Известны микроорганизмы, колонии которых имеют желтый цвет различных оттенков. Как показал анализ выделенных пигментов, многие из них имеют каротиноидную природу.
По классическому определению каротиноиды — это желтые или красные пигменты алифатического или алициклического строения, построенные из изопреновых остатков (обычно из восьми), последние соединены таким образом, что две ближайшие к центру молекулы метильных групп находятся в положении 1 : 6, тогда как все другие боковые метальные группы стоят в положениях 1 : 5; серии сопряженных двойных связей составляют хромофорную систему каротиноидов.
Среди большого количества выделенных из микроорганизмов каротиноидов наибольший интерес имеет р-каротин. Молекула β-каротина содержит β-иононовые группировки.
β-Каротин является провитамином, превращающимся в витамин А в организме животного или человека. Некоторые другие каротиноиды, изомеры β-каротина, также могут обладать провитаминной активностью, но не в такой степени, как β-каротин.
Изучение биосинтеза каротиноидов у микроорганизмов проводилось в основном с культурами Blakeslea trispora, Phycomyces blakesleeanus и некоторыми дрожжами.
Локализация р-каротина внутриклеточная. Наиболее интенсивный синтез его происходит после того, как рост культуры практически закончен. Весьма важным фактором, влияющим на биосинтез, является концентрация в среде источников углерода и азота. Чем больше отношение С : N, тем больше образуется каротина. Разумеется, это положение имеет определенные пределы, которые обусловлены физиологическими особенностями культуры. Количество азота должно быть достаточным для максимального развития культуры, количество углерода — для последующего синтеза каротиноидов. Для получения β-каротина используют среды, содержащие кукурузный экстракт или казеиновый гидролизат, глюкозу, глицерин, минеральные соли. На биосинтез каротиноидов некоторыми культурами стимулирующее действие оказывают жиры и масла, в частности, хлопковое и оливковое. Показано также положительное влияние олеиновой и линолевой кислот.
Среди различных предложений по совершенствованию состава сред для биосинтеза p-каротина высказывается возможность использования мицелия Blakeslea trispora, оставшегося после экстракции β-каротина в качестве компонента среды. Перед добавлением в среду мицелий предварительно высушивался. Стимулирующее влияние на каротиногенез оказывала также водная вытяжка из мицелия. Предполагают, что веществом, оказывающим положительное влияние на синтез β-каротина, является цитрусовая кислота.
Механизм биосинтеза каротиноидов полностью не выяснен. Возможно, что он имеет некоторое сходство с синтезом полиеновых антибиотиков, содержащих, как и каротиноиды, сопряженные двойные связи и чередующиеся изопреновые группировки.
По Каггег (1949), исходным веществом для биосинтеза каротиноидов является β-метилкротоновый альдегид. Синтез происходит по типу альдольной конденсации с последующим удалением воды. Эта гипотеза подчеркивает аналогию синтеза каротиноидов с общепринятой гипотезой образования жиров.
Исследования, проведенные с помощью «меченых» соединений, показали, что потенциально возможным может быть другой путь. Многочисленными опытами было показано, что наилучшим предшественником изопреновой структуры является мевалоновая кислота. Образование ее происходит в результате конденсации ацетил-кофермента А и ацетоацетил-кофермента А. При этом, первоначально образуется 3-гидрокси-3-метил-глутарил-кофермент А. Последний превращается в мевалоновую кислоту (3,5-дигидрокси-3-метил-валерьяновая кислота).
Хотя детали всех указанных превращений выяснены еще не полностью, полагают, что дальше происходит энзиматическое превращение мевалоновой кислоты в фарнезилпирофосфат, который вступает в реакцию конденсации с изопентенилпирофосфатом. В результате реакции происходит образование геранил-геранил-пирофосфата, из двух молекул которого в присутствии НАД (никотинамид-аденин-динуклеотид) и НАДФ (никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат) образуется бесцветный предшественник каротиноидов фитоен. Фитоен не имеет двойных связей в хромофорной группе. Образование р-каротина происходит после нескольких последовательных реакций дегидрирования, в результате которых образуются сопряженные двойные связи, характерные для каротиноидов. Этому процессу способствует двухвалентное железо, которое необходимо вводить в питательную среду. Ингибитором реакции дегидрирования, вероятно, является дифениламин, так как в его присутствии вырастают культуры, лишенные пигмента. Как полагают, дифениламин связывает дегидрогеназы каротиноидов, обеспечивающие образование двойных связей.
Образование β-иононовых группировок происходит на более поздних этапах формирования молекулы β-каротина. Когда основная структурная изопреновая цепь сформирована, тогда сначала на одном конце цепи, а затем на другом происходит циклизация. Данные об энзиматическом включении β-ионона в каротиноидную цепь отсутствуют. В связи с этим рассматривать β-ионон как возможный «предшественник» β-каротина нет достаточных оснований.
При изучении механизма образования молекулы каротиноидов, путем введения в среду мевалоновой кислоты, было показано, что продукт биосинтеза зависит от времени введения кислоты в среду. Если мевалоновая кислота вводилась в конце первой фазы роста культуры, то преимущественным продуктом биосинтеза был укаротин, если вначале — ликопин.
Микроорганизмы, очевидно, не синтезируют витамин А, однако культура Pseudomonas aeruginosa при росте на жидкой синтетической среде, в которую входит β-каротин как единственный источник углерода, превращала β-каротин в витамин А.