Промышленная микробиология

метки: Микроорганизм, Антибиотик, Промышленный, Микробиология, Использование, Микроб, Аминокислота, Среда

1. Промышленная микробиология. Общие подходы

1.1 Микроорганизмы, их свойства, принципы использования в промышленной микробиологии

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим его сущность, является клетка. Именно в ней синтезируется целевой продукт.

Клетка представляет собой миниатюрный химический завод, работающий с колоссальной производительностью, с предельной согласованностью и по заданной программе.

Ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений, включая белки. микробиология антибиотик гормон фермент

Основа современного биотехнологического производства — микробиологический синтез, т.е. синтез различных веществ с помощью микроорганизмов. Тогда как объекты растительного и животного происхождения не нашли широкого применения из-за их высокой требовательности к условиям культивирования.

Для осуществления биотехнологического процесса микробного синтеза необходима культура микроорганизмов, питательная среда, аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций, средства контроля и управления.

Начальным этапом микробного синтеза является получение чистых культур клеток.

Велик и многообразен мир микробов. В настоящее время известно более 100 тыс. видов микроорганизмов. К ним относятся прокариоты (бактерии, синезеленые водоросли) и эукариоты (дрожжи, простейшие и водоросли).

Для их успешного развития, размножения, необходимы определенные условия, в первую очередь наличие питательных веществ, из которых микробы синтезируют составные части своего тела и получают энергию.

По типам питания организмы подразделяют на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные микроорганизмы обладают способностью создавать органические вещества из неорганических, они не нуждаются в органических соединениях углерода. К ним относятся нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии. Некоторые организмы содержат хлорофилл и используют солнечную энергию для фотосинтеза.

Гетеротрофные бактерии нуждаются для своего питания в органическом углероде, различных азотистых соединениях, неорганических веществах, микроэлементах и витаминах.

Надежность биотехнологических систем и охрана окружающей среды

... в текст Правил были включены требования в отношении объема доклинических испытаний, безопасности химических веществ и конкретные методические указания по изучению различных ... различных схем очистки производственных стоков и твердых отходов. Однако нельзя забывать, что биотехнологические ... промышленности (спонсоров исследований), клинических исследователей и тех, кто контролирует ход исследований. В ...

Гетеротрофные организмы подразделяются на сапрофитов и паразитов. Сапрофиты — живут за счет органических веществ, находящихся во внешней среде. К ним относ. б-во видов бактерий, населяющих нашу планету. Иначе их называют метатрофными. Паразиты живут на поверхности или внутри другого организма, и питаются за его счет. Подразделение на паразитов и сапрофитов не является абсолютным, поскольку невозможно установить четкую грань между этими подгруппами.

Возникает вопрос, как провести правильный выбор именно тех форм микроорганизмов, которые будут полезны для определенных биотехнологических целей.

1. Проводится выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из тех мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава. Эти среды называют элективными.

накопительные культуры

чистая культура

Главный критерий при отборе продуцентов — способность синтезировать целевой продукт.

Требования к организмам-продуцентам

Микроорганизмы должны обладать:

1. Высокой скоростью роста;

2. Использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты;

3. Устойчивостью к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокой скоростью синтетических процессов, чем высшие формы живого. Например, корова 500 кг и дрожжи 5 г за одни сутки синтезируют 0,5 кг белка.

Немного более подробно рассмотрим такие группы как фотосинтезирующие микроорганизмы и термофильные микроорганизмы.

Фотосинтезирующие микроорганизмы

Термофильные микроорганизмы

1.2 Свойства микроорганизмов, используемые в биотехнологии, методы получения «полезных микроорганизмов», улучшения их свойств

Выделение и подбор объекта — важный этап биотехнологического процесса. Иногда путем простого отбора не удается получить высокоактивных продуцентов, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении.

селекции.

Селекция — направленный отбор мутантов, т.е. организмов, наследственность которых претерпела скачкообразное изменение вследствие структурной модификации в нуклеотидной последовательности ДНК. Генеральные пути селекции -от слепого, спонтанного отбора продуцентов к сознательному конструированию их генома.

спонтанных мутаций

индуцированный мутагенез.

• подавление бактериальной клеткой систем поглощения катионов тяжелых металлов;
• активация выброса тяжелых металлов из клетки;
• перестройка систем, чувствительных к ингибирующему действию тяжелых металлов.

Целенаправленные методы отбора продуцентов — по их устойчивости к структурным аналогам целевого продукта.

Если необходимо добиться накопления не конечного, а промежуточного продукта биосинтетического пути, то это может быть достигнуто с помощью мутанта, у которого блокирован следующий за интермедиатором этап синтеза.

Такой мутант ауксотрофен, т.е. растет только при добавлении в среду вещества, служащего продуктом блокируемой реакции.

Этот путь основан на переходе от прототрофных к ауксотрофным по определенному соединению штаммам.

Безопасность жизнедеятельности и производственная среда

... перенапряжение анализаторов. Трудовая деятельность человека и производственная среда постоянно меняются в процессе интенсивного использования ... спорообразующей микрофлорой (в животноводческих помещениях), микроорганизмами, являющимися продуцентами микробиологических препаратов. К вредным (или ... с сократительной белковой структурой мышцы, причем происходит диссоциация актомиозина на его компоненты, ...

Рассмотрели как выделяются из окружающей среды микроорганизмы, какие требования к ним предъявляются, как происходит улучшение их качеств.Теперь более подробно рассмотрим сам процесс культивирования.

Культивирование — это основная стадия технологического процесса микробного синтеза.

На данной стадии происходит: как накопление биомассы организма, так и накопление продуктов метаболизма.

Иногда конечный продукт — биомасса (бактериальные препараты).

Иногда продукты, синтезируемые клеткой (антибиотики, аминокислоты, ферменты).

При этом продукт может выделяться как в культуральную жидкость, так и накапливаться внутри клеток.

Культивирование микроорганизмов осуществляется следующими основными способами:

• поверхностное (жидкофазное — поверхность жидкой культуральной среды, твердофазное — плотной среды);
• глубинное, периодическое, отъемно-доливное, непрерывное.

В состав питательных сред для культивирования микроорганизмов входят:

• вода;
• факторы роста.

Необходимы в малых дозах. Участвуют в процессах обмена веществ.

Характеристика основных питательных сред

В зависимости от состава и назначения, питательные среды подразделяют на ряд групп:

• по консистенции: жидкие, полужидкие, твердые (агаризированные среды, свернутая сыворотка, свернутый яичный белок), сыпучие;
• по строению и сложности подразделяют на простые (обычные, универсальные (пептонная вода, питательная желатина и др.) и сложные (кровяной агар, асцитический агар);
• по назначению, питательные среды подразделяют на дифференциально-диагностические, элективные, накопительные, консервирующие;
• по составу: натуральные, синтетические (строго определенные пропорции химических. соединений и воды) и полусинтетические (среда из картофельного крахмала с глюкозой);
• по количеству питательных веществ:минимальная среда — лишь источники питания;
• богатая среда — содержит дополнительные вещества (аминокислоты, витамины, и т.п.) Приводит к увеличению скорости роста и изменению ферментного состава биомассы.

Выше мы рассмотрели клеточные организмы. Условия их существования, питания, размножения.

о вирусах.

Вирус — это облигатный внутриклеточный паразит, геном которого представлен одним видом нуклениовой кислоты — ДНК или РНК. Тогда как для рассмотренных выше типов микроорганизмов характерно наличие в геноме как РНК так и ДНК.

Вирион — инертные формы, в которые превращается вирус при переходе из одной клетки хозяина в другую; они не участвуют в обменных реакциях и сами по себе не размножаются. Репродукция (размножение) вирусов происходит внутри клеток.

Как это происходит:

• прикрепление (адсорбция) вируса на поверхности клетки
• проникновение вируса в клетку
• освобождение вируса от белковой оболочки (раздевание), что приводит к эклипсу, при котором происходит транскрипция специфических последовательностей родительской вирусной ДНК или РНК с обр-м мРНК;
• трансляция мРНК и появление кодируемых вирусом ферментов;
• репликация вирусной РНК или ДНК;
• дальнейшая транскрипция дочерней и родительской нуклеиновой кислоты;
• накопление структурных и других кодируемых вирусом белков, часть из которых обладает регуляторными функциями;
• самосборка вирусных белков вокруг генома вируса;
• выход вирионов из клетки.

2. Промышленная микробиология. Получение антибиотиков, аминокислот, органических кислот и других продуктов

Теплообмен человека с окружающей средой

... направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, ... биохимическим путем заключается в изменении интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Терморегуляция путем ... способами.(1,стр.132) Параметры микроклимата воздушной среды, которые обуславливают оптимальный обмен веществ в организме и ...

2.1 Природные и синтетические антибиотики. Основные группы антибиотиков, используемых в современной медицине. Первичные и вторичные метаболиты. Проблема «множественной» устойчивости болезнетворных микробов к антибиотикам Механизм действия на болезнетворные микробы

Современную медицину невозможно представить без множества лекарств, о которых мы даже не задумываемся, — они для нас всегда были, есть и будут. В первую очередь, это касается антибиотиков. Пожалуй, трудно встретить в цивилизованном мире того, кто ни разу в жизни ими не лечился. И хотя мир узнал об антибиотиках чуть более 70 лет назад, их открытие имело огромное значение. Например, считается, что именно эта группа препаратов позволила продлить жизнь человека в среднем на 20 лет.

Антибиотики — химиотерапевтические вещества биологического (микробного, растительного, животного) , полусинтетического или синтетического происхождения, которые в малых концентрациях вызывают торможение размножения или гибель чувствительных к ним микробов и опухолевых клеток во внутренней среде (эндосоматически) животного организма.

Антибиотики существовали всегда — столько же, сколько существуют микроорганизмы. Дело в том, что микроорганизмы — бактерии и грибы — вырабатывают специальные вещества — антибиотики для защиты своей территории обитания от конкурентов. Эти вещества смертельно опасны для врагов, но абсолютно безвредны для хозяина. Они помогают микробам выжить в борьбе за существование, а в последние десятилетия — после внедрения антибиотиков в медицинскую практику — помогают людям, страдающим бактериальными инфекциями. Но идея применить антибиотики для подавления болезнетворных бактерий возникла в науке не сразу.

Самый первый известный нам антибиотик появился в Китае две с половиной тысячи лет назад. В то время, китайцы обнаружили, что если прикладывать створожившееся соевое молочко к месту поражения инфекцией, то такой компресс оказывает определенное терапевтическое действие. Средство было настолько эффективным, что стало стандартным выходом из ситуации.

Исторические свидетельства гласят о том, что и в других культурах использовались вещества наподобие антибиотиков. В Судано-Нубийской цивилизации тип тетрациклина использовался уже в 350 году. В Европе в Средние века экстракты растений и сырная сыворотка использовались для лечения инфекций. Невзирая на то, что эти культуры уже использовали антибиотики, научные основы их деятельности были выведены только в двадцатом веке.

Одним из первых пионеров науки стал Луи Пастер. В 1877 году он и его сотрудник обнаружили, что рост болезнетворной бактерии можно остановить, если запустить к ней другую бактерию. Они показали, что огромные количество бацилл сибирской язвы не причинят никакого вреда животным, если их давать вместе с бактериями сапрофитами. Исследования, проведенные другими учеными в последующие годы окончательно подтвердили вердикт: материалы на основе бактерий могут убивать болезнетворные микроорганизмы.

Биотехнология антибиотиков

... внедрение в производство наиболее высокопродуктивных штаммов микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков; 2) создание и обеспечение самых благоприятных условий развития продуцента антибиотика на относительно ... антибиотика, характером его роста, местом основного накопления биологически активного вещества (в культуральной жидкости или внутриклеточно). 3) Стадия выделения и очистки антибиотика. На ...

Еще до открытия антибиотиков (веществ естественного происхождения) врачи пытались искусственно создать антибактериальные препараты. Сначала немецкий микробиолог Роберт Кох выделил так называемый туберкулин — стерильную жидкость, содержащую вещества, вырабатываемые бациллой туберкулеза в ходе роста. Но данный препарат оказалось невозможным применить для лечения туберкулеза в силу его токсичности. Вместе с тем туберкулин стали использовать для диагностики этого заболевания.

Несколько позднее также немецкий ученый Пауль Эрлих, много лет работая над проблемой лечения инфекционных заболеваний, получил вещество, избирательно действовавшее на возбудителя сонной болезни — трипаносому. Оно представляло собой соединение мышьяка и получило название «сальварсан» (от лат. salvare — спасать и arsenicum — мышьяк).

В 1906 году, после открытия возбудителя сифилиса — бледной спирохеты, сальварсан стал использоваться как лекарство против этого заболевания. Так, еще до появления антибиотиков были созданы вещества для борьбы с инфекциями.

Антибиотики обладают мощным действием на многие микробы, но, конечно, не на все. Антибиотиков универсального действия пока нет. Ученые стремятся к получению антибиотиков так называемого широкого спектра действия. Это значит, что такие антибиотики должны действовать на большое количество различных микробов, и такие антибиотики созданы. К их числу относятся стрептомицин, тетрациклин, хлорамфеникол и др. Но именно потому, что они вызывают гибель массы разнообразных микробов (но не всех), оставшиеся становятся агрессивными и могут причинить вред. В то же время за ними большое будущее.

В настоящее время антибиотики стали применяться и для лечения животных и птиц. Так многие инфекционные заболевания птиц благодаря антибиотикам перестали быть бичом в птицеводстве. В животноводстве и птицеводстве антибиотики стали применяться как стимуляторы роста. В сочетании с некоторыми витаминами, прибавленными к корму цыплят, индюшат, поросят и других животных, антибиотики способствуют усилению роста и увеличению их веса.

Среди антибиотиков имеются вещества ациклической, гетероциклической, ароматической, тетрациклиновой структуры, а также макролиды, хинолоны, аминогликозиды, ?-лактамные, полипептиды и др.

В 1980 г. мировое производство антибиотиков составляло примерно 25000 т, из них 17000 т. — пенициллины, 5000 т. — тетрациклины, 1200 т. — цефалоспорины и 800 т. -эритромицины.

2.2 Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения

противобактериальные, противогрибковые, противовирусные, противопротозойные, противоопухолевые

Природная чувствительность

Мишенями действия антибиотика чаще всего бывают клеточная стенка, особенно ее пептидогликан, цитоплазматическая мембрана, обычно пермеазы или другие расположенные в ней ферменты, рибосомы, митохондрии, генетические структуры или отдельные этапы синтеза белка, НК, липидов. В зависимости от важности мишеней для жизненных функций микроорганизма, обратимости повреждения, а также от концентрации и условий действия, антибиотики оказывают микробоцидное, оканчивающееся гибелью объекта, либо микробостатическое действие. В последнем случае происходит приостановка роста и размножения микроба в присутствии антибиотика. После удаления антибиотика из среды обитания микроба или утраты им антимикробных свойств, рост и размножение микроба возобновляются.

(перекрестная устойчивость).

фенотипической устойчивости

Генотипическая устойчивость

В чувствительной к антибиотикам популяции первоначально возникают единичные устойчивые мутанты или рекомбинанты. В неселективной среде обитания они обычно элиминируются, а в селективной, т.е. в среде, содержащей соответствующий атибиотик, они быстро приобретают доминирующее положение. Появление устойчивых к антибиотику. популяций микробов может быть также обусловлено заносом в популяцию и селекцию в ней устойчивых иммигрантов из других популяций. Это явление часто наблюдается в больничных условиях.

(аддитивный),

Антимикробная активность одного и того же антибиотика не всегда совпадает при испытании его в пробирочных опытах и при лечении больного, что вызвано активацией или инактивацией его в результате метаболических реакций микроорганизма, неадекватности условий, в которых проявляется действие антибиотика, и гетерогенностью микробных популяций по признаку устойчивости к антибиотику.

Клиническое применение антибиотика нередко осложняется их токсическим действием, развитием лекарственной аллергии, супер- и вторичной инфекцией, дисбактериозом, угнетением иммунного ответа, переходом болезни в хроническую форму, лекарственной инфекцией. Указывается на вероятность тератогенного и онкогенного действия некоторых антибиотиков. Достижение терапевтического эффекта без развития осложнений возможно при соблюдении научных принципов рациональной терапии.

2.3 Об устойчивости и путях преодоления резистентности

Чтобы контролировать антибиотикорезистентность необходимо знать, какие микробы к каким антибиотикам приобретают устойчивость. Это важно и в амбулаторной практике популяции. Это особенно важно в госпитальной практике. Потому что именно в XX веке мы столкнулись с проблемой внутрибольничных инфекций. Раньше их не было. И особо остро строит проблема антибиотикорезистентности именно среди возбудителей инфекций у пациентов, которые находятся в стационаре.

Дело в том, что скученность пациентов в стационаре — это неизбежное явление. Широкое применение антибиотиков ведет к тому, что происходит постоянный отбор, так называемая селекция устойчивых штаммов микроорганизмов, которые приобретают устойчивость к антибактериальным препаратам. И эти микробы делятся факторами резистентности с другими микробами. И постепенно внутри стационара создается такая благоприятная среда, где циркулируют особые штаммы микроорганизмов, с которыми очень сложно бороться, которые характеризуются устойчивостью к некоторым антибиотикам, а иногда и к многим антибиотикам.

Так называемая полирезистентность. Столкнулись с проблемой так называемой панрезистентности. Уже есть микроорганизмы, которые устойчивы абсолютно ко всем применяемым антибиотиком.

Были ли какие-то попытки международного сообщества выработать общие рекомендации, как поступать в случае появления действительно панрезистентных микроорганизмов?

Пути преодоления резистентности.

1. Создание новых антибиотиков

Причины редкого появления новых антибиотиков: во-первых -дороговизна ; во-вторых, для того, чтобы внедрить в клиническую практику новые антибактериальные препараты, нужно пройти все этапы доклинического и клинического исследования, которые занимают несколько лет, иногда до десяти лет.

2. Разработка «быстрых тестов», показывающих, является ли эта инфекция, например, бактериальной, то есть той, при которой необходимо применять антибиотики, или эта инфекция вызвана, например, не бактериями, а вирусами, и ее лечение не должно сопровождаться применением бактерицидных препаратов. Потому что именно избыточное применение антибиотиков является одной из основных движущих сил, которые стимулируют развитие резистентности у микроорганизмов.

Что касается важности определения, бактериальная или вирусная эта инфекция, необходимо помнить, что антибиотики — это уникальный класс лекарственных средств. И они не действуют на вирусы. Антибиотики действуют только на бактерии. Ну, несколько антибиотиков действуют и на грибы. И это необходимо очень четко представлять.

3. Не использовать антибиотики в пищевой промышленности. Часто у микроорганизмов вырабатывается устойчивость к препаратам, находящимся в пищевых продуктах (Тетрациклин), почему это происходит? Традиционно в сельском хозяйстве они используются не только для лечения, а как стимуляторы роста.(КРС, птицы, добавляют в корм рыб, креветки, устриц, опрыскивание плодовых деревьев для того, чтобы защитить от бактерий).

Это прямой фактор развития антибиотикорезистентности. И доказано, что происхождение антибиотикорезистентности у многих бактерий — это из-за использования антибиотиков в сельском хозяйстве. К сожалению, те продукты питания, которые поступают в нашу страну по импорту, они не проверяются на содержание антибиотиков. Они проверяются на многие другие компоненты токсические, но вот на содержание антибиотиков они не проверяются, к сожалению.

4, Строгий контроль над расходованием антибиотиков.

У людей, которые меньше принимают антибиотиков, безусловно, меньше риск возникновения устойчивых микроорганизмов — это факт.

2.4 Синтез органических кислот, гормонов, ферментов, биологически активных веществ

дрожжей кормовых),

Некоторые продукты микробиологического синтеза, например, пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение микробиологического синтеза началось в 40-50-х гг. 20 века в связи с освоением производства пенициллина. К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства — микробиологической промышленности.

брожения,

Микробиологический синтез. использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к «сверхсинтезу» — избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из природных источников или получают их мутантные штаммы (например, мутантные штаммы плесневых грибов продуцируют пенициллин в 100-150 раз быстрее, чем природные).

В качестве продуцентов находят применение культуры, полученные методами генетической. инженерии, в которых функционирует чужеродный для них ген, например, в бактерии кишечной палочки (Escherichia соli)-ген гормона роста человека.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (например, углеводы, оргаические кислотыты, спирты, жиры, углеводороды, в т.ч. газообразные).

Микробиологический синтез включает ряд последовательных стадий. Главные из них:

• подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;
• выращивание продуцента;
• культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которогорого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто называют ферментацией);
• фильтрация и отделение биомассы;
• выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо);
• сушка.

Рис. 1. Рост бактериальной культуры

Развитие микроорганизмов в статических условиях ограничено определенным объемом питательной среды. Закономерности характерны для периодического культивирования и могут быть отражены на графике зависимости логарифма количества клеток от времени культивирования. Выделяют 4 фазы роста:

Начальная фаза (лаг-фаза), Фаза логарифмического роста

Постепенно среда истощается, уменьшается количество доступных источников питания, накапливаются продукты обмена веществ. Для увеличения продолжительности этой фазы при непрерывном культивировании вводят новые порции питательной среды и удаляют часть клеток и продукты метаболизма.

Стационарная фаза, Фаза отмирания

Продукты метаболизма. После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Первичные метаболиты

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей.

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами.

Вторичные метаболиты

Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам.

антибиотики,

Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи — ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

2.5 Наиболее важные продукты микробиологического синтеза, Антибиотики, Аминокислоты., Нуклеозидфосфаты., Витамины, провитамины, коферменты., Алкалоиды., Гиббереллины., Ферменты., Белково-витаминные препараты.

К числу продуктов микробиологического синтеза относятся также некоторые средства защиты растений, например бактериальные энтомопатогенные препараты, вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение, и многие бактериальные удобрения.

Синтез аминокислот.

Таблица1. Заменимые и незаменимые аминокислоты.

Незаменимые	Заменимые
Валин	Аланин
Изолейцин	Аспарагин
Лейцин	Апарагиновая кислота
Лизин	Глицин
Метионин	Глутамин
Треонин	Глутаминовая кислота
Триптофан	Пролин
Фенилаланин	Серии
	Тирозин
	Цистеин
	Аргинин
	Гистидин

Заменимые

Исходя из оценки аминокислот, ученые давно стремятся использовать способности микроорганизмов продуцировать заменимые и незаменимые аминокислоты в ощутимых количествах.

Потребность людей в аминокислотах достаточно велика и этим определяется уровень их производства в мире (порядка 500 тыс. тонн в год).

Большинство микроорганизмов и зеленые растения способны синтезировать de novo все двадцать аминокислот. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена

В любом живом организме аминокислоты расходуются прежде всего на биосинтез первичных метаболитов — ферментных и неферментных белков. Следовательно, кроме биосинтеза аминокислот de novo, возможен другой путь их получения, а именно — из гидролизатов соответствующих белков (триптофан разрушается при кислотном гидролизе ), в том числе из нативной биомассы микробных клеток.

Продуценты аминокислот.

В гиперпродукции отдельных аминокислот культурами Escherichia coli, Serratia marcescens и другие важную роль играют Feedak — репрессия, например, при биосинтезе ароматических аминокислот на последних стадиях.

Природные аминокислоты являются, как правило, оптически активными L — и D — формами, которые трудно разделить. Вот почему микробный синтез с помощью коринебактерий и некоторых других микробов является ныне основным и экономически выгодным. Первое место здесь по праву занимает Япония, где лишь глутаминовой кислоты изготавливается свыше 100 тысяч тонн в год; большинство природных незаменимых аминокислот производит фирма «Такеда».

Получены микробы — суперпродуценты из родов Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus и другие, с помощью которых освоено крупнотоннажное производство не только глутамата, но и L — лизина, L — валина, L — гистидина и других.

В настоящее время имеются продуценты, у которых количество синтезируемого специфического белка достигает 10-15% (здесь важнейшую роль играют многокопийные плазмиды, несущее встроенный гены).

Генно — инженерными методами во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов ( Москва ) был получен штамм Escherichia coli, обладающий сверхпродукцией L — треонина (30 г / л за 40 часов ферментации ).

С любым штаммом, продуцентом какой — либо аминокислоты, необходимо внимательное и бережное обращение в целях поддерживания ее в активном состоянии в течении длительного времени.

Получен штамм Escherichia coli, продуцирующий за 48 часов 27 г / л L — пролина, и штамм, продуцирующий до 22,4 г / л L — фениланина.

С помощью Corynebacterium sp. можно получигь алкапосодержащих средах L — тирозин (до 19 г/л ); с помощью Corynebacterium glutamicum на глюкозной среде — L — валин (до 11 г / л; L — аргинин, L — гистидин, L — изолейцин — 15 — 20,8 г / л.

Получение аминокислот, Промышленный синтез аминокислот., Микробиологический синтез

Путем микробиологической ферментации получают основное количество глутаминовой кислоты и весь лизин. У этого процесса свои преимущества и свои недостатки. С одной стороны, в нем мало стадий и требуется относительно простая и универсальная аппаратура. С другой стороны, живые микроорганизмы, с которыми приходится работать, очень чувствительны к малейшему изменению условий, а концентрация целевого продукта получается низкой, что ведет к увеличению размеров аппаратуры.

Существует способ микробиологического получения фенилаланина при помощи тирозин — и метиониндефицитного мутанта Brevibacterium lactofermentum. В периодическом процессе ферментации достигнута концентрация продукта 24,8 г/л. Однако для данного процесса требуются сложные и дорогие среды. Определенный интерес представляют биосинтез фенилаланина ауксотрофным мутантом Е. coli, который можно культивировать в глюкозной среде с фосфатами. Процесс ферментации осуществляют доливным методом с рециркуляцией биомассы. Биомасса в реакторе 60 — му часу достигает 45 — 50 г/л, а концентрация фенилаланина — 22,4 — 22,8 г/л. Продуктивность системы 0,72-0,86 г/( лч ); выход продукта 0,11г.

Химический синтез.

Оба способа обеспечивают получение природных аминокислот необходимой степени химической и оптической чистоты. Так что, в конечном счете, когда речь идет о промышленном производстве, последнее слово остается за экономикой: по данным зарубежных специалистов, при больших масштабах химические методы становятся более рентабельными.

3. Проектное задание

1. На основе анализа литературных источников охарактеризуйте основные типы микроорганизмов, применяемые в промышленной биологии и методы улучшения их свойств

2. Выявите преимущества биотехнологической техники производства органических кислот, гормонов, ферментов, биологически активных веществ перед химической.

3. Обоснуйте механизм действия антибиотиков на болезнетворные микробы.

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/promyishlennyie-mikroorganizmyi/

1. Баев А.А., Быков В.А.. Биотехнология — союз науки и производства. М.: Советская Россия, 1987.

2. Баранов В. Медицина на пороге революции /Наука и жизнь. 2000, №9.

3. Безбородов A.M. и др. Основы биотехнологии микробных синтезов. Ростов н/Д, Изд-во РГУ, 1989.

4. Зеленый мир. Российская экологическая газета. Устойчивость к антибиотикам. 1998, №5. — С. 15

5. Сэссон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. — С. 196-242.