Биотехнологии: инновации и методы

Автор статьи: 
Александр Дешко
Проголосовать: 
4
Средняя оценка: 3.5 (2 votes)
Биотехнологии в лаборатории

Биотехнологический процесс имеет несколько основных элементов, среди которых биологический агент и продуцент. Каждая биотехнология начинается с использования биологического агента. Количество данных агентов расширяется с каждым днем, но, несмотря на это чаще используется микробная клетка. Клетки микроорганизмов выделяют из различных источников, и далее с помощью различных методов улучшают и модифицируют. При отборе необходимо учитывать, чтобы микробная клетка или ее популяция сохраняли свои физико-химические свойства при ферментации.

Биотехнологии: развитие и методы

Продуценты, которые используются в промышленности, должны быть устойчивыми к различным неблагоприятным воздействиям и обладать безвредностью по отношению к человеку и экосистемам.

Технологии микробных клеток, которые используются в промышленности, основываются на применении гетеротрофов. Однако в скором времени они уступят автотрофам и организмам, которые развиваются и не в благоприятных условиях.

Важнейшим компонентом биотехнологической промышленности выступает биообъект, который преобразует исходное сырье в готовый продукт. Эти объекты могут быть различного происхождения, в том числе являться и трансгенными.

Многие производства основываются на микробном синтезе. По ряду причин растения, животные как продуценты в сравнении с микроорганизмами используются реже.

В начале биотехнологического процесса выделяются чистые культуры продуцента. С определенной точки зрения растительные и животные культуры не отличаются от клеток микроорганизмов, однако микроорганизмы более удобны и экономичны, в этом их преимущества. Сегодня изучено с большой точностью около 100 тысяч видов микроорганизмов. Чаще это прокариоты, такие как бактерии и актиномицеты, реже эукариоты, такие как дрожжи, водоросли и т.п.

При таком разнообразии микроорганизмов возникает проблема выбора определенного вида, штамма, который даст возможность получить конечный продукт, используемый в промышленности. Из большого количества организмов, которые имеются в природе, для биотехнологических процессов используется только небольшая часть. Для обозначения продуцента используется бинарная номенклатура, которая включает название рода и вида на латыни и номер штамма.

Продуценты, используемые в биотехнологии, являются одноклеточными или многоклеточными организмами, которые могут состоять из одинаковых клеток или представлять собой сложные клеточные системы.

В промышленности используют 3 вида штаммов:

1. Естественные.

2. Полученные в результате мутагенеза.

3. Штаммы, полученные с помощью генной инженерии.

Штаммы, которые используются в промышленности, должны:

1. Быть безвредными для человека и окружающей среды.

2. Обладать большой скоростью накопления биомассы и в то же время быть экономически выгодными.

3. Минимальное количество побочных продуктов.

4. Высокая стабильность и устойчивость к культивированию.

5. Они не должны обладать токсичностью.

6. Быть устойчивыми к посторонней микрофлоре.

7. Обладать способностью роста на недорогих субстратах.

По совокупности этих свойств оценивается полезность данного продуцента.

Бактерии в биотехнологиях

Являются одним из наиболее часто используемых микроорганизмов в качестве продуцентов. Это связано с их особенностями, во-первых, к быстрому размножению (деление каждые 30-60 минут); во-вторых, объем перерабатываемой ими биомассы может превышать их собственную массу в 40 раз.

В большинстве случаев их особенности не реализуются из-за действия ингибирующих факторов. Важнейшими свойствами бактерий, как было уже выше сказано, является их быстрое размножение и это используется при производстве белка и различных БАВ.

Бактерии являются универсальными с биохимической точки зрения, это дает им возможность усваивания любых питательных веществ. Также они могут выбирать необходимые для них вещества из смеси, что обуславливает их хорошее приспособление к меняющимся факторам окружающей среды.

По отношению к наличию или отсутствию кислорода бактерии делят на 3 группы. Чаще всего бактерии-продуценты, которые используются в биотехнологии, являются облигатными аэробами, это значит, что их культивирование происходит при наличии кислорода. Те бактерии, которые культивируются при недостатке кислорода – микроаэрофилы, процесс в данном случае называется микроаэробным. Факультативные анаэробы – такие микроорганизмы, чья жизнедеятельность протекает в бескислородных условиях, но которые могут жить и при наличии в среде кислорода. Примером аэротолерантных бактерий являются метанобразующие бактерии.

В большинстве случаев бактерии культивируются на сложных средах, в состав которых включены различные вещества (витамины, аминокислоты и т.п.) обеспечивающие их рост. Те продуценты, которым для жизнедеятельности необходимы факторы роста, называются ауксотрофами, а те, которые не нуждаются в них – прототрофами. Большая часть продуцентов может расти и на искусственных средах, в которых источником углерода выступает одно вещество.

В качестве продуцентов применяются архебактерии. Они существуют в условиях с высокими концентрациями веществ и температуры. Среди них выделяют галобактерии, которые отличаются необычностью сред произрастания. Они могут расти в средах, содержащих до 30% хлорида натрия, на высушенной соленой рыбе, коже – это все связано с тем, что в их составе присутствуют белки, которые могут осуществлять свои механизмы только при больших концентрациях хлорида натрия.

В качестве продуцентов применяются актиномицеты – это грамположительные бактерии, которые способны к образованию мицелия. Несмотря на внешнее сходство с грибами, они в отличие от них являются прокариотами, способные к образованию нитей. Актиномицеты способны продуцировать различные антибиотики, обладающие большим кругом биологических действий (тетрациклин, актиномицины и др.).

Бактерии выступают как продуценты при производстве самых различных лекарственных препаратов, это и антибиотики, и аминокислоты, и витамины и т.п. При этом выделяют 2 основных способа их использования. Первый основан на накоплении бактериальной массы, а второй на синтезе метаболитов и их накоплении в среде. Также на основе бактериальной биомассы готовят различные вакцины и бактериофаги для диагностики ряда заболеваний.

Бактерии широко используются как продуценты для получения белка, это связано с рядом преимуществ, характерных для данных продуцентов:

  • среда может включать отходы производств;
  • высокая биологическая ценность;
  • быстрые реакции белкового синтеза;
  • легкость при культивировании даже в крупномасштабных производствах;
  • простота в изменении химического состава под действием селекционных методов.

Всего в качестве продуцентов в биотехнологии и медицине используется 30 видов бактерий. При их культивировании используются природный газ, а также низкомолекулярные одноатомные спирты в качестве источников углерода.

Грибы и водоросли в биотехнологиях

Грибы также нашли широкое применение в качестве продуцентов. Это отчасти связано с их сходством по некоторым признакам с животными и растениями. Однако различий и преимуществ с ними у них намного больше. В качестве продуцентов используются различные микромицеты, примером которых служат дрожжи, так и макромицеты, т.е. грибы, имеющие плодовые тела.

Грибы отличаются от бактерий большим диаметром и более высокой устойчивостью к фагам. Однако они уступают бактериям в скорости роста.

Дрожжи – наиболее часто применяемые грибы и единственные, которые используются в промышленности. Они широко используются в производстве вина и пива, также при получении технического спирта и многоатомных спиртов, таких как глицерин.

Для производства спиртного используются в основном сахаромицеты и кандиды, которые в качестве источника органических веществ используют чаще всего гексозы, однако их можно культивировать и на низкомолекулярных одноатомных спиртах. При культивировании дрожжей необходимо соблюдать оптимальные значения температуры и водородного показателя (наиболее оптимальная температура для них лежит в пределах 30 градусов).

Дрожжи можно культивировать на различных питательных средах. В качестве питательной среды может выступать этанол, который обладает производительностью как минимум два раза больше, чем при культивировании на n-алканах нефти. Также преимуществом культивирования на спиртах является большее содержание белка и низкое содержание примесей. В некоторых странах используют данный субстрат для культивирования грибной биомассы, которая включаются в продукты питания человека. Широкое применение нашел данный тип продуцентов при производстве лекарственных препаратов, среди них главные места занимают аспергилл, фузариум и пенициллин, основными продуктами их метаболизма выступают антибиотики, ферменты и кислоты.

Также в качестве питательной среды для культивирования дрожжей используют низкомолекулярные УВ, с содержанием углеродных атомов до 30(в большинстве случаев это жидкие фракции нефтяных УВ) и молочную сыворотку, которая богатая на содержание белка. Жидкие отходы производства также используются для культивирования дрожжей, что намного удешевляет производственный процесс.

Мицелийобразующие грибы способны синтезировать более 1200 антибиотиков. Наиболее важными для клинической медицины являются пенициллины, которые в свою очередь синтезируются грибами рода пенициллин и определенными видами аспергилла. Важнейшим продуцентом для производства антибиотиков является P. Chrysogenium. В период его существования образуются разные формы пенициллинов, которые отличаются друг от друга строением антибиотической молекулы, а также кругом своего действия.

Однако при получении антибиотиков на основе микромицетов имеется один существенный недостаток – это биомасса, которая представлена мицелием. Это достаточно сильно усложняет весь механизм действия ферментеров и влечет за собой изменение свойств культуральной жидкости.

В связи с этим широкое распространение получило искусственное выращивание макромицетов, т.е. образующих плодовые тела. Установлено, что грибы обладают большим выходом белка по сравнению с говядиной и рыбой. Это сказывается на высокой потребности в искусственном синтезе грибов в необходимых количествах и их использовании в качестве биологических добавок. Однако, несмотря на все это, грибы являются низкокалорийным продуктом и не могут, входит в рацион человека, ведущего активный образ жизни, т.к. не будут покрывать его физиологические расходы.

Необходимо отметить высокий спрос на биомассу грибов в медицине, в пищевой промышленности. Это связано с их высокой биологической ценностью, связанной в первую очередь с антибиотической активностью, а во вторую с высоким содержанием белка. Поэтому проблема синтеза грибов является важной задачей биотехнологии.

Применение водорослей в качестве продуцентов также связано с высоким содержанием в их составе белка, который может превышать 70% от их сухой массы. Они выступают в качестве продуцентов биологически активных веществ, но обладают меньшей скоростью роста по сравнению с грибами.

Преимуществом водорослей является простота их культивирования и малая привередливость в условиях. Они достаточно просто отделяются от субстрата и могут расти как на субстратах, содержащих углерод, так и в фотобиореакторах. Водоросли стали незаменимой пищей в рационе людей всех стран, поскольку содержание белка в их составляет до 30 раз больше по сравнению с другими растениями. Наиболее используемыми и употребляемыми в пищу и корма, являются хлорелла и ламинария.

Водоросли применяются не только в пищу, но используются для производства йода, агар-агара, который используется как уплотнитель при приготовлении ряда питательных сред. Также широкое применение водоросли нашли в качестве пищевых добавок, витаминных комплексов, в качестве сырья для получения питательных сред при культивировании не только МО, но и растительных и животных клеток.

Любой биотехнологический процесс начинается с отбора продуцентов, без наличия которых невозможно получение конечного продукта. В наше время имеется широкое разнообразие живых объектов, которые можно применять как продуценты. Могут применяться как простые (одноклеточные), так и сложные (многоклеточные) системы, их выбор зависит от целей данного процесса и его целевого продукта.

Подбор подобающего продуцента важная задача, решение которой может сильно сказаться на качестве и количестве конечного продукта. В настоящее время широкое применение в качестве продуцентов нашли бактерии, грибы, водоросли, простейшие и т.п. Каждый из этих продуцентов имеет свои достоинства и недостатки. Применяемые продуценты отличаются скоростью накопления биомассы, своим биохимическим составом, но их объединяет большое содержание белка и простота в культивировании. Эти преимущества дают возможность синтезировать их в неограниченном количестве и применять для решения биотехнологических задач.



Добавить комментарий

Сейчас комментируют

Надя
У меня после родов была такая боль. Просто роды тяжелые были. Ноющая боль в пояснице у женщин: симптомы и основные причины
Елена
Здравствуйте.Мне 35 лет.Последние 6 лет мучаюсь от странной болезни... Внутричерепное давление: причины и лечение
Татьяна
Соглашусь, что при экземе без мази просто не обойтись, особенно сухой Сухая экзема на ногах: что делать и как лечить?
Лилия
А вот интересно: если боль с позвоночником не связана, от обезболивающ Ноющая боль в пояснице у женщин: симптомы и основные причины