În secțiunile anterioare v-ați familiarizat deja cu câteva tehnici de lucru microorganismeși am avut ocazia să încerce aceste tehnici. Pe măsură ce biotehnologii trec de la scară de laborator la scară industrială, ei trebuie să rezolve multe probleme dintr-o varietate de discipline, inclusiv bioinginerie, chimie și biologie. Atunci când luați decizii în producția industrială de bacterii, este important să luați în considerare atât aspectele economice, sociale și etice. În această secțiune vom atinge câteva dintre aspectele practice ale producției pe scară largă, iar în secțiunile ulterioare vom analiza exemple specifice de producție microbiologică și problemele asociate cu aceasta.

Utilizarea microorganismelor V producție industrială posibil din următoarele motive:
1) microorganismele au nevoi nutriționale simple;
2) în fermentatoare (vase mari în care cresc microorganismele), condițiile de creștere pot fi controlate foarte precis;
3) microorganismele au viteze mari de creștere;
4) reacțiile pot fi efectuate la temperaturi mai scăzute decât în ​​instalațiile chimice convenționale; Facturile la energie sunt reduse corespunzător;
5) microorganismele oferă un randament mai mare de produs și o specificitate mai mare decât producția chimică convențională;
6) se poate utiliza și produce o gamă largă de compuși chimici;
7) este posibil să se producă niște compuși chimici complecși, precum hormonii și antibioticele, care sunt greu de obținut prin alte metode, precum și izomeri specifici (cum ar fi L-aminoacizii);
8) genetica microorganismelor este relativ simplă, iar metodele de manipulare genetică a acestora evoluează constant.

Cu toate acestea, necesitatea de a folosi metode speciale, cum ar fi precum metodele de sterilizare iar metodele complexe de separare pot implica o creștere semnificativă a cerințe tehnice la proces.

Screening

Știm pentru ce microorganisme caracterizate printr-o mare varietate de reacții chimice pe care le pot desfășura și produsele pe care le formează. Cu toate acestea, doar o mică parte din potențialul lor este utilizată în producția industrială. Companiile comerciale, în special producătorii de medicamente, caută în mod constant microorganisme care pot fi utile. În speranța de a descoperi noi produse importante din punct de vedere comercial sau mai multe moduri eficiente Pentru a obține produsele disponibile, microorganismele sunt colectate și cultivate din întreaga lume, dintr-o mare varietate de habitate. Foarte adesea aceasta este o lucrare pur empirică, în sensul că hazardul joacă un rol semnificativ în orice descoperire. Testarea microorganismelor în acest mod se numește screening. Bun exemplu este un screening continuu efectuat pentru a descoperi noi antibiotice. Primul antibiotic a fost descoperit în 1928 de Alexander Fleming și numit penicilină după numele ciupercii Pencillin care o produce. Antibioticele naturale sunt substanțe chimice sintetizate de microorganisme care ucid alte microorganisme sau le inhibă creșterea. Din 1928, peste 5.000 de antibiotice diferite au fost izolate din microorganisme, inclusiv o serie de peniciline diferite care variază ușor în structură și activitate. Majoritatea antibioticelor descoperite sunt improprii pentru scopuri medicale, în principal din cauza toxicității lor ridicate. Cu toate acestea, membrii genului Streptomyces s-au dovedit a fi o sursă extrem de bogată de diferite antibiotice, inclusiv streptomicina.

Antibiotice utilizat pentru tratarea bolilor bacteriene sau fungice la oameni și animale domestice. Unele dintre ele suprimă, de asemenea, creșterea tumorilor canceroase. Aparent, antibioticele sunt produse ale metabolismului secundar. Cu screening-ul sistematic, există întotdeauna speranța de a găsi un nou „medicament minune” sau un microorganism care produce un antibiotic cunoscut, dar cu proprietăți îmbunătățite.

Din cele peste 100 de mii de microorganisme cunoscute, doar câteva sute de specii sunt utilizate în industrie, deoarece tulpina industrială trebuie să îndeplinească o serie de cerințe stricte:

1) să crească pe substraturi ieftine;

2) au o rată de creștere mare sau dau un randament mare de produs într-un timp scurt;

3) prezintă activitate sintetică faţă de produsul dorit; formarea subproduselor ar trebui să fie scăzută;

4) să fie stabil în ceea ce privește productivitatea și cerințele condițiilor de cultivare;

5) să fie rezistent la fagi și alte tipuri de infecții;

6) să fie inofensive pentru oameni și mediu;

7) tulpinile termofile, acidofile (sau alcofile) sunt de dorit, deoarece este mai ușor să se mențină sterilitatea în producție cu ele;

8) tulpinile anaerobe prezintă interes, deoarece tulpinile aerobe creează dificultăți în timpul cultivării - necesită aerare;

9) produsul generat trebuie să aibă valoare economică și să fie ușor de distins.

În practică, se folosesc tulpini din patru grupe de microorganisme:

- drojdie;

– ciuperci filamentoase (mucegaiuri);

– bacterii;

– ascomicete.

Termenul „drojdie” în sens strict nu are un sens taxonomic. Acestea sunt eucariote unicelulare aparținând la trei clase: Ascomicete, Basidiomicete, Deuteromicete.

Ascomicetele includ, în primul rând, Saccharomyces cerevisiae, dintre care anumite tulpini sunt utilizate în fabricarea berii, vinificație și producția de pâine și alcool etilic.

Ascomicetele Saccharomyces lipolytica degradează hidrocarburile uleioase și sunt utilizate pentru obținerea masei proteice.

Deuteromicetul Candida utilis este folosit ca sursă de proteine ​​și vitamine și este cultivat pe materii prime nealimentare: lichide sulfitice, hidrolizate de lemn și hidrocarburi lichide.

Deuteromicetul Trichosporon cutaneum oxidează mulți compuși organici, inclusiv pe cei toxici (de exemplu, fenol) și este utilizat în tratarea apelor uzate.

Utilizarea ciupercilor filamentoase:

– în producerea acizilor organici: citric (Aspergillus niger), gluconic (Aspergillus niger), itaconic (Aspergillus terreus), furmaric (Rhizopus chrysogenum);

– in obtinerea de antibiotice (penicilina si cefalosporina);

– în producerea unor tipuri speciale de brânzeturi: Camembert (Penicillium camamberti), Roquefort (Penicillium roqueforti);

– provoacă hidroliza în medii solide: în amidonul de orez când se produce sake, în boabe de soia când se produce tempeh, miso.

Bacteriile benefice sunt clasificate ca eubacterii.

Bacteriile cu acid lactic din genurile Lactobacillus, Leuconostoc și Lactococcus au fost folosite industrial de mult timp.

Bacteriile cu acid acetic din genurile Acetobater și Gluconobacter transformă etanolul în acid acetic.

Bacteriile din genul Bacillus sunt folosite pentru a produce toxine dăunătoare insectelor, precum și pentru sinteza antibioticelor și aminoacizilor.

Bacteriile din genul Corynebacterium sunt folosite pentru a produce aminoacizi.

Dintre actinomicete, cele mai reprezentative sunt genurile Streptomyces și Micromonospora, folosite ca producători de antibiotice. Când cresc pe medii solide, actinomicetele formează miceliu subțire cu hife aeriene, care se diferențiază în lanțuri de conidiospori.

În prezent, următorii compuși sunt sintetizați folosind microorganisme:

- alcaloizi,

– aminoacizi,

– antibiotice,

– antimetaboliți,

– antioxidanti,

– proteine,

– vitamine,

– erbicide,

- inhibitori de enzime,

– insecticide,

– ionofori,

- coenzime,

- lipide,

– acizi nucleici,

– nucleotide și nucleozide,

– agenți oxidanți,

- acizi organici,

- pigmenti,

- surfactanți,

- polizaharide,

- agenți antihelmintici,

– agenți antitumorali,

- solventi,

– hormoni de creștere a plantelor,

– zahăr,

– steroli și substanțe transformate,

– factori de transport al fierului,

– substanțe farmacologice,

– enzime,

– emulgatori.

2 PRODUCEREA DE PROTEINE UNICOCELULE

ORGANISME

^

2.1 Fezabilitatea utilizării microorganismelor pentru

producția de proteine

În conformitate cu standardele nutriționale, o persoană ar trebui să primească zilnic între 60 și 120 g de proteine ​​complete cu alimente.

Pentru a menține funcțiile vitale ale corpului, pentru a construi celule și țesuturi, este necesară sinteza constantă a diferiților compuși proteici. În timp ce plantele și majoritatea microorganismelor sunt capabile să sintetizeze toți aminoacizii din dioxid de carbon, apă, amoniac și săruri minerale, oamenii și animalele nu pot sintetiza unii aminoacizi (valină, leucină, izoleucină, lizină, metionină, treonină, triptofan și fenilalanină). Acești aminoacizi sunt numiți esențiali. Ele trebuie să provină din alimente. Deficiența lor provoacă boli umane grave și reduce productivitatea animalelor de fermă.

În prezent, deficitul global de proteine ​​este de aproximativ 15 milioane de tone. Sinteza microbiologică este cea mai promițătoare. Dacă pentru bovine durează 2 luni pentru a dubla masa proteică, pentru porci - 1,5 luni, pentru pui - 1 lună, apoi pentru bacterii și drojdie - de la 1 la 6 ore. Producția mondială de produse proteice alimentare datorită sintezei microbiene este de peste 15 mii de tone pe an.

Să luăm un exemplu: timpul de dublare a E. coli este de 20 de minute, apoi după 20 de minute se formează două celule fiice dintr-o celulă, după 40 de minute - patru „nepoate”, după 60 de minute - opt „strănepoate”, după 80 de minute - 16 „stră-strănepoate”. După 10 ore și 40 de minute, dintr-o bacterie se vor forma peste 6 miliarde de bacterii, care corespunde populației Pământului, iar după 44 de ore, dintr-o bacterie cu greutatea de 1 10 -12 g, se va forma biomasă în cantitate de 6. 10 24 g, care corespunde masei Pământului.

Utilizarea diferitelor microorganisme ca surse de proteine ​​și vitamine se datorează următorilor factori:

A) posibilitatea utilizării diverșilor compuși chimici, inclusiv deșeuri industriale, pentru cultivarea microorganismelor;

B) tehnologie relativ simplă de producere a microorganismelor, care poate fi realizată pe tot parcursul anului; posibilitatea automatizării acestuia;

C) conținut ridicat de proteine ​​(până la 60...70%) și vitamine, precum și carbohidrați, lipide în preparatele microbiene;

D) conținut crescut de aminoacizi esențiali în comparație cu proteinele vegetale;

D) posibilitatea influenţei genetice direcţionate asupra compozitia chimica microorganisme pentru a îmbunătăți valoarea proteică și vitaminică a produsului.

Pentru producția industrială produse alimentare Pe baza microorganismelor, sunt necesare studii biomedicale atente. Astfel de produse trebuie să fie supuse unor teste cuprinzătoare pentru a identifica efectele cancerigene, mutagene, embriotrope asupra oamenilor și animalelor. Studiile toxicologice, digestibilitatea produselor de sinteză microbiană sunt principalele criterii de fezabilitate a tehnologiei de producție a acestora.

Drojdiile, bacteriile, algele și ciupercile filamentoase sunt folosite pentru a produce proteine.

Avantajul drojdiei fata de alte microorganisme este fabricabilitatea lor: rezistenta la infectii, usurinta separarii de mediu datorita dimensiunii mari a celulelor. Sunt capabili să acumuleze până la 60% din proteine, bogate în lizină, treonină, valină și leucină (acești aminoacizi sunt rare în alimentele vegetale). Fracția de masă a acizilor nucleici este de până la 10%, ceea ce are un efect dăunător asupra organismului. Ca urmare a hidrolizei lor, se formează multe baze purinice, care sunt apoi transformate în acid uric și sărurile sale, care provoacă urolitiază, osteocondroză și alte boli. Rata optimă de adăugare a masei de drojdie la hrana animalelor de fermă este de la 5 la 10% din substanța uscată. Drojdia este folosită în scopuri alimentare și furajere.

Avantajele bacteriilor sunt rata lor mare de creștere și capacitatea de a sintetiza până la 80% din proteine. Proteina rezultată conține mulți aminoacizi deficitari: metionină și cisteină. Dezavantajele sunt dimensiunea redusă a celulelor și concentrația lor scăzută în mediul de cultură, ceea ce complică procesul de izolare. Unele lipide bacteriene pot conține toxine. Fracția de masă a acizilor nucleici de până la 16%. Folosit numai în scopuri de hrană.

Avantajele algelor sunt conținutul ridicat de proteine ​​cu compoziție completă de aminoacizi, care se acumulează într-o cantitate de 65%, izolarea ușoară a algelor din mediul de cultură, conținutul scăzut de acizi nucleici - 4% (pentru comparație - la plantele superioare 1 ...2%). Algele sunt folosite în scopuri alimentare și furajere.

Ciupercile filamentoase sunt folosite în mod tradițional ca produs alimentar în țările africane, India, Indonezia, China etc. Acumulează până la 50% proteine, a căror compoziție de aminoacizi este apropiată de proteinele de origine animală și sunt bogate în vitamine B. Pereții celulari sunt subțiri și ușor de digerat în tractul gastrointestinal al animalelor. Fracția de masă a acizilor nucleici este de 2,5%.

Din 1985, proteina microbiană a fost folosită în industria alimentară pentru a produce diverse produseși semifabricate.

Există trei forme principale de utilizare a proteinelor microbiene luate în considerare în producția de alimente:

1) masă întreagă (fără distrugerea pereților celulari);

2) biomasă parțial purificată (se asigură distrugerea pereților celulari și îndepărtarea componentelor nedorite);

3) proteine ​​izolate din biomasă (izolate).

OMS (Organizația Mondială a Sănătății) a concluzionat că proteina microorganismelor poate fi folosită în alimente, dar cantitatea admisă de acizi nucleici introdusă împreună cu proteina în dieta unui adult nu trebuie să depășească 2 g pe zi. Introducerea proteinei microbiene nu provoacă consecințe negative, dar apar reacții alergice, boli gastrice etc.

Producția de microorganisme

Microorganisme în producția de proteine ​​nutritive

Microorganismele ajută oamenii în producerea de proteine ​​nutritive eficiente și biogaz. Se folosesc la aplicarea metodelor biotehnice de purificare a aerului și a apelor uzate, la utilizarea metodelor biologice de exterminare a dăunătorilor agricoli, la obținerea medicamentelor și la distrugerea deșeurilor. Bacteriile, ciupercile, algele, lichenii, virusurile și protozoarele joacă un rol semnificativ în viața umană. Din cele mai vechi timpuri, oamenii le-au folosit în procesele de coacere a pâinii, fabricarea vinului și a berii și în diverse industrii. În prezent, din cauza problemelor de obținere a substanțelor proteice valoroase, creșterea fertilității solului, curățarea mediului de poluanți, obținerea de produse biologice și alte scopuri și obiective, gama de studiu și utilizare a microorganismelor s-a extins semnificativ.

Microorganisme în producția de alimente

Multe microorganisme, inclusiv cele asemănătoare drojdiei și unele tipuri de ciuperci microscopice, au fost folosite de mult timp în transformarea diferitelor substraturi pentru a produce diverse tipuri produse alimentare. De exemplu, utilizarea drojdiei pentru a produce pâine poroasă din făină, utilizarea ciupercilor din genurile Rhisopus, Aspergillus pentru fermentarea orezului și a boabelor de soia, producerea de produse cu acid lactic folosind bacterii lactice, drojdie etc.

Mutanții auxotrofici ai Candida guillermondii sunt utilizați pentru a studia flavinogeneza. Ciupercile hife absorb bine carbonii din petrol, parafină, n-hecasdecan și motorină.

Pentru diferite grade de purificare a acestor substanțe, se folosesc specii din genurile Mucorales, Penicillium, Fusarium și Trichoderma.

Pentru utilizarea acizilor grași se folosesc tulpini de Penicillium, iar alcoolii secundari grași sunt mai bine prelucrați în prezența tulpinilor de Penicillium și Trichoderma Specii de ciuperci Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia. , Spicaria sunt utilizate în utilizarea parafinelor, uleiurilor de parafină, motorinei, hidrocarburilor aromatice, alcoolilor polihidroxici, acizilor grași Penicillium vitale este utilizat pentru a obține un preparat purificat de glucoză oxidază care inhibă dezvoltarea dermatomicetelor patogene Microsporum lanosum, Achorion gypseum. gips, Epidermophyton kaufman.

Utilizarea industrială a microorganismelor pentru obținerea de noi produse alimentare a contribuit la crearea unor astfel de industrii precum panificația și produsele lactate, producția de antibiotice, vitamine, aminoacizi, alcooli, acizi organici etc.

Diversitatea microorganismelor. Biotehnologia produselor lactate. Biotehnologia mediului.

Sinteza microbiologică a diferitelor substanțe joacă un rol cheie în producția biotehnologică. Începutul microbiologiei industriale moderne a fost stabilit în anii 40, când a fost stabilită producția de peniciline prin metode de fermentație. În prezent, microorganismele produc zeci de tipuri de compuși - aminoacizi, antibiotice, proteine, vitamine, lipide, acizi nucleici, polizaharide, pigmenți, zaharuri, enzime etc.

Lumea diversă a microorganismelor include procariote (organisme unicelulare care nu conțin nuclee formate) - bacterii, actinomicete, rickettsia, eucariote inferioare (organisme unicelulare și multicelulare cu nuclei formați în care cromozomii sunt înconjurate de o membrană poroasă specială (natura lipoproteică), - drojdii, ciuperci filamentoase, protozoare și alge Din cele peste 100 de mii de specii de microorganisme cunoscute în natură, doar câteva sute sunt utilizate în procesele biotehnologice. Industria microbiologică impune producătorilor cerințe importante pentru tehnologia de producție rata, utilizarea substraturilor ieftine pe viață și rezistența la microfloră străină.

Biotehnologia produselor lactate.

Gama de produse alimentare obtinute cu ajutorul microorganismelor este extinsa. Acestea sunt produse obținute în urma fermentației - pâine, brânză, vin, bere, brânză de vaci și așa mai departe. Până de curând, biotehnologia a fost folosită în industria alimentară cu scopul de a îmbunătăți procesele consacrate și de a folosi mai abil a microorganismelor, dar viitorul aici aparține cercetării genetice pentru a crea tulpini mai productive pentru nevoi specifice și pentru a introduce noi metode în tehnologiile de fermentație.

Producția de produse lactate în industria alimentară se bazează pe procese de fermentație. Baza biotehnologiei produselor lactate este laptele. Laptele (secreția glandelor mamare) este un mediu nutritiv natural unic. Conține 82–88% apă și 12–18% substanță uscată. Compoziția substanțelor solide din lapte include proteine ​​(3,0 - 3,2%), grăsimi (3,3 - 6,0%), carbohidrați ( zahăr din lapte lactoză - 4,7%), săruri (0,9 - 1%), componente minore (0,01%): enzime, imunoglobuline, lizozim etc. Grăsimile din lapte sunt foarte diverse în compoziția lor. Principalele proteine ​​ale laptelui sunt albumina și cazeina. Datorită acestei compoziții, laptele este un substrat excelent pentru dezvoltarea microorganismelor. De obicei implicat în fermentarea laptelui streptocociŞi bacterii lactice. Prin utilizarea reacțiilor care însoțesc procesul principal de fermentare a lactozei se obțin și alte produse de prelucrare a laptelui: smântână, iaurt, brânză etc. Proprietățile produsului final depind de natura și intensitatea reacțiilor de fermentație. Acele reacții care însoțesc formarea acidului lactic determină de obicei proprietățile speciale ale produselor. De exemplu, reacțiile de fermentație secundară care apar în timpul maturării brânzeturilor determină gustul soiurilor lor individuale. Peptidele, aminoacizii și acizii grași găsiți în lapte iau parte la astfel de reacții.

Microzimă. Biotehnologia mediului.

În natură, care nu este supusă intervenției umane, ecosistemul este configurat pentru auto-purificare, adică natura însăși face față prelucrării materialului organic (mort) de care nu mai are nevoie. Reciclarea materiei organice presupune soluri care contine biota naturala (microorganisme, edafon) - o componenta vie reprezentata de diferiti reprezentanti ai florei si faunei. Un gram de pământ de grădină conține zeci de milioane de microorganisme - saprofite și ctenomicete, ciuperci, oligonitrofile, azotobacterși bacterii nodulare, bacterii care descompun fibrele, amonifianți, nitrificatori, denitrificatori, fixatori anaerobi de azot. Împreună, microorganismele alcătuiesc microflora solului, care este responsabilă de metabolism, ca urmare a căreia materia organică moartă este procesată în humus fertil. Activitățile umane au un impact tehnologic puternic asupra mediului, în special prin poluarea solului și a apei cu deșeuri industriale și de viață, unde poluanții organici reprezintă o pondere semnificativă. Ca urmare a contaminării solului și apei cu substanțe organice, biota naturală este suprimată, relațiile dintre grupurile individuale de microorganisme se schimbă și, în general, direcția metabolismului se modifică și procesele naturale de autopurificare sunt perturbate. În zonele cu poluare constantă, microflora solului din substraturile poluante nu conține mai mult de câteva mii de CFU la 100 de grame de substrat rămân prezente unele grupuri de microorganisme, în timp ce numărul altora scade critic, procesele de formare a solului sunt perturbate și deșeuri nedegradabile; se acumulează în sol și apă. Într-un ecosistem poluat cu microfloră benefică suprimată, se dezvoltă microorganisme dăunătoare și patogene - în corpurile de apă contaminate cu nutrienții azot și fosfor, se dezvoltă rapid algele albastre-verzi, periculoase pentru ecologia rezervorului, provocând otrăvirea apei și moartea. Tulburările tehnogene şi antropice ale echilibrului ecologic modifică starea sanitară la locul formării lor şi înrăutăţesc condiţiile de viaţă ale oamenilor.

Dezvoltarea celor mai raționale metode de utilizare a microbilor în activitatea economică umană și selecția conștientă a microbilor au devenit posibile numai după dezvoltarea metodelor microscopice pentru studierea și elucidarea metodelor de așezare și reproducere a microorganismelor. Căi de apariție a microbilor cu rezistență crescută sau cu cerințe reduse de nutrienți ca în condiții naturale sub influența selecția naturală, iar în condiții artificiale ca urmare a activităților crescătorilor, au o importanță practică foarte importantă. Persoana este interesată să primească cât mai repede posibil forme utile microbii Intensitatea selecției naturale influențează foarte mult viteza de apariție a formelor rezistente, iar cu cât această selecție este mai severă, cu atât se identifică formele rezistente mai rapide. Folosind selecția treptată, se obțin noi tulpini de microorganisme care sunt capabile să crească și să producă o productivitate ridicată în condiții de poluare a mediului. Noile tulpini extrem de eficiente pot fi izolate din mediu, de exemplu, din biotopuri naturale și tehnogenice, zone contaminate și stații de tratare a apelor uzate și pot fi, de asemenea, obținute prin selecție țintită.

Mulți poluanți periculoși pentru mediu sunt substanțe organice complexe. Pentru a le procesa, microorganismele sintetizează enzime în mediul extern - substanțe bioactive proteice speciale care joacă un rol cheie în distrugerea substraturilor organice complexe: celuloză, lignină, amidon, lipide, hidrocarburi, în structuri moleculare simple care sunt liber absorbite și mineralizate de către bacterii sau alte microorganisme, de exemplu, ciuperci. Biotehnologia exploatează această capacitate a microorganismelor și bacteriilor, în special în aplicarea unor probleme specifice de mediu.

Utilizarea locuitorilor microscopici ai solului pentru reciclarea biologică a deșeurilor organice și neutralizarea poluanților se numește bioremediere(bio - viata, remedio - tratament). Concentrații mari de diferite tipuri special selectate de microorganisme care alcătuiesc comunitatea, care au fost izolate anterior din sol, selectate și propagate sub forma unui preparat gata de utilizare, sunt introduse în mediul curățat sau deșeurile eliminate.

Ca urmare, activitatea microbiologică utilă este creată în mod intenționat la locul potrivit, la momentul potrivit, care constă în asimilarea și prelucrarea materiei organice moarte de către microbi în produse metabolice: dioxid de carbon (dioxid de carbon, CO2), apă (H2O), metan (CH4), humus, diferite forme de azot (de la mineral la gazos). Astfel de măsuri fac posibilă neutralizarea extrem de eficientă a efectului inhibitor al poluanților asupra proceselor naturale de autopurificare a solului și a apei, stimularea metabolismului microbiologic, activarea microflorei native corespunzătoare și a proceselor naturale de autopurificare, formare a solului și respirație. .

Avantajele bioremedierii includ posibilitatea aplicării țintite și dozate a tehnologiei la locul potrivit, la momentul potrivit, o viteză suficient de mare și o eficiență semnificativă din punct de vedere ecologic a asimilării și procesării deșeurilor organice și a contaminanților de către microorganisme, caracteristici de purificare sau prelucrare specificate tehnologic. procese, securitatea mediului și igienă. De exemplu, tratarea biologică a apelor uzate folosește biotehnologia în cazurile în care anumite substanțe conținute în apele uzate nu sunt biodegradabile prin fulgi de nămol activ.

Apoi vin în ajutor microorganisme special selectate, capabile să distrugă în mod eficient poluanții complecși, cum ar fi grăsimile, polimerii, până la structurile moleculare care nu dăunează nămolului activat al instalațiilor de tratare.

Bioremediere– purificarea biologică a solului și a apei de poluarea cu petrol și produse petroliere se bazează pe capacitatea microorganismelor de a metaboliza treptat hidrocarburile petroliere complexe pentru a obține structuri de hidrocarburi moleculare mai simple până când acestea sunt complet neutralizate ca poluant periculos pentru mediu.

Eliminarea și eliminarea fecalelor, tratarea apelor uzate menajere se bazează pe capacitatea microorganismelor de a metaboliza substanțele organice conținute în fecale și de a suprima creșterea microflorei patogene din cauza competiției pentru sursa de hrană. Distrugerea mirosurilor și efectul de dezodorizare se bazează pe mai multe abilități ale bacteriilor de a metaboliza compuși organici volatili mirositoare sau de a preveni formarea acestora și de a metaboliza acizii grași.

Producția de gaz metan(biogazul) din deșeurile organice depinde direct de activitatea vitală a microorganismelor metanogene. Biotehnologia interacționează strâns cu ingineria mediului. De exemplu, reabilitarea biologică a corpurilor de apă in situ (luarea în considerare a unui fenomen exact în locul în care acesta are loc, adică fără mutarea într-un mediu special) se bazează pe teoria și practica rolului comunităților de bacterii și microorganisme în întregul ecosistem biologic al unui rezervor, relațiile trofice ale ecosistemului acvatic.

Veriga principală a procesului biotehnologic, care determină întreaga sa esență, este un obiect biologic capabil să efectueze o anumită modificare a materiei prime și să formeze unul sau altul produs necesar. Astfel de obiecte biotehnologice pot include celule ale microorganismelor, animale și plante, animale și plante transgenice, precum și sisteme enzimatice multicomponente ale celulelor și enzime individuale.

Baza celei mai moderne producții biotehnologice este încă sinteza microbiană, adică sinteza diferitelor substanțe biologic active cu ajutorul microorganismelor. Din păcate, obiectele de origine vegetală și animală, din mai multe motive, nu și-au găsit încă o utilizare atât de răspândită.

Indiferent de natura obiectului, etapa primară în dezvoltarea oricărui proces biotehnologic este obținerea de culturi pure de organisme (dacă sunt microbi), celule sau țesuturi (dacă sunt organisme mai complexe - plante sau animale). Multe etape de manipulare ulterioară a acestora din urmă (adică, cu celule vegetale sau animale) sunt, de fapt, principii și metode utilizate în producția microbiologică. Din punct de vedere metodologic, atât culturile de celule microbiene, cât și culturile de țesuturi vegetale și animale nu sunt practic diferite de culturile microbiene.

Lumea microorganismelor este extrem de diversă. În prezent

Peste 100 de mii de specii diferite sunt relativ bine caracterizate (sau cunoscute). Acestea sunt în primul rând procariote (bacterii, actinomicete, rickettsia, cianobacterii) și o parte din eucariote (drojdii, ciuperci filamentoase, unele protozoare și alge). Cu o varietate atât de mare de microorganisme, o problemă foarte importantă și adesea complexă este alegerea corectă a exact organismului care este capabil să furnizeze produsul necesar, adică să servească în scopuri industriale. Microorganismele sunt împărțite în industriale și neindustriale acestea sunt acele microorganisme care sunt utilizate în producția industrială, iar cele care nu sunt utilizate - neindustriale.

Baza producției industriale este un grup mic, dar profund studiat de microorganisme, care servesc ca obiecte model în studiile proceselor fundamentale ale vieții. Toate celelalte microorganisme nu au fost deloc studiate de geneticieni, biologi moleculari și ingineri genetici sau au fost studiate într-o măsură foarte limitată. Primele includ Escherichia coli (E. coli), Bacillus subtilis (Bac. subtilis) și drojdia de panificație (S. cerevisiae).

Multe procese biotehnologice folosesc un număr limitat de microorganisme care sunt clasificate ca GRAS („în general recunoscute ca sigure”). Astfel de microorganisme includ bacteriile Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, alte tipuri de bacili și lactobacili și speciile de Streptomyces. Acestea includ, de asemenea, speciile de ciuperci Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus și drojdiile Saccharomyces și altele. microorganismele ca obiecte de bază ale biotehnologiei.

Industria microbiologică utilizează astăzi mii de tulpini din sute de specii de microorganisme care au fost izolate în principal din surse naturale pe baza lor. proprietăți benefice, și apoi (în mare parte) îmbunătățit folosind diverse metode. În legătură cu extinderea producției și a gamei de produse, în industria microbiologică sunt implicați din ce în ce mai mulți reprezentanți ai lumii microbilor. Trebuie recunoscut că în viitorul previzibil, niciunul dintre ele nu va fi studiat în aceeași măsură ca E. coli și Bac. Iar motivul pentru aceasta este foarte simplu - intensitatea enormă a muncii și costul ridicat al acestui tip de cercetare.

Cele mai comune obiecte biotehnologice sunt:

Bacteriile și cianobacteriile;

alge marine;

Protozoare;

Culturi de celule vegetale și animale;

Plante – inferioare (anabena-azolla) și superioare – linte de rață.

Structuri subcelulare (virusuri, plasmide, ADN).

Bacteriile și cianobacteriile

Funcțiile biotehnologice ale bacteriilor sunt diverse.

Bacteriile cu acid acetic, genurile Gluconobacter și Acetobacter.

Bacteriile Gram-negative care transformă etanolul în acid acetic și acidul acetic în dioxid de carbon și apă.

Reprezentanții genului Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis sunt folosiți pentru obținerea probioticelor, substanțe care au efect antibiotic asupra altor microorganisme, precum și asupra insectelor (B.thuringiensis). Sunt bacterii gram-pozitive care formează endospori.

B.subtilis este un aerob strict, în timp ce B.thuringiensis poate trăi în condiții anaerobe.

Bacteriile anaerobe, formatoare de spori, sunt reprezentate de genul Clostridium. C. acetobutylicum fermentează zaharurile în acetonă, etanol, izopropanol și n-butanol (fermentarea acetobutanolului), alte specii pot fermenta și amidonul, pectina și diverși compuși care conțin azot.

Bacteriile lactice includ reprezentanți ai genurilor Lactobacillus, Leuconostoc și Streptococcus, care nu formează spori, sunt gram-pozitive și insensibile la oxigen.

Bacteriile heterofermentative din genul Leuconostoc transformă carbohidrații în acid lactic, etanol și dioxid de carbon.

Bacteriile homofermentative din genul Streptococcus produc numai acid lactic.

Reprezentanții genului Lactobacillus produc, împreună cu acidul lactic, o serie de produse diferite.

Un membru al genului Corynebacterium, celulele Gram-pozitive nemotile ale C.glutamicum servesc ca sursă de lizină și glutamat monosodic.

Alte specii de corinebacterii sunt folosite pentru leșierea microbiană a minereurilor și reciclarea deșeurilor miniere.

Această proprietate a unor bacterii este utilizată pe scară largă, cum ar fi diazotrofie, adică capacitatea de a fixa azotul atmosferic.

Există 2 grupe de diazotrofe:

Simbionti: fara noduli radiculari (in principal licheni), cu noduli radiculari (legumi);

Viață liberă: heterotrofe (Azotobacter, Clostridium, Methylobacter), autotrofe (Chlorobium, Rhodospirillum și Amoebobacter).

Bacteriile sunt, de asemenea, folosite în scopuri de inginerie genetică.

Cianobacteriile au capacitatea de a fixa azotul, ceea ce le face producători de proteine ​​foarte promițători. Un produs apropiat de glicogen este depus în citoplasma celulelor.

Reprezentanții cianobacteriilor precum Nostoc, Spirulina, Trichodesmium sunt comestibile și sunt consumați direct ca alimente. Nostoc formează cruste pe terenurile sterpe care se umflă atunci când sunt umezite. În Japonia, populația locală folosește pentru hrană straturi de nostok formate pe versanții unui vulcan și le numește pâine de orz Tengu (Tengu este un spirit bun de munte).

Spirulina (Spirulina platensis) provine din Africa - regiunea Lacului Ciad.

Spirulina maxima crește în apele lacului Texcoco din Mexic. Aztecii l-au colectat și de pe suprafața lacurilor și l-au folosit pentru hrană.

Biscuiții erau făcuți din spirulina, care erau o masă uscată de spirulina.

Analizele au arătat că spirulina conține 65% proteine ​​(mai mult decât soia), 19% carbohidrați, 6% pigmenți, 4% lipide, 3% fibre și 3% cenușă. Proteinele se caracterizează printr-un conținut echilibrat de aminoacizi. Peretele celular al acestei alge este ușor de digerat.

Spirulina poate fi cultivată în iazuri deschise sau într-un sistem închis de țevi de polietilenă. Randamentul este foarte mare: se obține până la 20 g de masă uscată de alge de la 1 m 2 pe zi, aceasta este de aproximativ 10 ori mai mare decât producția de grâu.

Industria farmaceutică autohtonă produce medicamentul „Splat” pe baza cianobacteriei Spirulina platensis. Contine un complex de vitamine si microelemente si este folosit ca agent general de fortificare si imunostimulare.

Escherichia coli

Escherichia coli- unul dintre cele mai studiate organisme. În ultimii cincizeci de ani, a fost posibil să se obțină informații complete despre genetică, biologie moleculară, biochimie, fiziologie și biologie generală. Escherichia coli. Este un raft mobil gram-negativ cu lungimea mai mică de 10 µm. Habitatul său este intestinele oamenilor și animalelor, dar poate trăi și în sol și apă. De obicei, E. coli nu este patogenă, dar în anumite condiții poate provoca boli la oameni și animale.

Datorită capacității de a se reproduce prin simplă diviziune pe medii care conțin numai ioni Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- și SO 4 2-, oligoelemente și un carbon sursă (de exemplu, glucoză), E. coli a devenit obiectul preferat al cercetării științifice.

Când este cultivat E. coli pe medii nutritive lichide îmbogățite care conțin aminoacizi, vitamine, săruri, oligoelemente și o sursă de carbon, timpul de generare (adică timpul dintre formarea unei bacterii și următoarea ei diviziune) în faza de creștere logaritmică la o temperatură de 37 ° C este de aproximativ 22 de minute.

E. coli poate fi cultivat atât în ​​condiții aerobe (în prezența oxigenului), cât și în condiții anaerobe (fără oxigen). Cu toate acestea, pentru producția optimă de proteine ​​recombinante E. coli cultivate de obicei în condiții aerobe.

Dacă scopul cultivării bacteriilor în laborator este sinteza și izolarea unei anumite proteine, atunci culturile sunt crescute în medii nutritive lichide complexe în baloane. Pentru a menține temperatura dorită și a asigura o aerare suficientă a mediului de cultură, baloanele sunt introduse baie de apă sau o cameră cu temperatură controlată și agitați continuu. O astfel de aerare este suficientă pentru reproducerea celulară, dar nu întotdeauna pentru sinteza unei anumite proteine.

Creșterea masei celulare și producția de proteine ​​sunt limitate nu de conținutul de surse de carbon sau azot din mediul nutritiv, ci de conținutul de oxigen dizolvat: la 20°C este de aproximativ nouă părți per milion. Acest lucru devine deosebit de important în producția industrială de proteine ​​recombinante. Pentru a asigura condiții optime pentru producția maximă de proteine, se construiesc fermentatoare speciale și se creează sisteme de aerare.

Pentru fiecare organism viu există un anumit interval de temperatură care este optim pentru creșterea și reproducerea sa. Când temperaturile sunt prea ridicate, proteinele se denaturează și alte componente celulare importante sunt distruse, ducând la moartea celulelor. La temperaturi scăzute, procesele biologice încetinesc semnificativ sau se opresc cu totul din cauza modificărilor structurale pe care le suferă moleculele de proteine.

Pe baza regimului de temperatură pe care îl preferă anumite microorganisme, acestea pot fi împărțite în termofile (de la 45 la 90 ° C și peste), mezofile (de la 10 la 47 ° C) și psicrofile (de la -5 la 35 ° C). microorganismele care se reproduc activ doar într-un anumit interval de temperatură pot fi un instrument util pentru rezolvarea diferitelor probleme biotehnologice. De exemplu, termofilii furnizează adesea gene care codifică enzime termostabile care sunt utilizate în procesele industriale sau de laborator, iar psicrotrofele modificate genetic sunt folosite pentru a biodegrada deșeurile toxice din sol și apă la temperaturi scăzute.

Pe lângă asta E. coli, multe alte microorganisme sunt folosite în biotehnologia moleculară (Tabelul 1). Ele pot fi împărțite în două grupe: microorganisme ca surse de gene specifice și microorganisme create prin metode de inginerie genetică pentru a rezolva anumite probleme. Genele specifice includ, de exemplu, gena care codifică o ADN polimerază termostabilă, care este utilizată în reacția în lanț a polimerazei (PCR) utilizată pe scară largă. Această genă a fost izolată din bacterii termofile și donată în E. coli. Al doilea grup de microorganisme include, de exemplu, diverse tulpini Corynebacterium glutamicum, care au fost modificate genetic pentru a crește producția de aminoacizi importanți din punct de vedere industrial.

Tabelul 1. Câteva microorganisme modificate genetic utilizate în biotehnologie.

Acremonium crizogen Bacillus brevis Bacillus subtilis Bacillus thuringiensts Corynebacterium glutamicum Erwinia herbicola Escherichia coli Pseudomonas spp. Rhizoderma spp. Trichoderma reesei Xanthomonas campestris Zymomonas mobilis

În stadiul actual, se pune problema dezvoltării unei strategii și a unor tactici de cercetare care să facă posibilă, cu o cantitate rezonabilă de muncă, să se extragă din potențialul noilor microorganisme tot ceea ce este cel mai valoros atunci când se creează tulpini producători importante din punct de vedere industrial adecvate utilizării. în procesele biotehnologice. Abordarea clasică este de a izola microorganismul dorit de condițiile naturale.

1. Din habitatele naturale ale presupusului producător se prelevează probe de material (se prelevează probe de material) și se seamănă într-un mediu electiv care asigură dezvoltarea preferențială a microorganismului de interes, adică se obțin așa-numitele culturi de îmbogățire.

2. Următoarea etapă este izolarea unei culturi pure cu studiul diagnostic diferențial suplimentar al microorganismului izolat și, dacă este necesar, o determinare aproximativă a capacității sale de producție.

Există o altă modalitate de a selecta microorganismele producătoare - aceasta este de a selecta speciile dorite din colecțiile disponibile de microorganisme bine studiate și bine caracterizate. Acest lucru, desigur, elimină nevoia de a efectua o serie de operațiuni care necesită forță de muncă.

Principalul criteriu la alegerea unui obiect biotehnologic (în cazul nostru, un microorganism producator) este capacitatea de a sintetiza produsul țintă. Cu toate acestea, pe lângă aceasta, tehnologia procesului în sine poate conține cerințe suplimentare, care uneori sunt foarte, foarte importante, ca să nu spunem decisive. În termeni generali, microorganismele trebuie:

Au o rată de creștere ridicată;

1.Organismele unicelulare, de regulă, se caracterizează prin rate mai mari de creștere și procese sintetice decât organismele superioare. Cu toate acestea, acest lucru nu este caracteristic tuturor microorganismelor. Există unele dintre ele (de exemplu, oligotrofe) care cresc extrem de lent, dar sunt de un anumit interes deoarece sunt capabile să producă diverse substanțe foarte valoroase.

Reciclați substraturile ieftine necesare vieții lor;

2. De un interes deosebit ca obiecte ale dezvoltării biotehnologice sunt microorganismele fotosintetice care utilizează energia luminii solare în activitățile lor de viață. Unele dintre ele (cianobacteriile și eucariotele fotosintetice) utilizează CO2 ca sursă de carbon, iar unii reprezentanți ai cianobacteriilor, pe lângă toate cele de mai sus, au capacitatea de a asimila azotul atmosferic (adică sunt extrem de nepretențioși la nutrienți).

Microorganismele fotosintetice sunt promițătoare ca producători de amoniac, hidrogen, proteine ​​și o serie de compuși organici. Cu toate acestea, progresele în utilizarea lor din cauza cunoștințelor fundamentale limitate despre organizarea lor genetică și mecanismele biologice moleculare ale activității vieții, aparent, nu ar trebui așteptate în viitorul apropiat.

Să fie rezistent la microflora străină, adică să aibă o competitivitate ridicată.

3. Se acordă o oarecare atenție unor obiecte ale biotehnologiei, cum ar fi microorganismele termofile care cresc la 60–80 ° C. Această proprietate este un obstacol aproape de netrecut în calea dezvoltării microflorei străine în timpul cultivării relativ nesterile, adică este o protecție fiabilă împotriva contaminării . Printre termofili s-au găsit producători de alcooli, aminoacizi, enzime și hidrogen molecular. În plus, rata lor de creștere și activitatea metabolică sunt de 1,5-2 ori mai mari decât cea a mezofililor. Enzimele sintetizate de termofile se caracterizează prin rezistență crescută la căldură, unii agenți oxidanți, detergenți, solvenți organici și alți factori nefavorabili. În același timp, sunt puțin activi la temperaturi obișnuite. Astfel, proteazele unuia dintre reprezentanți microorganismele termofile la 200 C sunt de 100 de ori mai puţin active decât la 750 C. Aceasta din urmă este o proprietate foarte importantă pentru unele producţii industriale.

Toate cele de mai sus asigură o reducere semnificativă a costului de producere a produsului țintă.

Selecţie

O componentă integrantă a procesului de creare a celor mai valoroși și activi producători, adică la selectarea obiectelor din biotehnologie, este selecția acestora. Iar metoda generală de selecție este construcția conștientă a genomurilor la fiecare etapă de selecție a producătorului dorit. În dezvoltarea tehnologiilor microbiene, metodele bazate pe selecția variantelor modificate apărute spontan și caracterizate prin caracteristicile utile necesare au jucat odată (și continuă să joace) un rol foarte important. Cu astfel de metode, se utilizează de obicei selecția în trepte: în fiecare etapă de selecție, cele mai active variante (mutanți spontani) sunt selectate din populația de microorganisme, din care tulpini noi, mai eficiente, sunt selectate în etapa următoare.

Procesul de selecție a celor mai eficienți producători este accelerat semnificativ atunci când se utilizează metoda mutagenezei induse.

Sunt utilizate ca efecte mutagene UV, raze X și radiații gamma, anumite substanțe chimice etc. Cu toate acestea, această tehnică nu este lipsită de dezavantaje, principalele dintre ele fiind intensitatea muncii și lipsa de informații despre natura modificărilor. experimentatorul selectează în funcție de rezultatul final.

Astfel, tendința de astăzi este construcția conștientă a tulpinilor de microorganisme cu proprietăți specificate bazate pe cunoștințe fundamentale despre organizarea genetică și mecanismele biologice moleculare ale implementării funcțiilor de bază ale organismului.

Selecția de microorganisme pentru industria microbiologică și crearea de noi tulpini au adesea ca scop sporirea capacității lor de producție, de exemplu. formarea unui anumit produs. Rezolvarea acestor probleme într-o măsură sau alta este asociată cu schimbări în procesele de reglementare din celulă.

Modificările ratei reacțiilor biochimice la bacterii pot avea loc în cel puțin două moduri. Una dintre ele este foarte rapidă (implementată în câteva secunde sau minute) prin modificarea activității catalitice a moleculelor individuale de enzime. Al doilea, mai lent (implementat în mai multe minute), constă în modificarea ratelor de sinteză a enzimelor. Ambele mecanisme folosesc un singur principiu de control al sistemului - principiul feedback-ului, deși există și mecanisme mai simple pentru reglarea activității metabolice a celulelor. Cel mai simplu mod de a regla orice cale metabolică se bazează pe disponibilitatea substratului sau prezența unei enzime. O scădere a cantității de substrat (concentrația acestuia în mediu) duce la o scădere a vitezei de curgere a unei anumite substanțe printr-o anumită cale metabolică. Pe de altă parte, creșterea concentrației substratului duce la stimularea căii metabolice. Prin urmare, indiferent de orice alți factori, disponibilitatea substratului (disponibilitatea) ar trebui să fie considerată ca un mecanism potențial al oricărei căi metabolice. Uneori, un mijloc eficient de creștere a randamentului produsului țintă este creșterea concentrației în celulă a unui anumit precursor.

Cea mai comună modalitate de reglare a activității reacțiilor metabolice într-o celulă este reglarea de tipul retroinhibiției.

Biosinteza multor metaboliți primari se caracterizează prin faptul că atunci când concentrația produsului final al unei anumite căi de biosinteză crește, activitatea uneia dintre primele enzime din această cale este inhibată. Prezența unui astfel de mecanism de reglare a fost raportată pentru prima dată în 1953 de A. Novik și L. Szillard, care au studiat biosinteza triptofanului în celulele E. coli. Etapa finală a biosintezei acestui aminoacid aromatic constă din mai multe etape catalizate de enzime individuale.

Acești autori au descoperit că într-unul dintre mutanții E. coli cu biosinteza afectată a triptofanului, adăugarea acestui aminoacid (care este produsul final al acestei căi de biosinteză) inhibă brusc acumularea unuia dintre precursori, indol glicerofosfat, în celule. Chiar și atunci, s-a sugerat că triptofanul inhibă activitatea unei enzime care catalizează formarea de indol glicerofosfat. Acest lucru a fost confirmat.