17. Metaboliti 1 e 2 (produzione amminoacidi)

PRODUZIONE INDUSTRIALE DI AMINOACIDI

I prodotti finali o intermedi del metabolismo energetico, che vengono prevalentemente riversati all'esterno della cellula, nel mezzo colturale, dal avviene l'estrazione e la purificazione, sono detti metaboliti primari. Questi prodotti possono, più nello specifico, derivare dal metabolismo anaerobico, come prodotti finali, per esempio acido lattico, acido propionico e acido butirrico. Altri acidi organici, per esempio l'acido citrico, sono invece ottenibili dal metabolismo aerobico, direttamente come intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs). Gli intermedi del ciclo di Krebs non sono, tuttavia, spontaneamente accumulati dalla cellula. Occorre pertanto intervenire a livello dei sistemi di controllo, in particolare sulla sintesi e sull'attività di enzimi specifici, che vanno incontro a meccanismi di inibizione/repressione da feedback operata dal prodotto. Anche gli amminoacidi appartengono alla classe.

Di metaboliti primari ottenibili da microrganismi. La via microbiologica è oggi potenzialmente sfruttabile per la produzione della maggior parte degli amminoacidi, anche se non per tutti è stato messo a punto il processo produttivo su larga scala. Tra quelli prodotti industrialmente da microrganismi, spiccano l'acido glutammico e la lisina.

La produzione industriale di aminoacidi mediante fermentazione microbica è aumentata in questi ultimi anni. Gli aminoacidi di maggiore importanza commerciale sono l'acido glutammico e la lisina. Molti microrganismi producono aminoacidi, ma non in quantità tali da rendere il processo fermentativo economico. Per ottenere l'accumulo si può intervenire con approcci diversi, che possono portare alla de-regolazione dei sistemi di controllo. Solitamente il microrganismo impiegato per la produzione di aminoacidi e, in particolare, di acido glutammico e lisina è il Corynebacterium Glutamicum. Inoculando il

mosto fatto di scarti zuccherinisterilizzati con ceppi di Corynebacterium Glutamicum, si ottiene una fermentazioneche porta alla formazione di un brodo ricco di amminoacidi. Una volta terminata lafermentazione, il brodo ricco di amminoacidi, viene sterilizzato, filtrato e raffinato,ottenendo l'amminoacido puro in forma cristallina, pronto per essere vendutoall'industria farmaceutica, alimentare e dei mangimi per animali.

DI LISINAPRODUZIONELa lisina, aminoacido essenziale (cioè non siamo in grado di sintetizzarlo), presente inbassa concentrazione nelle proteine vegetali, trova largo impiego come integratorenell'alimentazione a base di cereali, sia per l'uomo sia per gli animali. La viafermentativa per ottenere L-lisina risulta più economica rispetto ad altre procedure. Labiosintesi della lisina ha inizio da un intermedio del ciclo di Krebs, l'ossalacetato, ilquale viene convertito in acido-L-aspartico, che, per intervento della

aspartatochinasi è trasformato (tramite fosforilazione) in aspartilfosfato. L'aspartato chinasi è un enzima presente solo in piante e microrganismi, l'aspartilfosfato è, poi, ridotto con rimozione del gruppo fosfato e formazione del gruppo aldeidico a formare semialdeide-L-aspartica. Quest'ultimo intermedio viene condensato con una molecola di piruvato e viene, così, sintetizzato diidropicolinato, che viene ridotto a tetraidropicolinato. La via biosintetica della lisina in Corynebacterium Glutamicum giunti al tetraidropicolinato si biforca: una direzione prevede una serie di quattro passaggi per giungere alla formazione del diamminopimelato, detto anche acido diamminopimelico (questa è la via della succinalasi); nell'altra si ha il passaggio diretto da tetraidropicolinato a diamminopimelato mediato dalla diamminopimelato deidrogenasi. Dall'acido diamminopimelico si forma la lisina. La biosintesi di lisina procede in parte per una

la sintesi di metionina e lisina. Pertanto, per ottenere una produzione efficiente di metionina e lisina, è necessario regolare attentamente le condizioni di coltura e le concentrazioni dei substrati. La via metabolica per la biosintesi della metionina, treonina e isoleucina è nota come via dell'acido aspartico. Questa via inizia con l'ossalacetato, che subisce una serie di reazioni per formare la semialdeide-L-aspartica. A questo punto, si verifica una ramificazione: la semialdeide-L-aspartica può essere convertita in diidropicolinato o può essere ridotta a L-omoserina dalla omoserina deidrogenasi, utilizzando NAD(P)H come cofattore. Successivamente, la L-omoserina viene fosforilata dalla omoserina chinasi per formare la 4-fosfo-L-omoserina, consumando ATP. Questa 4-fosfo-L-omoserina viene quindi defosforilata dalla liasi treonina sintasi per formare la L-treonina. È importante notare che questa via metabolica porta alla sintesi sia della treonina che della lisina che della metionina. Tuttavia, la presenza in eccesso di treonina può inibire la sintesi di metionina e lisina, il che può essere problematico dal punto di vista industriale. Pertanto, è necessario regolare attentamente le condizioni di coltura e le concentrazioni dei substrati per ottenere una produzione efficiente di metionina e lisina.

L'aspartato chinasi. Al contrario se la treonina è assente, tuttoprocede regolarmente indipendentemente. Su questa caratteristica si è lavorato perisolare un ceppo mutato di Corynebacterium glutamicum che sia in grado di produrrelisina ma non metionina e treonina. Gli aminoacidi mancanti però devono essereaggiunti al terreno di coltura in piccole quantità. La metionina, che viene aggiunta alterreno, evita l'eventuale inibizione dell'aspartato chinasi da parte della treoninaaggiunta al terreno dal momento che la metionina compete con la treonina per illegame all'aspartato chinasi. Se la quantità di treonina aggiunta è minima il ceppomutato del batterio produce L-lisina in grande quantità. I ceppi utilizzati per produrreelevate quantità di lisina sono ceppi mutanti auxotrofi (auxotrofi significa che non sonoin grado di produrre, ad esempio, come in questo caso, degli aminoacidi utili almicrorganismo).

Più precisamente sono stati prodotti ceppi non in grado di produrre l'enzima omoserina deidrogenasi in modo che tutta la semiladeide-L-aspartica venga convertita tutta in lisina.

ACIDO GLUTAMMICO–PRODUZIONE

Pur non essendo un amminoacido essenziale, l'acido glutammico è quello prodotto in maggior quantità dato il suo largo impiego nelle industrie, soprattutto quelle alimentari che lo adoperano come esaltatore di sapidità. Anche questo aminoacido viene prodotto industrialmente utilizzando un ceppo di Corynebacterium glutammicum. Questo batterio sintetizza grosse quantità di acido glutammico e lo si può liberare all'esterno delle cellule batteriche. L'acido glutammico viene prodotto a partire da un intermedio del ciclo di Krebs, l'alpha-chetoglutarato che attraverso l'enzima L-glutammato deidrogenasi (GDH) si trasforma in L-glutammato. Dato che, nel ciclo di Krebs l'alpha-chetoglutarato è trasformato in

Succinato (grazie all'enzima alpha-chetoglutarato-deidrogenasi), per produrre ingenti quantità di glutammato bisogna inibire questa trasformazione. Bisogna comunque tener conto del possibile feedback negativo esercitato dalle elevate quantità di glutammato, che si può arginare aumentando la permeabilità di membrana cellulare.