В Японии из многочисленных мутантов Micrococcus glutamicus, полученных путем облучения клеток ультрафиолетовыми лучами или Со60, было выделено несколько типов ауксотрофных микроорганизмов, которые обладали способностью образовывать в значительных количествах L-лизин.
В Советском Союзе группой сотрудников под руководством чл.- корр. АН СССР В. Н. Букина осуществлен микробиологический синтез лизина посредством культуры Brevibacterium № 22. Штамм выделен из облученной УФ-лучами культуры Brevibacterium.
Помимо названных микроорганизмов, в качестве продуцентов могут быть различные штаммы Е. coli, Вас. subtilis, Aerobacter, Corynebacterium и ряд других.
Механизм биогенеза L-лизина установлен еще не полностью, однако показано, что у большинства микроорганизмов основным предшественником является α-ε-диаминопимелиновая кислота. В соответствии со схемой биосинтеза лизина для его накопления необходимо создать такие условия, при которых будет ограничен синтез аланина, глутаминовой и молочной кислот, но будет происходить интенсивное образование аспарагиновой кислоты за счет аминирования щавелевоуксусной кислоты. Преимущественное использование аспарагиновой кислоты на образование лизина достигается применением таких мутантов, которые утратили способность к образованию изолейцина, треонина и метионина. В связи с этим в зависимости от дефицита штамма по определенным аминокислотам последние приходится вводить в среду. Например, культура Brevibacterium № 22 является недостаточной по треонину и биотину. Некоторые штаммы Micrococcus требуют для роста наличия биотина и гомосерина. Последний может быть заменен метионином и треонином, добавленными вместе. Другие мутанты требуют изолейцин или лейцин, цистатион и т. д. Названные вещества должны быть введены в среду в строго определенных концентрациях, так как в зависимости от их содержания меняется направление обмена веществ продуцента. Так, при избытке гомосерина (или треонина) и биотина в среде требующего гомосерин штамма М. glutamicus накапливается вместо лизина молочная кислота. При высоких концентрациях биотина и оптимальных концентрациях недостающих аминокислот накапливается лизин, тогда как при малой концентрации биотина отмечается тенденция к накоплению глютаминовой кислоты. Гомосерин и треонин, вероятно, подавляют активность ферментов, участвующих в биосинтезе лизина по типу обратной связи, но не угнетают образования этих ферментов.
Следует отметить, что благодаря изучению мутантных штаммов, продуцирующих лизин, удалось уточнить некоторые этапы его биосинтеза. Однако не все реакции, отмеченные в схеме, доказаны. В частности, неизвестно, за счет каких реакций происходит синтез α-ε-диаминопимелиновой кислоты, при декарбоксилировании которой образуется лизин.
Для получения L-лизина культурой Brevibacterium № 22 используется среда, содержащая кукурузный экстракт, мелассу, соль аммония, фосфата и мел. Вместе с мелассой и кукурузным экстрактом вносится половина требуемого количества биотина и треонина. Из пеногасителей лучшими оказались подсолнечное масло и олеиновая кислота. Кашалотовый жир оказывает угнетающее действие, понижая выход лизина.
В соответствии с разработанной в Институте биохимии им. А. Н. Баха АН СССР и в Институте микробиологии им. А. Кирхенштейна АН Латв. ССР технологической схемой микробиологического синтеза L-лизина культурой Brevibacterium № 22 основные компоненты среды для культивирования подаются в емкость, где разбавляются водой, а затем стерилизуются в системе выносной стерилизации. Стерильная среда поступает в посевные и производственные ферментеры. После подращивания культуры в посевных аппаратах при аэрации и перемешивании в течение суток при 29±1° посевной материал передается в производственные ферментеры. В последних процесс ведут в течение трех суток. При соблюдении технологического режима в конце процесса содержание L-лизина достигает 25 г/л. При получении кристаллического лизина культуральная жидкость поступает на центрифугу, где отделяются микробные клетки. Нативный раствор после нейтрализации до pH 7,0±0,1 пропускают через колонку с катионитом в аммонийной форме. После промывки колонки проводят десорбцию лизина 2н. раствором аммиака. Для удаления аммиака фракции элюата, содержащие лизин, упариваются в вакуумвыпарном аппарате. Далее лизин переводят в его солянокислую соль и при помощи этанола переводят в осадок. Осадок отделяют центрифугированием, подвергают повторной перекристаллизации посредством этанола и сушат на сушилке. Выход 95% солянокислого лизина — до 85%.
Помимо указанного микробиологического синтеза лизина, описан способ, по которому α-ε-диаминопимелиновую кислоту получают химическим путем, а затем подвергают декарбоксилированию посредством микробных энзимов.