В. Н. Шапошниковым в 1939 г. при изучении ацетонобутилового брожения было впервые доказано и сформулировано положение, что в процессе жизнедеятельности микроорганизма можно выделить две фазы.
Первая фаза соответствует периоду молодости культуры, вторая — периоду зрелости. Биосинтез большинства антибиотиков витаминов, аминокислот и т. п. является двухфазным процессом.
В течение первой фазы происходит быстрый рост и размножение мицелия или бактериальных клеток. Культуральная жидкость в этот период богата углеводами, азотом и неорганическим фосфором. Продукты обмена веществ микроорганизмов отсутствуют, в том числе и антибиотики, или находятся в крайне незначительных количествах. В культуральной жидкости преимущественно происходит образование более окисленных продуктов брожения.
Вторая фаза начинается с момента замедления роста культуры. Протекает она в культуральной жидкости, обогащенной продуктами жизнедеятельности организма, с небольшим количеством или при отсутствии углеводов и неорганического фосфора. В начале этой фазы мицелий обладает максимальной способностью к синтезу антибиотика.
После второй фазы, когда количество биомассы сохраняется примерно на одном уровне, начинается автолиз. При промышленной ферментации антибиотиков процесс практически заканчивают в конце второй фазы, так как при задержке слива снижается количество антибиотического вещества в культуральной жидкости, а также происходит распад мицелия, что создает трудности при фильтрации. Таким образом, условия для роста и развития микроорганизмов в первой фазе резко отличаются от условий развития культуры во второй фазе. Различия условий среды в первой и второй фазе обусловливают рост и развитие в ней мицелия, обладающего особенностями цитоморфологического строения, биохимического состава и физиологических свойств.
Наиболее обстоятельный анализ цитологического состояния культуры и биохимической характеристики процесса культивирования актиномицетов при ферментации некоторых антибиотиков сделан А. А. Прокофьевой-Бельговской (1963). Ею было показано, что высокой способностью к синтезу антибиотика у актиномицетов обладает мицелий совершенно определенного типа развития, гифы которого во второй фазе обладают определенным строением и свойствами цитоплазмы.
Гифы актиномицетов второй фазы развития являются результатом роста биомассы мицелия и закономерных преобразований в протоплазме гиф первой фазы, и, следовательно, обе фазы развития культуры необходимы для обеспечения биосинтеза антибиотика. Увеличение продолжительности первой фазы и сокращение второй фазы, какими бы причинами это ни было обусловлено, ведет к снижению количества синтезированного антибиотика.
На примере некоторых актиномицетов, синтезирующих антибиотики, было установлено, что важнейшим внутриклеточным фактором, определяющим изменение характера обмена культуры и переход ее из первой фазы развития во вторую, является содержание РНК в протоплазме. Если в протоплазме мицелия в течение длительного времени поддерживается высокое содержание РНК, то первая фаза удлиняется, что приводит, как правило, к интенсивному росту большой массы мицелия. При этом переход мицелия во вторую фазу резко заторможен. На процесс перехода из первой во вторую фазу оказывает влияние состав питательной среды.
Качественный и количественный состав культуральной жидкости в конце первой фазы определяет особенности роста в ней гиф второй фазы, их морфологию и биохимические функции. О влиянии среды на переход из первой во вторую фазу ферментации можно сказать, что культура актиномицета переходит во вторую фазу развития, когда содержание питательных веществ в культуральной жидкости снижается, а содержание продуктов жизнедеятельности культуры повышается. Одним из доказательств этого положения может быть такой факт: если культуру в молодом состоянии пересевать в свежую питательную среду, она будет длительно находиться в состоянии первой фазы. Практически весьма важным является вопрос о том, какие из компонентов среды или продуктов обмена веществ имеют значение для перехода из первой во вторую фазу ферментации. Одним из таких компонентов среды, в частности, являются углеводы, содержание которых к концу первой фазы резко снижается. Благоприятным фактором, способствующим переходу во вторую фазу, является почти полное использование культурой содержащегося в среде фосфора. Наличие в среде высокой концентрации фосфора ведет к интенсивному синтезу РНК и удлинению первой фазы развития культуры. При переходе во вторую фазу количество РНК в протоплазме падает.
Применительно к биосинтезу альбомицина было показано, что антибиотик начинает образовываться только после использования всего имеющегося в исходном субстрате источника азота. Периодические добавки источника азота к культуре, уже перешедшей к образованию антибиотика, резко останавливают его дальнейшее накопление. Аналогичное наблюдение было сделано при работе с Act. violaceus. При культивировании на среде, обеспеченной достаточным количеством нитрата калия в качестве единственного источника азота, мицелий интенсивно развивался, не образуя заметных количеств антибиотика. После отделения мицелия и тщательной отмывки от среды его переносили в безазотистую среду, при этом наблюдалось весьма интенсивное накопление антибиотика.
Как видно из приведенных примеров, вторая — продуктивная — фаза вообще может не наступить, если не подобраны соответствующие условия культивирования. Одним из частных косвенных проявлений неблагополучия в процессе обмена веществ может служить величина pH. Например, при биосинтезе пенициллина культура нормально растет и развивается, но не синтезирует антибиотик, если pH среды держится на слишком низком уровне (ниже 6,0—6,5).
Мы отметили здесь три компонента среды: источник азота, углеводы и неорганический фосфор, исчерпание которых стимулирует изменения в развитии организма. Однако отнюдь не следует, что изменения в остальных компонентах культуральной жидкости безразличны для развивающегося в ней организма. Культуральная жидкость — целостная система, в которой среда и организм тесно связаны между собой и влияют друг на друга.
С точки зрения цитологического строения мицелия было показано, что интенсивная репродукция ядерных элементов с высоким содержанием ДНК во второй фазе стимулирует развитие малопродуктивных гиф, раннее спорообразование, сокращение второй фазы и снижение антибиотикообразования. Например, при относительном увеличении содержания в клетке ядерного вещества в 1,8 раза и содержания ДНК в 1,5 раза антибиотическая активность культуральной жидкости снижается на 72%.
В. Н. Шапошников (1960) считает, что для правильного понимания и толкования двухфазности процесса биосинтеза антибиотиков наиболее важными являются три основные задачи:
а) выявление условий оптимального развития мицелия того или иного актиномицета за время первой фазы развития, что является существенным для сокращения этого периода;
б) выявление условий, определяющих переход процесса из первой фазы во вторую;
в) выяснение причин быстрого падения содержания некоторых антибиотиков в средах после достижения максимального значения.