Biotehnologia producerii lizinei

Biotehnologia producerii lizinei

Lizina este un aminoacid esential utilizat in cantitati mari in alimentatia omului si animalelor, pentru a suplini carenta sa in hrana de origine vegetala. Exista 3 cai de obtinere:

- extractia din produse naturale (cazeina, gelatina, glutenul din grau sau soia). Aceasta metoda nu este economica deoarece foloseste cantitati mari de produse prime, are productie scazuta si pret ridicat. Rezulta L lizina;

- sinteza chimica (folii);

- biosinteza, care foloseste materii prime ieftine dar necesita timp, iar lizina trebuie separata de ceilalti aminoacizi din mediu. Este un procedeu complicat.

Primul procedeu s-a realizat in 1956, lizina obtinandu-se in 2 etape:

1. biosinteza acidului diaminopimelic (DAP);

2. decarboxilarea enzimatica a acidului diaminopimeloc.

In prima faza se cultiva pe un extract de porumb si adaus de saruri minerale o mutanta lizino-dependenta de Eschericlia coli, capabila sa produca acumularea de acid diaminopimeloc. Simultan se cultiva o tulpina de Eschericlia coli care poseda DAP carboxilaza, enzima care produce decarboxilarea acidului DAP cu formare de lizina. Apoi se amesteca cele doua solutii nutritive si se continua fermentatia, timp in care are loc decarboxilarea DAP, rezultand lizina. Sinteza in 2 etape a fost abandonata si in prezent se foloseste sinteza directa (Japonia 1958), folosind ca agent mutageni UV sau radiatii pentru a obtine:

mutante auxotrofe de homoserina si metionina;

mutante auxotrofe de homoserina si biotina;

mutante auxotrofe de metionina;

mutante auxotrofe de metionina si leucina;

mutante auxotrofe de izoleucina.

Cele mai bune rezultate sub raportul acumularii de lizina s-au obtinut cu mutante auxotrofe de homoserina si biotina. Conform procedeului elaborat de firmele japoneze, se cultiva o mutanta de Corynebacterius glutamicum pe un mediu ce contine sursa de carbon, azot, saruri minerale si aminoacizi (homoserina, metionina, treonina) si se obtine direct L-lizina.

Fermentatia se produce in conditii aerobe la 24-37°C, pH=5-8,5. Durata fermentatiei este de 4-5 zile. Se acumuleaza 20-25 g/l lizina. Din mediu se separa lizina in stare pura prin adsorbtie pe cationiti puternici, eluare cu o baza slaba, concentrarea eluatului si cristalizarea produsului pur. Pentru producerea de uz veterinar, biomasa rezultata se prelucreaza prin atomizare, obtinandu-se in final un amestec de 10% L-lizina in masa bacteriana.

Factorii care influenteaza producerea de lizina

- concentratia de biotina in mediu: o acumulare remarcabila de lizina are loc intr-un mediu cu o concentratie optima de biotina. Pentru o concentratie mai mica de biotina se acumuleaza glucoza;

- concentrata de aminoacizi din mediu: folosind mutante auxotrofe de homoserina, rezulta in medii continand mari de homoserina. Homoserina poate fi inlocuita cu o cantitate de metionina si treonina.

Reglarea biosintezei

Lizina apartine familiei acidului aspartic fiind produs din acesta pe o cale ramificata, impreuna cu treonina, metionina, izoleucina. Calea de biosinteza este acceptata la toate bacteriile testate, dar difera mecanismul de control metabolic.

La Corynebacterium glutamicum si Brevibacterium exista numai doua puncte critice in care biosinteza lizinei poate fi limitativa. Aspartokinaza a carei activitate poate fi utilizata printr-o inhibitie de tip feed-back concertata de prezenta simultana a unui exces de lizina si treonina in mediu. Nici unul dintre acesti 2 aminoacizi nu poate exercita aceasta inhibitie separat ci numai impreuna.

Influenta factorilor de mediu asupra biosintezei L-lizinei

compozitia mediului de cultura;

aportul de oxigen;

pH, agitare, temperatura, timp.

Compozitia mediului de cultura are rol hotarator in biosinteza lizinei, pentru ca microorganismele necesare sunt surse de carbon, azot, aminoacizi, substante minerale. Acestea trebuie sa fie dotaze in limite foarte stranse.

Sursa de carbon. Lizina se obtine industrial pe un mediu de cultura care contine glucoza si zaharoza. Se mareste productia de lizina. O buna sursa de carbon este melasa - subprodus de la fabricarea zaharului, cu compozitie complexa, folosita si ca sursa de saruri, vitamine, aminoacizi. Melasele difera intre ele prin pH, continut de aminoacizi, biotina, zaharoza invertita, dar si prin substante daunatoare: caramel, substante humice si substante melanoide. Melasele au pH scazut, cu procente ridicate de zaharoza invertita, din care lipsesc metioninele cu continut ridicat de substante colorate (caramel, substante melanoide), rezultand un nivel scazut de aminoacizi.

Melasele au fost delimitate in 3 categorii:

calitatea I, cu 40-50 g/l lizina;

calitatea II, cu 30-40 g/l lizina;

melasa necorespunzatoare biosintezei lizinelor.

Alte surse de carbon: suc de sfecla de zahar si saruri minerale, cand se obtin in 48 h, 22,2 g lizina (Cehia).