Самотьос Н.В.

Національний університет харчових технологій

Пролін: характеристика, значення для організму,

можливості мікробного синтезу

Амінокислоти є основним «будівельним матеріалом» для синтезу специфічних тканинних білків, ферментів, пептидних гормонів та інших фізіологічно активних сполук. Крім того, що амінокислоти утворюють білки, деякі з них також виконують роль нейромедіаторів або є їх попередниками [1].

За своєю хімічною структурою амінокислоти існують у двох формах (L та D форми). В процесі синтезу переважно утворюється рацемат – суміш D- і L-форм амінокислот. D-форма не має фізіологічної цінності для людини і тварини: вона не включається в обмін речовин і не засвоюється [2].

Амінокислота пролін належить до ряду замінних амінокислот та синтезується організмом людини за допомогою розщеплення про-колагенових білків. Має таку структурну формулу (див. рис.).

Рис. Структурна формула проліну

В Україні 10-15% дорослого населення страждає захворюваннями суглобів і змушені обмежувати свою активність, руху і спілкування з навколишнім світом [3]. Такі захворювання, як артрити, артрози, остеопорози, остеохондрози пов'язані з руйнуванням колагену – структурного білка всієї сполучної тканини. Саме пролін – головний помічник у зміцненні суглобів, кісток, шкіри, волосся і нігтів. При нестачі цієї амінокислоти в організмі людини спостерігається: ламкість нігтів, випадіння волосся, болі в суглобах, кровоточивість ясен, крововиливи в шкірі.

Головна функція цієї амінокислоти в організмі – утримувати вологу в зовнішньому шарі шкіри, що позитивно впливає на функціональний стан шкіри, сприяє її зволоженню, регенерації. Має живильну і ранозагоючу дію. Чинить антиоксидантну та зміцнюючу дію на шкіру в силу здатності нормалізувати мікроциркуляцію крові, метаболічні процеси та оновлення клітин. Завдяки цьому, помітно поліпшує стан шкіри, підвищує пружність і еластичність та користується попитом при реабілітації після втручання пластичної хірургії [4].

Виробництво проліну у тих масштабах, котрі потрібні суспільству, здійснюється двома способами: мікробіологічним і хімічним синтезом. Обидва способи забезпечують отримання природних амінокислот необхідної хімічної і оптичної чистоти, але при хімічному синтезі отримують рацемати амінокислот, які потребують додаткового розділення на оптичні ізомери [5]. Це є економічно невигідним, тому детальніше розглянемо мікробіологічний синтез, що ґрунтується на вирощуванні певних видів мікроорганізмів на поживних середовищах, що мають відповідне джерело вуглецю [6]. Після закінчення процесу ферментації амінокислоту виділяють з розчину хімічними або фізичними методами. До переваг цього методу відносяться – невелика кількість стадій отримання, а також відносно просте та універсальне обладнання. З іншого боку є і свої недоліки: живі мікроорганізми, з якими доводиться працювати, дуже чутливі до щонайменшої зміни умов навколишнього середовища, а концентрація цільового продукту виходить низькою, що веде до збільшення розмірів обладнання. Збільшити вихід амінокислот більше, ніж потрібно клітині для росту і життєдіяльності вкрай важко, саме тому стали створювати ауксотрофні та регуляторні мутанти [7].

Пролін можуть синтезувати ауксотрофні та рекомбінантні штами деяких бактерій, таких як Сorynebacterium glutamicum ATCC 21355 [8] ( ауксотрофний мутант, різкий приріст біомаси спостерігається при додаванні у поживне середовище глутамату натрію); Corynebacteryum glutamicum AJ11227 [9] (регуляторний мутант, який стійкий до аналогів цільової амінокислоти, а саме до DL-3,4-дегідропроліну, що спричиняє бактеріостатичну дію); Escherichia coli 702ilvA [10] (клітини природнього штаму були оброблені мутагеном N-метил-N-нітро-N-нітрозогуанідином, після чого було відібрано мутантний штам стійкий до аналогів проліну, а саме 3,4-дегідроксіпроліну та азетидин-2-карбоксилату – це доводить, що мутант регуляторний, а також біосинтез проліну було збільшено за рахунок зміни активності білка pYHGN), регуляторний штам Brevibacterium lactofermentum AJ 11225 [11] (клітини природного штаму були обробленні N-метил-N-нітро-N-нітрозогуанідином). Узагальнену характеристику технологічних особливостей одержання проліну з використанням різних продуцентів наведено у таблиці.

Таблиця

Синтез проліну різними штамами мікроорганізмів

Біологічний агент	Концентрація цільового продукту, г/л	Особливості технологічного процесу
Corynebacterium glutamicum ATCC 21355	38,9	Культивування відбувається при рН середовища 7,2, з додатковим дворазовим підживленням при постійній температурі. Температура культивування, 28 °С. Тривалість процесу культивування 96 годин
Corynebacterium glutamicum AJ 11227	12,0	Культивування відбувається при рН середовища 7,0 з додатковим дворазовим підживленням при сталій температурі 30°С Тривалість процесу культивування 72 години
Еscherichia coli 702ilvA	8,0	Культивування відбувається при рН середовища 7,2 без додаткового підживлення. Температура культивування, 37 °С. Тривалість процесу культивування 48 годин.
Brevibacterium lactofermentum AJ 11225	22,5	Культивування відбувається при рН середовища 7,0 з додатковим дворазовим підживленням. При температурі 30 °С та тривалості процесу культивування 72 години.

Враховуючи наведенні у таблиці данні, можна зробити висновок, що найвищий показник синтезу цільового продукту – 38,9 г/л, досягається при культивуванні культури С. glutamicum ATCC21355. Відповідно на другому місті за величиною концентрації біомаси є штам B. lactofermentum AJ 11225 – 22,5 г/л. На третьому – концентрація кінцевого продукту у культурі C. glutamicum AJ11227 –12 г/л, та найнижча концентрація кінцевого продукту у E. coli 702ilvA – 8 г/л. Однією із головних особливостей культивування С. glutamicum ATCC21355 є наявність у середовищі певної кількості біотину, а саме не менше ніж 5 мкг/л поживного середовища. Саме ця невелика кількість вітаміну індукує структурно-функціональні зміни в клітинній мембрані, завдяки чому збільшується її проникність та глутамінова кислота, перетворюючись на пролін виходить з клітин у культуральне середовище [12].

Література:

1. Что такое аминокислота? [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://www.eurolab.ua/encyclopedia/565/44775/

2. Васильківська М.К., Пенчук Ю.М. Сучасний стан та перспективи біотехнологічних методів виробництва амінокислот // Наукові праці НУХТ. – 2007. – Т. 45, № 7. – С. 12-15.

3. Журнал про бодибілдерів [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://www.tvoytrening.ru/racion-sportsmena/40-aminokisloti.html

4. Цепколенко В.А. Показатели антиоксидантной активности крови у женщин в различніх условиях реабилитации после пластических хирургических вмешательств // ГП «Украинский НИИ медицині транспорта» – 2005. – Т. 4, № 4 – С. 20-22.

5. Takors R., Bathe B., Rieping M., Hans S. Systems biology for industrial strains and fermentation processes—Example: Amino acids // J. Biotechnology. – 2007. – Vol. 129. – P. 181-190.

6. Блінов Н.П. Основи біотехнології. – Київ: Наука, 1995. – 295 с.

7. Leuchtenberger W., Huthmacher K., Drauz K. Biotechnological production of amino acids and derivatives: current status and prospects // Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2005. – Vol. 69. – P. 1-8.

8. Pat. 4444885 USA. Process for producing L-proline by fermentation / T. Nakanishi, H. Hagino. – Publ. 24.04.84.

9. Pat. 4224409 USA Metod for producing L-proline by fermentation / S. Nacamori, Y/ Hajumi – Publ. 23.09.80.

10. Пат. № 2215785 РФ. Способ получения L-аминокислот, штамм escherichia coli - продуцент L-аминокислоты / Е.А. Таболина // ЗАО «НИИ» – 20.03.2011.

11. Pat. 4224409A US. Method for producing L-proline by fermentation / S. Nakamori, H. Morioka. – Publ. 23.09.1980.

12. Пирог Т.П., Ігнатова О.А. Загальна біотехнологія: Підруч. – К.: НУХТ, 2009. – 335 с.