Синтез микроорганизмами первичных и вторичных метаболитов регулируется многими механизмами, предотвращающими избыточное образование метаболитов. Поскольку цель программы улучшения штамма-продуцента состоит исключительно в получении больших количеств данного метаболита, легко понять, насколько важным здесь может быть выключение регуля-торных механизмов. Основные такие механизмы перечислены ниже.
1. Регуляция конечным продуктом по принципу обратной связи: подавление активности (а не синтеза) фермента (обычно первого в метаболическом пути) низкомолекулярным соединением, называемым эффектором. Таким эффектором может быть : а) конечный продукт метаболического пути, т. ei сам антибиотик, как в случае хлорамфеникола, который инги-бирует активность фермента ариламинсинтетазы; это первый фермент пути, ответвляющегося от обычного пути синтеза ароматических аминокислот (подавление конечным продуктом); б) предшественник антибиотика, который может регулировать свой собственный синтез по принципу обратной связи и, следовательно, лимитировать скорость синтеза антибиотика; в) метаболит, участвующий в синтезе антибиотика.
2. Репрессия синтеза одного или нескольких ферментов: уменьшение скорости синтеза ферментов, участвующих в биосинтезе антибиотика; эффектором является низкомолекулярное соединение, обычно конечный продукт ферментативных реакций или близкое к нему по структуре соединение.
3. Индукция синтеза одного или нескольких ферментов: увеличение скорости синтеза одного или нескольких ферментов, специфически индуцируемое низкомолекулярным соединением, которое обычно является субстратом фермента или близко ему по структуре. Например, лактоза индуцирует синтез р-галакто-зидазы, расщепляющей лактозу на составляющие ее сахара, глюкозу и галактозу.
4. Катаболитная репрессия в присутствии глюкозы: снижение скорости синтеза некоторых ферментов, в особенности ферментов деградации (гликолитических ферментов пентозофос-фатного цикла, ферментов пути Энтнера — Дудорова, глиокси-латного цикла, деградации аминокислот), в присутствии глюкозы или других легко усваиваемых источников углерода. Результатом репрессии синтеза этих ферментов является уменьшение синтеза метаболитов в путях, использующих эти ферменты. Синтез антибиотиков часто находится под контролем катабо-литной репрессии.
5. Катаболитная репрессия в присутствии источников азота: снижение скорости синтеза ферментов, связанных с катаболизмом азотсодержащих соединений (протеаз, амидаз, нитратре-дуктаз и т. д.) в присутствии легко усваиваемых источников азота, таких как соли аммония. Таким образом контролируется синтез многих антибиотиков.
6. Регуляция неорганическим фосфатом: добавление неорганического фосфата к культуре, активно синтезирующей антибиотик, зачастую сильно снижает скорость синтеза. Для объяснения регуляции биосинтеза антибиотиков фосфатом предложено несколько механизмов : а) фосфат стимулирует первичный метаболизм, направляя энергию и субстраты на рост, а не на синтез вторичных метаболитов; известно, что фосфат вызывает переключение катаболизма углеводов с гексозомонофосфатного пути на гликолитический; б) фосфат контролирует образование специфического индуктора синтеза антибиотика; по-видимому, одним из таких индукторов является фактор А, индуцирующий синтез стрептомицина; синтез фактора А контролируется неорганическим фосфатом; в) фосфат может подавлять активность или синтез фосфатаз, участвующих в метаболизме фосфорилированного предшественника (предшественников) антибиотика.
Регуляция синтеза антибиотиков фосфатом характерна для многих штамов-продуцентов и для разных антибиотиков. Возможно, в разных организмах или при разных физиологических условиях функционируют разные механизмы или действуют сразу несколько таких механизмов. Мутации, затрагивающие один или несколько механизмов регуляции, по-видимому, являются одним из наиболее продуктивных типов мутаций, особенно на ранних этапах работы по улучшению штамма-продуцента.