Микробное производство вкусов и ароматов

Вкусоароматические молекулы малотоннажны, дороги и структурно замысловаты — ровно тот профиль, который подходит биосинтезу больше, чем химическому синтезу или экстракции. Большинство мишеней принадлежит двум семействам: терпеноидам, дающим цитрусовые, мятные, древесные и цветочные ноты, и производным фенилпропаноидов, коммерческим гигантом среди которых является ванилин.

Как строят терпен#

Все терпеноиды собираются из двух пятиуглеродных блоков — IPP и DMAPP. Клетки делают их одним из двух путей: мевалонатным, свойственным дрожжам и животным, или MEP, свойственным большинству бактерий и пластидам растений. Пренилтрансферазы конденсируют блоки в остовы C10, C15 и C20, а терпенсинтаза затем циклизует цепь в конкретный скелет — именно этот фермент решает, какой из сотен возможных продуктов получится.

Большинству ценных терпеноидов затем нужно окисление: гидроксил или кетон в определённом положении, устанавливаемые цитохромом P450. Обычно это и есть узкое место. P450 связаны с мембраной, требуют партнёра-редуктазы для доставки электронов и часто плохо экспрессируются и плохо сопрягаются в микробном хозяине, растрачивая восстановительные эквиваленты на непродуктивные циклы. Значительная часть инженерных усилий в этой области уходит на экспрессию P450, подбор партнёра и мембранную инженерию, а не на путь выше по течению.

Продукт является ядом и паром#

Терпеноиды распределяются в мембраны и нарушают их; многие антимикробны именно поэтому. Клетка, сконструированная производить такой продукт, сконструирована тем самым травить себя, и титр упирается в токсичность заметно ниже того, что мог бы обеспечить путь. Те же молекулы летучи, поэтому продукт теряется с отходящим газом аэрируемого ферментёра.

У обеих проблем один ответ: убирать продукт по мере образования. В ферментёр вводят вторую, несмешивающуюся органическую фазу — биосовместимый растворитель вроде додекана, — и гидрофобный продукт непрерывно в неё переходит. Это удерживает концентрацию в водной фазе ниже токсического порога, предотвращает улетучивание и выдаёт продукт уже сконцентрированным в отдельной фазе. Отвод продукта на месте здесь не является усовершенствованием стадии выделения; именно он и делает процесс работоспособным.

Ванилин и значение слова «натуральный»#

Ванилин иллюстрирует пункт о маркировке, который иначе легко понять неверно. Молекула одинакова независимо от происхождения — извлечённая из ферментированных стручков ванили, синтезированная из нефтехимического гваякола или полученная микробной биоконверсией феруловой кислоты из рисовых отрубей либо ферментацией de novo из сахара.

В крупных юрисдикциях возможность назвать ароматизатор «натуральным» зависит от процесса, а не от молекулы: получение из материала биологического происхождения биологическим или физическим процессом подходит, химический синтез из нефтехимии — нет. Ферментационный ванилин поэтому натурален в регуляторном смысле, будучи химически неотличимым от синтетического. Этот факт определения стоит называть прямо, потому что его часто принимают за утверждение о качестве или составе.

Экстракт ванили — иной продукт, нежели ванилин: стручок содержит сотни минорных соединений, — поэтому сравнение идёт между источниками ванилина, а не между ферментацией и ванилью.

Ограничения по редокс-балансу и углеродному выходу действуют как в любой ферментации: сильно восстановленные продукты стоят больше электронов на углерод, и это задаёт потолок выхода из сахара.