ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

 

Учебно-методическое пособие для студентов специальности

050701 «Биотехнология»

 

Шымкент , 2007

 

УДК 631. 147(075.8)

 

ББК 30. 16я 73

Е30

 

Составили: Приходько Н. А., Есимова А. М., Надирова Ж.К.

 

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. Учебно-методическое пособие для студентов специальности 050701 «Биотехнология» – Шымкент: ЮКГУ им. М. Ауезова,- 2007.- 100с.

Рис. 22, табл. 9, список литературы 15 наим.

 

 

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов III курса дневной и заочной формы обучения по специальности 050701 «Биотехнология» и включает 8 лекций, содержание которых охватывает программу курса в соответствии с Государственным общеобязательным стандартом образования Республики Казахстан.

 

 

Учебно-методическое пособие составлено на основании Государственных общеобязательных стандартов образования РК (Астана, 2001, 2004 (ГОСО РК 3.07.078 – 2001 и ГОСО РК 3.08. – 076 – 2004)

 

Рецензенты: доцент кафедры биотехнология

к. х. н. Тасыбаева Ш.Б..

 

 

Учебно-методическое пособие рекомендовано к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М. Ауезова (протокол № от 2007).

 

 

© Южно-Казахстанский Государственный университет им. М. Ауезова

 

Введение

 

1. Цель, задачи и место дисциплины в учебном процессе

 

Настоящий курс предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по специальности 050701 – биотехнология. В нем детально рассматриваются основные этапы биотехнологических производств.

В программе освещены вопросы, касающиеся биообъектов, биохимических процессов и сырья биотехнологических производств. Дана характеристика типов культивирования микроорганизмов, способов выделения и очистки конечных продуктов. Особое внимание уделяется значению методов генной инженерии в современной биотехнологии.

Цель курса – ознакомить студентов с основными этапами биотехнологических производств, включая:

- виды сырья;

- биообъекты – клетки и ферменты, биохимическая активность которых является

основой биопроизводств;

- процессы, лежащие в основе этих производств;

- выделение, очистка и товарные формы конечных продуктов.

Задачи курса

- показать уникальные возможности микроорганизмов и разнообразие

ферментативных реакций, лежащих в основе биопроизводств;

- дать характеристику сырья, в том числе, недефицитных вторичных

продуктов и отходов ряда производств;

- ознакомить с методами культивирования микроорганизмов;

- дать характеристику этапам получения конечных продуктов

биотехнологических производств.

Минимальная трудоемкость дисциплины по типовому учебному плану составляет 90 часов.

 

 

Лекция 1. Введение. Предмет и задачи курса. Биотехнологическое производство как биоиндустрия. Место приложения научных достижений биотехнологии. Перспективы биотехнологических производств

 

Форма проведения лекции: вводная с проблемными ситуациями

План лекции

1. Введение

2. Предмет и задачи курса

3. Биотехнологическое производство как биоиндустрия

4. Место приложения научных достижений биотехнологии

5. Перспективы биотехнологических производств

 

1. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии является одной их центральных задач в экономической политике развитых стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония, накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства, фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка, медикаментов занимают страны Западной Европы (ФРГ, Франция, Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным потенциалом новой техники и технологии, интенсивными фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях биотехнологии. Определить сегодня, что же такое биотехнология, весьма не просто. Вместе с тем, само появление этого термина в нашем словаре глубоко символично. Оно отражает мнение, что применение биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество. Интерес к этой науке и темпы ее развития в последние годы растут очень быстро. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие биотехнологии

Таблица 1 - Области науки, новейшие результаты которых важны для развития биотехнологии   Генетическая инженерия Технология рекомбинантных ДНК. Биокатализ Ферменты (выделение, иммобилизация). Целые микробные клетки (иммобилизация, стабилизация). Иммунология Моноклональные антитела. Технология ферментации Производство продуктов. Переработка отходов.

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она блестяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов.

Рисунок 1 - Междисциплинарная природа биотехнологии

Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других

Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов.

Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут принципиально новые направления».

 

2. Современный этап научно-технического прогресса характеризуется революционными изменениями в биологии, которая становится лидером естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень, в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии, математики, кибернетики и др.), системные подходы. Бурное развитие комплекса наук биологического профиля с расширением практической сферы их применения обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством второй половины ХХ века, как дефицит чистой воды и пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий. Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии, в рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем и процессов в различных сферах человеческой деятельности. Цель курса – ознакомить студентов с основными этапами биотехнологических производств, включая:

- виды сырья;

- биообъекты – клетки и ферменты, биохимическая активность которых является

основой биопроизводств;

- процессы, лежащие в основе этих производств;

- выделение, очистка и товарные формы конечных продуктов.

Задачи курса

- показать уникальные возможности микроорганизмов и разнообразие

ферментативных реакций, лежащих в основе биопроизводств;

- дать характеристику сырья, в том числе, недефицитных вторичных

продуктов и отходов ряда производств;

- ознакомить с методами культивирования микроорганизмов;

- дать характеристику этапам получения конечных продуктов

биотехнологических производств.

 

3. В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов следующие:

-Промышленная микробиология;

-Медицинская биотехнология;

-Технологическая биоэнергетика,

-Сельскохозяйственная биотехнология;

-Биогидрометаллургия;

-Инженерная энзимология;

-Клеточная и генетическая инженерия;

-Экологическая биотехнология.

Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых материалов обусловлена их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Эти процессы поддаются контролю, регулированию и автоматизации. Биотехнологические процессы, в отличие от химических, реализуются в «мягких» условиях, при нормальном давлении, активной реакции и невысоких температурах среды; они в меньшей степени загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами, мало зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и других, чужеродных для окружающей среды агентов. Поэтому биотехнология в целом и ее отдельные разделы находится в ряду наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса и является ярким примером «высоких технологий», с которыми связывают перспективы развития многих производств. Биологические технологии находятся в настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом определяется научно-техническим потенциалом страны. Все высокоразвитые страны мира относят биотехнологию к одной из важнейших современных отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции промышленности в соответствии с потребностями времени, и принимают меры по стимулированию ее развития.

Биотехнологические процессы многолики по своим историческим корням и по своей структуре, они объединяют элементы фундаментальных наук, а также ряда прикладных отраслей, таких как химическая технология, машиностроение, экономика. Научная многоликость биотехнологии в целом и ее раздела, имеющего целью решение природоохранных задач, удивительна: они использует достижения наук биологического цикла, изучающих надорганизменный уровень (экология), биологические организмы (микробиология, микология), суборганизменные структуры (молекулярная биология, генетика). Через биологию на биотехнологию влияют химия, физика, математика, кибернетика, механика. Современные биотехнологии также остро нуждаются в научно-обоснованной проработке технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая связь с техническими науками – машиностроением, электроникой, автоматикой. Общественные и экономические науки также имеют большое значение в развитии экологической биотехнологии, так как решаемые ею практические задачи имеют большое социально-экономическое значение для развития любого общества. К биотехнологии, как ни к одной любой отрасли и области научных знаний, подходят знаменитые слова Луи Пастера: «Нет, и еще тысячу раз нет, я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом».

Современном биологическим технологиям под силу создать отрасли, основанные на функционировании биологических систем, метаболические системы которых обладают уникальными достоинствами и подчинены интересам человечества.

 

5. Области применения биотехнологии очень разнообразны, она охватывает множество наук и производств, поэтому в настоящее время принято различать следующие виды биотехнологий.

Пищевая биотехнология Это наиболее старое и традиционное использование способностей микроорганизмов в получении пива, вина, кисломолочных продуктов, дрожжей и т.д. С развитием науки будут совершенствоваться два направления:

- производство микроорганизмов, клеток растений и животных в биореакторах, при этом выход будет существенно выше, чем в сельском хозяйстве;

- повышение производительности биотехнологических процессов за счет использования методов генной инженерии.

 

Таблица 2 - Эффективность биоконверсии сырья

 

Организм	Исходные продукты	Продукция, г.
Корова	1 кг. Корма	68 г. говядины
Свинья	1 кг. Корма	200 г. свинины
Курица	1 кг. Корма	240 г. курятины
Fusarium graminearum	1 кг. углеводов + неорганический азот + О2	1080 клеточной массы

 

Медицинская биотехнология. Получила развитие благодаря достижениям генной инженерии, например, получение интерферона, инсулина, гормонов роста путем клонирования генов человека в микроорганизмы, широко используются в терапии и диагностике различные ферменты. В будущем будут использованы достижения биоэлектрохимии, например, создаются специальные датчики, определяющие содержание глюкозы, нервных газов, отдельных компонентов крови.

Сельскохозяйственная биотехнология. В данном случае применение очень разнообразно:

- использование продукции и отходов сельского хозяйства в качестве сырья для получения биотехнологических продуктов: спирт, вино, пиво, энергия. Для развития этого направления надо тщательно изучить кинетику разложения различных субстратов и роль микроорганизмов в процессах;

- использование биотехнологии в ветеринарии для получения вакцин и сывороток;

-получение корма для скота: БВК, дрожжевая масса;

- новые способы улучшения сельскохозяйственных культур по урожайности и качеству;

- использование методов биологической фиксации азота вместо традиционных удобрений;

- использование методов биологического контроля вместо пестицидов.

Будущее сельскохозяйственной биотехнологии – это улучшение свойств растений путем использования генной инженерии.

 

 

Промышленная биотехнология. Энергетика: солнце → биомасса → энергия. В будущем будут созданы биотопливные элементы, например, водород, образующийся при брожении, используется в кислородно-водородном элементе. Необходимо повысить эффективность конверсии солнечного света в биомассу (обычно это 1 - 2%). Решаются также вопросы получения Н₂ путем расщепления Н₂О фотосинтезирующими микроорганизмами (сине-зеленые водоросли). Перспективно использование микроорганизмов в нефтедобывающей промышленности как ПАВ или полимеры.

Химические соединения. Биохимический способ их получения имеет преимущества: специфичность, легкость контроля, низкие температуры, экологичность, простота. Можно получать спирт, метан, кислоты, ацетон, аминокислоты, ферменты, антибиотики и др. Но пока традиционные способы синтеза преобладают. В будущем планируется производство пластмасс, эмульгаторов и загустителей. Материалы.

- биотехнология способствует развитию добычи промышленного сырья, например нефти;

- микроорганизмы используют для производства многих материалов, например, пластмасс;

- разрабатываются способы защиты различных веществ от разрушения микроорганизмами;

- микробиологическое выщелачивание руд.

Экологическая биотехнология. Давно известны и широко применяются микробиологические способы очистки сточных вод и переработки отходов. Перспектива – использование микроорганизмов с ранее известными или искусственно созданными катаболическими способностями.

- Биодатчики для мониторинга и контроля окружающей сферы.

 

Таблица 3 - Экономические и коммерческие аспекты биотехнологии. Оценка спроса на мировом рынке в 2010 году на различные продукты «новой» биотехнологии

 

Продукты «новой» биотехнологии	Оценка спроса
Химические вещества
Энергия
Пищевые продукты
Медицина
Прочие (выщелачивание руд, пластмассы, контроль за окружающей средой и т.д.)
Итого:

 

Это в 6 раз больше, чем дает сейчас бродильная промышленность.

Связь микробиологии с химическими технологиями дала результаты, с внедрением биотехнологии в промышленность произойдет переход от тяжелой индустрии к высоким технологиям. Внедрение биотехнологии в практику изменяет соотношение в системе: человек- производство- природа, повышает производительность труда. Широкое использование биотехнологических процессов способствует стиранию грани между промышленным и сельским производством, поскольку продукты питания, корма и другие сельскохозяйственные продукты вырабатываются в индустриальных условиях. В настоящее время достижения биотехнологии перспективно использовать в следующих отраслях:

- в промышленности (химическая, нефтяная, фармацевтическая, пищевая);

- в экологии;

- в энергетике;

- в сельском хозяйстве;

- в медицине.

Биотехнология - межотраслевая дисциплина и ее развитие невозможно без открытий в других отраслях и дисциплинах. Бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволяет использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека (т.е. они изучают жизненные явления на клеточном и молекулярном уровне). Клеточная и генная инженерия позволяет получать новые штаммы-продуценты.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие преимущества имеют биотехнологические методы

2. В каких направлениях наиболее перспективно развитие биотехнологии

3. Какими принципами регламентируется выбор объектов биотехнологии

4. Связь микробиологии с химическими технологиями

5. Будущее сельскохозяйственной биотехнологии

6. Внедрение биотехнологии в практику

7. Наиболее старое и традиционное использование способностей микроорганизмов

8. Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов

 

Лекция 2. Значение микроорганизмов как объектов биотехнологических производств. Своеобразие и скорость обмена веществ у микроорганизмов. Использование в биотехнологии мутантных и гибридных продуцентов

 

Форма проведения лекции: проблемная

 

План лекции

 

1. Значение микроорганизмов как объектов биотехнологических производств

2. Своеобразие и скорость обмена веществ у микроорганизмов

3. Теоретические основы процесса селекции

4. Выбор исходного микроорганизма для селекции

5. Подготовка селекционного материала к селекционной работе

6. Получение мутантов

7. Отбор положительных мутантов

 

1. Биологический агент является активным началом в биотехнологических процессах и одним из наиболее важных ее элементов. Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка .

Микробные клетки с различными химико-технологическими свойствами могут быть выделены из природных источников и далее с помощью традиционных (селекция, отбор) и новейших методов (клеточная и генетическая инженерия) существенно модифицированы и улучшены. При выборе биологического агента и постановке его на производство прежде всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов. Это значит, что микробная клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиолого-биохимические свойства в процессе длительного ведения ферментации. Промышленные продуценты также должны обладать устойчивостью к мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой (контаминации); характеризоваться безвредностью для людей и окружающей среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продуктов обмена и отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-экономические показатели.

В настоящее время многие промышленные микробные технологии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем решающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстремофилы – организмы, развивающиеся в экстремальных условиях среды (термофильные, алкало- и ацидофильные). В последние годы расширяется применение смешанных микробных культур и их природных ассоциаций. По сравнению с монокультурами, микробные ассоциации. способны ассимилировать сложные, неоднородные по составу субстраты, минерализуют сложные органические соединения, имея повышенную способность к биотрансформации, имеют повышенную устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и токсических веществ, а также повышенную продуктивность и возможность обмена генетической информацией между отдельными видами сообщества. Основные области применения смешанных культур – охрана окружающей среды, биодеградация и усвоение сложных субстратов. Особая группа биологических агентов в биотехнологии – ферменты, так называемые катализаторы биологического происхождения. Ферменты находят все большее применение в различных биотехнологических процессах и отраслях хозяйствования, но до 60-х годов это направление сдерживалось трудностями их получения, неустойчивостью, высокой стоимостью. Как отдельную отрасль в создании и использовании новых биологических агентов следует выделить иммобилизованные ферменты, которые представляют собой гармонично функционирующую систему, действие которой определяется правильным выбором фермента, носителя и способа иммобилизации. Преимущество мобилизованных ферментов в сравнении с растворимыми заключается в следующем: стабильность и повышенная активность, удержание в объеме реактора, возможность полного и быстрого отделения целевых продуктов и организации непрерывных процессов ферментации с многократным использованием биологического агента. Иммобилизованные ферменты открывают новые возможности в создании биологических микроустройств для использования в аналитике, преобразовании энергии и биоэлектрокатализе. К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов – трансгенных клеток микроорганизмов, растений, животных генноинженерными методами. Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов (мембраны с заданными свойствами, изотопы, магнитные материалы, антитела). Разрабатываются подходы к конструированию ферментов с заданными свойствами, имеющими повышенную реакционную активность и стабильность. В настоящее время реализован синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации и пр.

 

Таблица 4 - Микрооорганизмы, используемые в промышленности
для получения целевых продуктов

 

Организм	Тип	Продукт
Saccharomyces cerevisiae	Дрожжи	Пекарские дрожжи, вино, эль, саке
Streptococcus thermophilus Propionibacterium shermanii	Бактерии Бактерии	Иогурт Швейцарский сыр
Gluconobacterium suboxidans	Бактерии	Уксус
Penicillium roquefortii	Плесень	Сыры типа рокфора
Aspergillus oryzae	Плесень	Саке
Saccharomyces cerevisiae	Дрожжи	Этанол
Clostridium acetobutylicum	Бактерии	Ацетон
Xanthomonas campestris	Бактерии	Полисахариды
Corynebacterium glutamicum	Бактерии	L-Лизин
Candida utilis	Дрожжи	Микробный белок
Propionibacterium	Бактерии	Витамин В12
Aspergilus oryzae	Плесень	Амилаза
Kluyveromyces fragilis	Дрожжи	Лактаза
Saccharomycopsis lipolytica	Дрожжи	Липаза
Bacillus	Бактерии	Протеазы
Endothia parasitica	Плесень	Сычужный фермент
Leocanostoc mesenteroides	Бактерии	Декстран
Xanthomonas campestris	Бактерии	Ксантан
Penicillium chrysogenum	Плесень	Пенициллины
Chehalosporium acremonium	Плесень	Цефалоспирины
Rhizopus nigricans	Плесень	Трансформация стероидов
Гибридомы	–	Иммуноглобулины и моноклональные антитела
Клеточные линии млекопитающих	–	Интерферон
E. coli (рекомбинантные штаммы)	Бактерии	Инсулин, гормон роста, интерферон
Blakeslea trispora	Плесень	b-Каратин
Phaffia rhodozyma	Дрожжи	Астаксантин
Bacillus thuringiensis	Бактерии	Биоинсектициды
Bacillus popilliae	Бактерии	Биоинсектициды

 

Таблица 5 - Важнейшие группы субстратов, биологических агентов и образуемых в биотехнологических процессах продуктов   Субстраты Биологические агенты Продукты Меласса, сок сахарного тростника, гидролизаты растительных полимеров. Микроорганизмы, растительные и животные клетки, . Биоудобрения и биоинсектициды, микробные биомассы, диагностикумы, вакцины. Сахара, спирты, органические кислоты. Парафины нефти. Полупродукты, предшественники биотрансформации. Природный газ, водород. Отходы с/х и лесной промышленности. Отходы промышленности, в том числе переработки фруктов и овощей. Бытовые отходы, сточные воды. Молочная сыворотка. Картофель, зерно. Зеленая биомасса растений. Вирусы. Компоненты клеток: мембраны, протопласты, митохондрии, ферменты. Внеклеточные продукты: ферменты, коферменты. Иммобилизованные клетки микроорганизмов, растений и животных, их компоненты и внеклеточные продукты. Биогаз. Чистые продукты, медикаменты, диагностикумы. Гормоны и др. продукты биотрансформации Органические кислоты. Полисахариды. белок одноклеточных. Пищевые продукты. Экстракты, гидролизаты. Спирты, органические растворители. Антибиотики Аминокислоты. Ферменты, витамины. Металлы, неметаллы. Моноклональные антитела.

Таким образом, в биотехнологических процессах возможно использование различных биологических агентов с различным уровнем организации, – от клеточной до молекулярной.

 

2. Все биотехнологические процессы в биотехнологии микроорганизмов основываются на функционировании микробных клеток, поэтому биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности. По своему строению микробные клетки бывают прокариотические (бактерии сине-зелёные водоросли) и эукариотические (грибы, водоросли, простейшие). Живая клетка- сложный химический реактор, в котором протекает более 1000-чи независимых реакций, катализируемых ферментами. Тем не менее биологической системы подчиняются тем же основным законам сохранения вещества и энергии и тем же принципам, что и процессы химической технологии . Микроорганизмы могут усваивать световую энергию - фототрофы и химическую - хемотрофы . Гетеротрофы могут усваивать только органические вещества , а афтотрофы не органические вещества (например СО2).

Полученная энергия хранится и транспортируется внутри клетки в виде высокоэнергетических соединений типа АТФ, а клетки используют энергию для выполнения 3-х функций :

1. для роста, для синтеза больших, сложных молекул

2. транспорта ионных и нейтральных соединений

3. механической работы, то есть деление и передвижение

Эффективность использования энергии в биосинтезе высокая, остальная энергия превращается в тепло.

Метаболизм – это совокупность всех химических превращений клетки.

Метаболизм складывается из катаболизма (распад веществ, разложение химических веществ для получения энергии) и анаболизма (образования сложных веществ клетки из простых, с затратами энергии) амфиболизм (все реакции промежуточного обмена )

Микроорганизмы бывают аэробные (требуется О2 для дыхания) и анаэробные (существуют без кислорода). При анаэробном расщеплении (брожении ) органические вещества не разлагаются до простых конечных, по этому энергии высвобождается мало. При аэробном обмене (дыхании ) получаются бедные энергией конечные продукты (СО2 и Н2О) и высвобождается много энергии

Брожение (спиртовое):

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С2Н5ОН + 2АТФ +2СО2

Дыхание

С6Н12О6 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 6Н2О + 36АТФ + 36Н2О

Таким образом из 1 моля глюкозы при дыхании образуется 36 моль АТФ и 2847 кДж, а при анаэробном процессе только 2 моли АТФ и 217 кДж, то есть в 18 раз меньше. По этому в аэробных условиях рост клеток более эффективен

При дыхании водород получаемый в результате гликолиза, транспортируется к кислороду. В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется по две молекулы пирувата, АТФ и NADH2. Пируват подвергается окислительному декарбоксилированию при участии мультиферментного комплекса и нескольких коферментов. Один кофермент принимает отщеплённый водород, а другой кофермент А(СоА-Н) присоединяет оставшуюся ацетильную группу СоСН2.

При дыхании ацетильный остаток полностью расщепляется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) в результате окисления и отщепления Н, декарбоксилирования (отщепления СО2) и гидратации (присоединения Н2О).

Основную энергию для синтеза АТФ при дыхании клетка получает в результате окисления кислородом водорода, получаемого в результате гликолиза, окисления пирувата и реакции ЦТК. Последняя стадия катаболизма – окислительное фосфорилирование. В ходе этого процесса высвобождается большая часть метаболической энергии, при этом молекулы NADH и FADH2 переносят электроны от молекулы питательных веществ к молекуле О 2. Фосфорилирование осуществляется в дыхательной цепи под воздействием фермента АТФ-синтетазы

В цепи дыхания при переносе Н от NAD H к О2 освобождается 218 кдж на 1-моль NAD H.

Ассимиляция (анаболизм) у автотрофных и гетеротрофных организмов.

Ассимиляция – синтез собственных веществ тела из неорганических (СО2, Н2О, NH3-автотрофная) или из органических соединений (гетеротрофная).

Потребность в энергии удовлетворяется либо за счет световой энергией в процессе фотосинтеза , либо за счет окисления неорганических веществ (H2S,NH3 и др. ) в процессе хемосинтеза.

Фотосинтез-преобразование энергии света в химическую, которая накапливается в форме АТФ и водорода связанного с коферментом (NAD H).

Он состоит из 2-х процессов: светового – преобразования энергии, фотонов hv и темнового - образования углеводов.

Восстановитель Н2 образуется при разложении Н2О при фотосинтезе:

12Н2О hv 12 Н2+6О2+АТФ

АТФ синтезируется при прохождении электронов по цепи транспорта электронов

6СО2+12Н2 в темноте С6Н12О6+6Н2О.

Бактериальные и растительные клетки сами синтезируют все 20 аминокислот, входящих в состав белков (в зеленых клетках в хлоропластах)

Гетеротрофная ассимиляция сводится в основном к процессам перестройки молекул, иногда организму достаточного только одного органического вещества, чтобы синтезировать все необходимые соединения, другие же организмы должны получать совершено определённые, незаменимые вещества, например аминокислоты и витамины и др.

 

3. Промышленно важные продукты жизнедеятельности микроорганизмов по их природе и значению для самой микробной клетки делят на три основные группы:

- крупные молекулы (ферменты, полисахариды с молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов);

- первичные метаболиты (соединения, необходимые микроорганизмам для роста: аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, витамины и др.);

- вторичные метаболиты (соединения, ненужные микроорганизмам для роста: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста растений).

Первичные и вторичные метаболиты микробного происхождения обычно имеют довольно низкую по сравнению с ферментами молекулярную массу менее 1,5 тыс.

Биологическую активность эти вещества проявляют различно: удовлетворяют потребности человека и животных, взаимодействуют с микроорганизмами, насекомыми, растениями, участ­вует в разложении различных органических субстратов. Кроме того, некоторые аминокислоты могут служить сырьем для дальнейших превращений на основе химического синтеза.

Продукты микробного синтеза для того, чтобы стать объектом рентабельного промышленного производства, должны выделяться микробной клеткой в питательную среду и накапливаться в среде в количествах, которые оправдывали бы сырьевые и энергетические затраты на культивирование микроорганизма и выделение продукта в необходимой для дальнейшего использования форме. В большинстве случаев выбор микробиологиче­ского способа получения того или иного вещества обусловлен полным отсутствием или весьма ограниченной возможностью по­лучения его другими способами, в первую очередь путем химиче­ского синтеза. Многие антибиотики, ферменты, биологически активные изомеры ряда аминокислот, пуриновые нуклеотиды, токсины, факторы роста растений в настоящее время возможно или, по крайней мере, гораздо проще получать с помощью микро­организмов из доступного и дешевого сырья, чем осуществлять сложный, многоэтапный химический синтез, или даже один-два этапа ферментативного синтеза, но на основе сложного и часто малодоступного сырья.

Однако природные штаммы микроорганизмов, как правило, не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде, т. е. продуцировать, такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы достаточно низкую его стоимость и требуемый объем производства. Природные штаммы некоторых групп микроорганизмов (несовершенные грибы, актиномицеты, бациллы) способны выделять в окружающую среду сравнительно небольшие количества антибиотиков, токсинов или гидролитических ферментов. Первичные метаболиты, как правило, микроорганизмами не выделяются в значительном количестве (синтезируемое количество этих веществ строго ограничено и рассчитано на потребности самой клетки). Исключение из этого правила - выделение глутаминовой кислоты природными штаммами (так называемой группы глутаматпродуцирующих коринебактерий) - не распростра­няется на подавляющее большинство других аминокислот.

В связи с этим задача селекционера - не только усиление природной способности микроорганизма продуцировать опреде­ленное вещество (антибиотик, фермент, токсин и др.), но во многих случаях и создание продуцента «заново» из штамма дикого типа, способного синтезировать вещество (например, аминокислоту), но не способного его продуцировать. Эти задачи осуществляются получением у природных штаммов наследствен­ных изменений - мутаций, приводящих к усилению природной способности микроорганизмов синтезировать и продуцировать определенное вещество, а также появлению новой способности - синтезировать вещество в избытке - сверх своих потребностей и продуцировать его.

Дальнейшее повышение уровня продукции того или иного вещества у микроорганизма - это постоянная цель работы селекционеров, так как наиболее эффективный способ интенси­фикации микробиологического производства, не требующий дополнительных капиталовложений, заключается в использова­нии более продуктивного штамма.

Синтез микроорганизмами первичных или вторичных метабо­литов можно представить себе как процесс, начинающийся с поглощения клеткой субстрата (источников углерода и азота, микроэлементов и т. д.) и проходящий затем ряд этапов, катализируемых различными ферментами, часть которых участ­вует в регуляции синтеза нужного вещества или его предшест­венников. На отдельных этапах промежуточные вещества могут служить предшественниками других метаболитов и расходовать­ся на их синтез. Предшественники определенного вещества могут быть промежуточными или конечными продуктами других путей синтеза, иметь собственную регуляцию и расходоваться на другие потребности клетки. Кроме того, продуцируемое вещество должно преодолевать барьер проницаемости и накапливаться в среде культивирования, не подвергаясь деградации под действием ферментов, которые может синтезировать микробная клетка.

Теоретически мутации, способствующие сверхсинтезу продукта, могут затрагивать большое число структурных генов, кодирующих ферменты всех этапов синтеза, транспорта и катаболизма данного продукта, а также регуляторные гены. Результат таких мутаций может проявиться в различных изменениях метаболизма клетки:

- повышение скорости поглощения и утилизации субстрата клеткой;

- повышение уровня синтеза биосинтетических ферментов или их активности, в частности, за счет нарушения негативного контроля синтеза и активности регуляторных ферментов в пути синтеза продукта или его предшественников;

- блокирование побочных реакций синтеза для снижения расхода общих предшественников на синтез других метаболитов;

- блокирование дальнейшего внутриклеточного превращения продукта, если оно происходит;

- обеспечение эффективной экскреции продукта из клетки;

- блокирование деградации продукта;

- усиление позитивных форм регуляции синтеза продукта.

Если желаемым продуктом является выделяемый клеткой фермент (чаще всего это гидролитические ферменты, хотя в последнее время большой интерес проявляется и к ряду оксидоредуктаз, в частности, участвующих в катаболизме аминокислот), то мутации, способствующие усилению его образования и активности, а также накоплению в среде, могут затрагивать:

- структурный ген, приводя к синтезу мутантного фермента, не чувствительного к ингибированию конечным продуктом реакции, и (или) повышая его активность (число оборотов, т. е. число молей превращаемого субстрата в минуту); мутация в промоторной части гена должна усилить частоту инициации транскрипции или вызвать синтез фермента;

- гены, кодирующие белки, участвующие в регуляции синтеза данного фермента (в частности, по типу катаболитной репрессии, имеющей разнообразные формы проявления и в общем виде выражающейся в обратной зависимости синтеза катаболитчувствительного фермента от скорости роста клеток), мутации в этих генах должны устранить или ослабить факторы, ограничивающие синтез фермента;

- гены, кодирующие ферменты, которые могут гидролизовать и инактивировать нужный фермент, мутации должны уменьшить или устранить такую возможность;

- гены, ответственные за синтез компонентов клеточных мембран, которые участвуют в «сборке» (у эукариотов) и экскреции ферментов, мутации в этих генах могут повысить эффективность указанных процессов.

Приведенный перечень теоретически возможных, «участвующих» в сверхсинтезе мутаций, очевидно, не полон, так как наши сведения о регуляции биосинтеза того или иного метаболита и взаимосвязях с другими процессами в клетке не являются исчерпывающими, не любая из перечисленных мутаций может вызвать сверхсинтез. Чаще всего требуется сочетание нескольких мутаций, среди которых могут быть «главные» и «вспомогательные». Последние необходимы для проявления или наибольшего выражения первых. Вместе с тем возможно и отсутствие значительного уровня продукции даже в случае, когда большинство из теоретически необходимых для этого мутаций получено у микроорганизма и, наоборот, селекционер может быть избавлен от необходимости получать множество разных мутаций, если он удачно выбрал исходный природный тип микроорганизмов.

 

4. Разнообразие природных форм позволяет выбрать микроорганизм, который имеет меньшее число ограничений для сверхсинтеза какого-то вещества, хотя при этом и не продуцирует его. Так, оказалось очень сложным и на практике пока еще недостижимым получить промышленно значимый уровень продукции L-лизина у кишечной палочки или псевдомонад, но весьма легким у представителей глутаматпродуцирующих коринебактерий: Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavит и др. Исходя из имеющихся данных, объяснить это можно менее сложной регуляцией синтеза лизина у коринебактерий (в процессе синтеза лизина всего один фермент контролируется по типу поливалентного ингибирования активности лизином и треонином, и этот контроль устраняется мутацией, блокирующей синтез гомосерина - предшественника треонина и метионина, при этом поток общих предшественников направляется только на синтез лизина), а также отсутствием деградации лизина по сравнению с регуляцией у кишечной палочки (три контролируемых фермента и более сложные формы регуляции) и выраженной способностью к деградации лизина у псевдомонад.

В ряде случаев природные штаммы с менее сложными системами ограничений сверхсинтеза выделяют в среду некоторое количество первичного метаболита, например, штамм гриба Еremothecium ashbyii способен продуцировать витамин В₂, а Рrоpionibacterium shermanii-B₁₂. Такие микроорганизмы, конечно, становятся объектами селекции на повышение уровня продукции выделяемого вещества. Пригодность микроорганизма (не выделяющего нужное вещество, обычно первичный метаболит, но привлекающего исследователя какими-то свойствами) для использования в качестве объекта селекции на получение продуцента этого вещества можно проверить, введя ему одну или несколько определенных, легко тестируемых мутаций, которые теоретически должны вызвать сверхсинтез данного вещества и, может быть, уже были «апробированы» на другом микроорганизме. Это самый надежный способ выбора исходного штамма, даже если для этого вида микроорганизма нет данных о регуляции синтеза желаемого вещества. Для продуцентов вторичных метаболитов, а также ферментов или полисахаридов выбор исходного штамма предрешен способностью природного микроорганизма продуцировать какое-то количество нужного вещества. В тех случаях, когда одно и то же вещество выделяют природные штаммы, относящиеся к разным таксономическим группам (например, грибы и бациллы), это может позволить выбрать более "технологичный" для будущего производства или более поддающийся селекции штамм.

Таким образом, селекционер чаще всего не свободен в выборе исходного для селекции штамма и не может считать критерием такого выбора генетическую изученность микробного объекта и возможность применения к нему разнообразных генетических методов. Природные свойства штаммов, определяющие этот выбор, безусловно, облегчают и ускоряют селекционную работу. Однако отсутствие у многих промышленных микроорганизмов систем обмена информацией не позволяет ни изучить генетический контроль синтеза продуцируемого вещества, ни облегчить насыщение генома продуцента необходимыми для сверхсинтеза мутациями.

 

5. У микроорганизма, выделяющего продукт и взятого в качестве объекта селекции, необходимо изучить естественную изменчивость по морфологическим признакам и по количественному признаку - уровню продукции желаемого вещества. После рассева исходного штамма на чашки Петри среди не менее 100 (а лучше нескольких сотен) колоний выявляют типичную для данной культуры морфологическую форму и отклонения от нее. Затем изолированные на косяки колонии (клоны) как типичной формы (не менее 100 клонов), так и доступное число ее морфоло­гических вариантов (убедившись предварительно, что эти ва­рианты сохраняют свои особенности при пересевах) оценивают после соответствующего способа культивирования по уровню продукции вещества, применяя надежный аналитический метод. Такая оценка позволяет выявить вполне возможную корреляцию между способностью продуцировать данное вещество и морфологией колоний.

Несколько клонов с наиболее высоким уровнем продукции по отношению к уровню контроля, которым является исходная (не рассевавшаяся) культура, отбирают и проверяют на про­дукцию в нескольких повторных опытах, а затем отбирают один клон, характеризующийся высоким и воспроизводимым уровнем. Такая процедура, которую иногда называют «чисткой» исходной культуры, довольно часто приводит к отбору клона с заметно повышенной продукцией, а в некоторых случаях - и с отклонением от типичной морфологии.

Отобранный из рассева исходной культуры клон снова рассе­вают, отмечают морфологическую изменчивость, если она есть и затем оценивают по уровню продукции не менее 100 типичных для данного клона изолированных на косяки колоний. Целесообразно значения уровней продукции таких субклонов, выражен­ные в процентах по отношению к продукции исходного для них (родительского) клона, распределить в вариационном ряду и вычислить статистические показатели: среднее арифметическое X, квадратическое отклонение, δ коэффициент изменчивости

 

 

Субклоны, попавшие в крайнюю правую часть этого ряда, отбирают, повторно оценивают по уровню продукции и оставляют один из них. Этот субклон рассевают и, как и в предыдущем случае, проверив не менее 100 колоний, строят вариационный ряд и вычисляют его показатели. Получив, таким образом, два вариационных ряда, сравнивают значения cv этих рядов. Если эти значения достоверно не различаются, можно подготовку исходного штамма для дальнейшей селекции закончить отбором субклона из первого вариационного ряда, а второй ряд (собственный ряд этого субклона) считать контрольным для следующего этапа селекции с применением мутагенных факторов. При обнаружении у cv второго ряда явной тенденции к уменьшению целесообразно провести еще один этап клонирования, выбрав из правой части второго ряда «лучший» построить третий вариационный ряд на основе его рассева определить cv. Цель такого ступенчатого клонирования - «стабилизи­ровать» исходную культуру по количественному признаку, получив на основе действия стабилизирующего отбора наиболее однородную по данному признаку популяцию как надежный контроль при оценке индуцируемой мутагенами изменчивости и последующем отборе мутантов. Следует иметь в виду, что одно­родность отобранной культуры снижается при многократном пассировании и длительном хранении. Поэтому исходную культу­ру, которая должна служить контролем при отборе мутантов, необходимо поддерживать периодическим клонированием, прово­димым в установленные для данной культуры промежутки времени. Повысить уровень продукции таким клонированием, т. е. отобрать мутант, как правило, не удается. Средний уровень продукции клонов, отбираемых из правой части вариационного ряда, построенного на основе естественной изменчивости культуры, обычно равен среднему уровню продукции родительской культуры.

В том случае, когда исходная культура нужное вещество не продуцирует, следует выбрать из ее рассева колонию, которая по таксономической характеристике полностью соответствует дан­ному виду микроорганизма, и использовать этот клон в дальнейшей работе с применением мутагенов.

 

6. Разнообразные типы мутации получают с помощью различных физических и химических мутагенных факторов. Биологический материал, подвергаемый воздействию мутагенных факторов, должен быть дискретным и содержать минимальное количество ядер, что позволяет устранить или сократить стадию сегрегации. Обычно это споры, вегетативные клетки или даже обрывки ми­целия у неспорулирующих организмов. Суспензия, содержащая клетки или споры, должна быть по возможности лишена комков — конгломератов, так как мутация в одной из клеток конгломерата при прорастании его на агаризованной среде будет утрачена или в лучшем случае проявится в виде сектора. Комки разбивают на качалке, фильтруют суспензию, но полностью избавиться от их присутствия в обрабатываемой мута­геном суспензии обычно не удается.

Физическими факторами (УФ-излучение и различные виды ионизирующей радиации) обрабатывают водную суспензию спор или клеток. При обработке химическими факторами (чаще всего это алкилирующие агенты: алкилметансульфонаты, алкил-сульфаты, алкилнитрозомочевина, метилнитрозогуанидин и др.) следует соблюдать условия, способствующие максимальному про­явлению мутагенной активности данного вещества. Большую роль в этом отношении играет рН раствора, поэтому обработку проводят в буферных растворах при наиболее эффективных для данного мутагена значениях рН.

У актиномицетов и коринебактерий, обработанных парами диэтилсульфата (для этого достаточно нанести каплю веществ на стенку пробирки с выросшей культурой и выдержать несколько часов в термостате), появляется в несколько раз больше морфологических мутаций, чем после обработки в водном растворе мутагена.

Доза воздействия мутагена выражается в единицах излуче­ния, соответствующих типу радиации. Для химических мутагенов доза характеризуется концентрацией мутагена в обрабатываемой суспензии и экспозицией при определенной температуре. После экспозиции обработку химическим мутагеном прерывают отмыванием материала (применяя осаждение его центрифугированием), помещением в буферную смесь с неоптимальным для мутагенного эффекта значением рН и (или) серией разведений в физиологическом растворе, предшествующей высеву на агаризованную среду. Если при поиске определенных типов мутаций суспензия должна быть высеяна на агар без разведения, то отмывание от мутагена необходимо.

При выборе дозы мутагена ориентируются на выживаемость обрабатываемого микроорганизма, последняя определяется отношением числа колоний, выросших на агаре после мутагенного воздействия, к числу колоний, выросших после посева той же, но не обработанной мутагеном (контрольной) суспензии клеток, выраженных в процентах. Выживаемость зависит как от дозы мутагена, так и от чувствительности данного микроорганизма к летальному эффекту мутагена, причем чувствительность может значительно различаться у нескольких штаммов одного вида микроорганизма. В селекционной работе, как правило используются дозы, обеспечивающие выживаемость клеток в диапазоне от 0,1 до 50 – 80 %.

 

7. Иногда для этого удаётся использовать естественный отбор. Например, хересные винные дрожжи (Sacharomyces oviformis), способные переокислить спирт в продукты, придающие вину хересный букет, не размножаются при концентрациях спирта больше 15 %. Культивируя их при постепенном увеличении концентрации спирта до 18 %, удалось выделить штамм, способный к образованию хереса в этих условиях.