. Інтенсифікація технологій мікробного синтезу. Київ : Наукова думка, 2010. 327 с.
3. Пирог Т. П., В. О. Красінько, Скроцька О. І. Становлення інженерної біотехнологічної освіти в Україні // Мікробіологічний журнал. 2014. Т. 76. № 3. С. 60–63.
4. González-Rojo S., Paniagua-García A.  I., Díez-Antolínez R. Advances in Microbial Biotechnology for Sustainable Alternatives to Petroleum-Based Plastics: A Comprehensive Review of Polyhydroxyalkanoate Production // Microorganisms. 2024. Vol. 12. № 8. 1668.
5. Singh S., Ashoka P., Ahlawat U. et al. Mechanisms and Applications of Microbial Biotechnology in Soil Health and Agricultural Productivity: a Review // Journal of Advances in Biology & Biotechnology. 2024. Vol. 27. № 7. P. 1420–1438.
6. Mokran S. Recent Status in Production, Biotechnological Applications, Commercial Aspects, and Future Prospects of Microbial Enzymes: a Comprehensive Review // International Journal of Agricultural Science and Food Technology. 2024. Vol. 10. Is. 1. P. 006–020.

Автор

В. О. Красінько, М. Л. Ломберг

Покликання на цю статтю: Красінько В. О., Ломберг М. Л. Біотехнологія мікробного синтезу // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Біотехнологія мікробного синтезу (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 29.12.2025