Все до сих пор реализованные на практике микробиологические процессы можно разделить на две группы. К первой группе относятся процессы, при которых микроорганизмы выступают в роли биологических катализаторов, обеспечивая превращение одних веществ в другие. К этому направлению относятся синтез вторичных и первичных метаболитов и биотрансформация. Ко второй группе процессов относится получение биомассы как целевого продукта (белок одноклеточных).
В обоих случаях для улучшения штаммов классическая селекция применяла мутагенез с последующим отбором. В тех случаях, когда это было возможно, применялись методы скрещивания или другие способы передачи генетической информации. В последние годы эффективным методом передачи генетической информации признано слияние протопластов. Тем не менее применение этих методов ограничено, так как мутации способны лишь изменить (скорее нарушить) систему регуляции микроорганизма. Генетический обмен помогает собрать в одной клетке полезные мутации и избавиться от вредных. Все до сих пор существовавшие методы генетического обмена ограничены пределами одного вида (или близкородственными видами), так как основаны на классической рекомбинации. На молекулярном уровне это означает высокую гомологию в последовательностях ДНК- С помощью методов генной инженерии создалась возможность для введения новой генетической информации в клетку или увеличения копийности уже существующих генов.
Интересным примером изменения общих путей метаболизма у промышленно-важного микроорганизма является работа группы исследователей одного из английских химических концернов.
ирма разработала способ получения богатого белком корма, заключающийся в выращивании бактерии Methylophilus met-hylotrophus на среде, содержащей в качестве единственного источника углерода метанол. Процесс тем более экономичен, чем выше конверсия метанола в бактериальный белок. Исследователи обратили внимание на то, что М. methylotrophus обладают системой усвоения аммонийного азота (NHif), включающей два фермента: глутаминсинтетазу и глутаматсинтазу — и не обладают способностью ассимиляции NH при участии глутаматде-гидрогеназы, в то время как Е. coll имеет две системы. Путь усвоения NH.if через исходный синтез глутамата экономит одну молекулу АТФ на каждую молекулу глутамииовой кислоты, что энергетически является более выгодным. Однако традиционная селекция, включающая мутагенез и отбор, не может придать М, methylotrophus свойство, которое определяется наличием нового гена. Авторы использовали методологию генной инженерии и перенесли ген глутаматдегидрогеназы Е. coll в клетки М. methylotrophus в составе многокопийной гибридной плаз-миды и одновременно выключили обычный путь усвоения азота введением соответствующих мутаций в ген глутаминсиитетазы.
В результате изменения пути усвоения азота клетки М. methylotrophus стали способны к более высокой конверсии метанола в белок (возросла на 4—7%). Данная работа является примером нового направления генно-инженерных подходов к изменению микроорганизмов, а именно изменению путей основного метаболизма клетки.
Целевым продуктом микробиологического синтеза являются чаще всего (за исключением производства белка одноклеточных), первичные или вторичные метаболиты клетки или один из ее ферментов. Задачи и подходы, используемые для получения штамма-продуцента какого-либо фермента, не отличаются от рассмотренных в предыдущем разделе. Обычно при создании такого штамма на практике преследуются две цели — увеличение выхода фермента или изменение его качества. Увеличение выхода может быть достигнуто либо амплификацией гена на многокопийных плазмидах, либо подстановкой нужного фермента под новую систему регуляции. Для изменения качества обычно переносят ген из другого организма в штамм-продуцент и вводят его под контроль одноименного ферментного белка.
Примером изменения качества фермента является клонирование термостабильной а-амилазы Bacillus licheniformis в В. subti-lis. Для крупномасштабной индустрии чрезвычайно важно не изменять технологических схем ферментации, так как это связано с большими капитальными вложениями. Кроме того, переход к термофильным штаммам связан, как правило, с увеличением расхода сырья вследствие более активного метаболизма таких микроорганизмов. Поэтому наиболее экономичным способом получения термостабильных ферментов признан перенос генов их кодирующих в обычные продуценты, особенно в случае, если культивирование последних уже освоено промышленностью.