Aspergillus niger в биотехнологии¶

Aspergillus niger — вид микроскопических плесневых грибов рода Aspergillus, широко используемый в промышленной биотехнологии как продуцент органических кислот, ферментов и ряда метаболитов. Относится к аскомицетам (сумчатым грибам), классу Eurotiomycetes. Гриб распространён повсеместно в почве и на растительных остатках, растёт в аэробных условиях, образует тёмно-окрашенные (чёрные) конидии, за что получил обиходное название «чёрная плесень».

¶Биологические особенности

A. niger — сапротроф, разлагающий органические субстраты с помощью внеклеточных гидролитических ферментов. Оптимальная температура роста — около 30–37 °C, диапазон pH широк (от кислых до нейтральных значений), что важно для промышленных процессов. Гриб устойчив к низкой влажности и высоким концентрациям сахаров и солей, что снижает риск контаминации в ферментёрах.

В жизненном цикле присутствуют вегетативный мицелий, конидиеносцы с конидиями (бесполое размножение) и, у части штаммов, половая стадия. Генетическая изученность вида высока: секвенирован геном, разработаны методы трансформации, что делает его удобным объектом метаболической инженерии.

¶История применения

Промышленное использование A. niger началось в конце XIX — начале XX века с производства лимонной кислоты. Ранее её получали из цитрусовых (в частности, из Италии), но микробиологический синтез оказался дешевле и не зависел от урожая. В 1917 году американский химик Джеймс Кёрри разработал процесс поверхностного культивирования A. niger на сахарных субстратах, что заложило основу современной технологии. Позднее перешли к глубинному культивированию в ферментёрах.

¶Продуцируемые вещества

A. niger — один из главных промышленных продуцентов:

• Лимонная кислота — до 99 % мирового объёма получают микробиологически, преимущественно с помощью A. niger.
• Глюконовая кислота и её соли (глюконаты) — используются в пищевой, строительной и моющей промышленности.
• Итаконовая кислота — сырьё для полимеров.
• Ферменты: амилазы, глюкоамилаза, целлюлазы, пектиназы, протеазы, каталаза, фитаза, липазы. Фитаза A. niger применяется как кормовая добавка для улучшения усвоения фосфора у сельскохозяйственных животных.
• Органические кислоты и метаболиты вторичного обмена.

¶Технология производства

Процесс включает подготовку питательной среды (меласса, кукурузный экстракт, гидролизаты крахмала), стерилизацию, засев спорами или мицелием, аэробную ферментацию при контролируемых температуре, pH и аэрации. По завершении культивирования биомассу отделяют фильтрацией, целевой продукт выделяют и очищают. Для ферментов применяют глубинное культивирование; для лимонной кислоты исторически использовалось и поверхностное.

¶Генетическая инженерия

A. niger служит гетерологичным хозяином для экспрессии чужеродных белков благодаря высокой секреторной способности. Используются промоторы генов глюкоамилазы и других сильных генов, маркеры селекции, системы CRISPR/Cas. Получены штаммы с повышенным выходом кислот и ферментов, а также «GRAS»-статусом (безопасные для пищевого применения) у ряда продуктов.

¶Значение и риски

Вклад A. niger в биотехнологию оценивается как один из крупнейших среди микроорганизмов: лимонная кислота, ферменты и кормовые добавки производятся в миллионах тонн ежегодно. Вид признан безопасным продуцентом при соблюдении регламентов. В то же время A. niger может вызывать у человека аспергиллёз (редко, преимущественно у иммунокомпрометированных лиц) и порчу пищевых продуктов; некоторые штаммы продуцируют микотоксины (например, охратоксин A), поэтому промышленные штаммы проходят строгий контроль на токсигенность.