Мікроорганізми у біотехнологічному виробництві

Реферат на тему:

Мікроорганізми у біотехнологічному виробництві

2012 р.

Зміст

1. Біотехнологія мікроорганізмів

2. Створення мікроорганізмів-продуцентів

3. Виробництво харчових білків та амінокислот

4. Виробництво вітамінів

• Список використаної літератури

1. Біотехнологія мікроорганізмів

Мікробіологічний синтез різних речовин відіграє кінцеву роль в біотехнологічному виробництві. Початок сучасної промислової біотехнології було покладено в 40-х роках, коли налагодили виробництво пеніцилінів методами ферментації. Зараз мікроорганізми продукують багато видів сполук — амінокислот, антибіотиків, білків, вітамінів, ліпідів, полісахаридів, пігментів, цукрів, ферментів і т. д.

До різноманітного світу мікроорганізмів відносяться прокаріоти — бактерії, актиноміцети і нижчі еукаріоти (одноклітинні та багатоклітинні організми), які мають сформовані ядра, в яких хромосоми оточені спеціальною мембраною (ліпопротеїдної природи) — дріжджі, нитчасті гриби, найпростіші та водорості. Із 100тис. видів відомих на сьогоднішній день мікроорганізмів в біотехнологічних процесах використовують декілька сотень. Промисловість пред’являє до продуцентів жорсткі вимоги, які дуже важливі для технології виробництва:

1) висока швидкість росту;

2) використання для життєдіяльності дешевих субстратів;

3) стійкість до зараження чужою мікрофлорою.

2. Створення мікроорганізмів-продуцентів

Природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю тих речовин виробництво яких необхідне. Для біотехнології важливим є використання виквисокопродуктивних штамів мікроорганізмів. Їх створюють направленим відбором спонтанних або індукованих мутагенів. Отримання таких штамів займає іноді багато років. У результаті селекцій продуктивність продуцентів збільшиться в сотні-тисяч разів. Наприклад, в роботі з Penicilium методами селекції вихід пеніциліну був збільшений в кінці примірно в 10 тис. разів в порівнянні з вихідним. Відбору високопродуктивних штамів передують тонкі маніпуляції селекціонера з генетичним матеріалом вихідних штамів. при цьому використовують весь спектр природних способів рекомбінації генів, відомих у бактерій кон’югацію, трандукцію та інші генетичні процеси.

Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) була успішно використана при створені штаму Pseudomonas putida, який здатний утилізувати парафіни нафти.

Дуже часто використовують трансдукцію (перенес гену від однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріальних вірусів-бактеріофагів), та ампліфікації тобто збільшення числа копій потрібного гену. У багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків та їх регулятори знаходяться не в основній хромосомі, а в плазмідах. Завдяки ампліфікацій можна збільшити число цих плазмід в клітинах та суттєво збільшити виробництво антибіотиків.

Наступним підходом в генетико-селекційній роботі-отримання генетичних рекомбінантів шляхом злиття різних штамів бактерій, позбавлених клітинних стінок (протопластів). Так злиття протопластів 2-х штамів Streptomyus був скон-струйований новий високоефективний штам-продуцент рифампіцинуС; мутаген Nouerdia mdiferranei, в яких не синтезувався рифампіцин, після злиття сформулювали штами, які продукували 3 нових рифампіцини.

Риимфвпіцин — утворений бактеріями роду Streptomyus, його напівсинтетичне похідне рифампіцин специфічно інгібує ініціацію синтезу РНК-інгібує утворення першого фосфодиефірного зв*язку в ланцюгу молекули РНК. Уеукаріот римфапіцин не інгібує синтез РНК. Злиття протопластів дозволяє об'єднати генетичний матеріал і таких мікроорганізмів, які в природніх умовах не схрещуються.

Застосування рекомбінантних ДНК для переносу природніх генів та конструювання нових. В результаті технології рекомбінантних ДНК вдалось виділити індивідуальні гени, модифікувати їх, з'єднувати один з одним, отримуючи «злиті гени», які продукують білки з новими властивостями.

Арсенал нових, генно-інженерних, штамів-продуцентів дозволив поряд з продуктами природних штамів (їх називають біопродуктами першого покоління) почати виробництво на базі генно-інженрних штамів рекомбінантних білків — біопродукцію другого покоління. Біопродукція третього покоління — це штучно синтезовані сполуки, повністю імітують біологічні функції природних білків, і ними не являються.

Генно-інженерні методи все ширше використовуються в біотехнологічному виробництві перш за все цінних для людини білків, в тому числі таких, які важко отримати синтетичними хімічними методами або отримати в потрібних кількостях із біологічного матеріалу. Це впершу чергу білки та пептиди, які синтезуються в організмі людини і використовуються як медикаменти. Зусилля генетичних інженерів спрямовані на створення бактерій-продуцентів, які б змогли з високою ефективністю виробляти такі біологічноактивні продукти. Основні складності, які тут проявляються не стільки в конструюванні продуцентів, скільки в тому, щоб синтезовані в них чужерідні білки нормально формувались, модифікувались і не руйнувались в клітинах мікроорганізмів.

Першим кандидатом по проведенню генно-інженерних робіт була E.coli. Оскільки кишечна паличка — природній мешканець кишкового тракту людини — з самого початку вчених турбував можливий ризик зараження штамами, які будуть отримані в експерементах. Щоб виключити можливі зараження, вчені планували використати штами E. coli, які не здатні існувати в кишечнику людини, або ті плазміди, які не можуть передаватися іншим видам бактерій. Проте ці перестороги виявились перебільшеними.

Для виключення будь-яких несподіванок експеременти по генній інженерії було вирішено проводити з іншими видами мікроорганізмів, які безпосередньо не зв’язані з людським організмом.

Ось тому увагу дослідників привернула бактерія Bacillus subtilis і дріжджі Saccharomices cererisiae. B. subtilis не утворює токсинів і хоча ці бактерії є на шкірі людини, вони не токсичні. Бацили здатні секретувати білки та вторинні метаболіти, які можна виділити із культуральної рідини. 20 різних видів бацил синтезують близько 40 ферментів із позаклітинною локапізацією.

Гентична конституція дріжджів Saccharomyces cereeevisiiae набагато складніша, ніж у E. coli та B. subtilis оскільки дріжджі належать до еукаріот. Цей вид дріжджів має 17 хромосом в гаплоїдних клітинах і 34 в диплоїдних клітинах, ядерна ДНК-30 млн. пар нуклеотидів, ідентифіковано декілька сотень генів в класах дріжджів приблизно 100плазмід з довжиною 2 мкм, повністю вилучена послідовність 9-ти ДНК приблизно 6000 пар нуклеотидів. Вдається проводити рекомбінацію цих плазмід з чужерідними генами і використати їх в якості факторів для переносу і клонування цих генів в клітинах дріжджів або E.coli. Розроблені методи трансформації протопластів клітин дріжджів.

Можливо вдасться також змінити ефективність спиртового бродіння, змінюючи методами генетичної інженерії співвідношення між ферментами гліколізу. В США створена компанія «CO LLABORATIVERESEAIEH», яка спеціалізується на використанні дріжджів.

Інші генетично-інженерні підходи розроблені для видів мікроорганізмів Pseeudomonas і Ssteptomyces, які займають важливе місце в біоіндустрії.

3. Виробництво харчових білків та амінокислот

Вже давно мікроорганізми використовувалися як джерело білку в харчуванні людини та тварин. Ще в роки першої світової війни один із основоположників молекулярної біології Макс Деельбрюн з колегами в Німеччині розробили перший технологічний процес промислового культивування певних дріжджів для їх додавання в супи та ковбаси. Білки, які прдукуються в харчових цілях, отримали назву білки одноклітинних організмів (БОО).

На першому етапі в якості сировини для мікроорганізмів використовували в основному вуглеводи нафти. Потім інтерес був проявлений до інших субстратів, перш за все до природних газів. Як субстрат для отримання БОО використали промислові відходи (молочну сироваткупобічний сироваріння, патоку, відходи спиртових заводів і т. д.). Розроблені промислові лінії для виробництва і переробки мікроводоростей з метою отримання БОО. Об'єм дріжджової біомаси, отриманої в світі в 1985 р. перевищував 1 млн. т. В 90- х роках він зростає в 2 рази.

Виробництво БОО має суттєві переваги перед виробництвом білку в тваринництві чи рослинництві. 500 кг дріжджів виробляють за добу 800 кг білку, а у бичка той же добовий привіс білку складає в кращому випадку 500 г білку. Проте БОО використовують в основному як корм худобі, і лише в майбутньому можливе використання БОО для харчових продуктів людини. Перспективні в цьому відношенні культивування деяких водоростей (Fuusarium, (зелених водоростей (Clorella), ціанобактерій (Spiruuuulina), які мають адекватні для людини органо-лептичні властивості. Зараз вже налагоджено виробництво на базі крохмалю волокнистої маси Fuuusarium як джерело клітковини для людини.

Зміни в генах, здійснюються за допомогою генетичної інженерії, можуть модифікувати структуру та покращувати властивості харчових білків. Найбільший інтерес в плані таких маніпуляцій привертають увагу до себе 3 види білків тварин та рослин: овальтумін курей, який складає більшу частину білка яйця ((54%), казеїн (головна фракція в молоці) та білки сої(42% в бобах). Наприклад, маніпуляції з кодуючою частиною гену k-казеїну, в результаті яких із білка елімінувався фрагмент, розташований між 9- ю та 17-ю амінокислотами, а також цистеїн, який приймав участь в утворенні дисульфідного зв’язку, в результаті чого новий білок як харчовий продукт став більш якісним.

Згідно літературних даних до 2000р. білки із зміненими властивостями, отримані в результаті цілеспрямованої модифікації і структури кодуючих їх генів, будуть складати приблизно 4% всіх білків, які споживаються, на суму 15 млрд. доларів. Загальна кількість харчових продуктів, отриманих з допомогою біотехнології в кінці 20 ст. збільшиться по оцінках спеціаластів в 10 разів.

Біотехнологія мікроорганізмів спрямована на виробництво амінокислот, зокрема незамінимих, які можуть бути корисними добавками тварин та людини. Серед незамінимих амінокислот, промислове виробництво вже давно налагоджено, зокрема в цьому виробництві займає перше місце лізин, треонін, глутамінова кислота. Отримані штами мікроорганізмів Brevibaeferium flavum, які пер-творюють лізин більше однієї третьої цукрів, які містяться в культурованій рідині. В СРСР в ВНДі Гентики та селекції промислових мікроорганізмів з допо-могою генно-інженерних методів сконструйовані високопродуктивні штами E. coli, продуценти L-треоніну, L-лізину, L-триптофану, які активно використовуються у промисловості.

Інтерес до мікробіологічного виробництва амінокислот викликаний також і тим, що вони дозволяють отримувати L-амінокислоти в чистому виді, тоді як при хімічному синтезі отримують рацимічні суміші L, D, амінокисслот. Останні не входять у склад природніх білків (лише в пептидах клітинних стінок мікроорганазмів, зокрема пептидах, які є антибіотиками.)

4. Виробництво вітамінів

Вітаміни-це низькомолекулярні органічні сполуки, роль яких для нормальної життєдіяльності організму добре відома. Оскільки в харчових продуктах вітамінів міститься небагато (в 100 мл на100 г їжі)і вони швидко руйнуються, треба вітамінізувати готову їжу та продукти. Ось тому вітаміни вже давно виробляються в великих кількостях. Традиційно способи отримання вітамінів основані або на переробці великої кількості сировини, або в рідких випадках на штучному синтезі. Ось тому вітамінна промисловість вимагає більш ефективних технологій. Такі технології успішно створені.

З допомогою генетичних маніпуляцій були отримані штами мікроорганізмів, які продукують в десятки тисяч разів більше вітамінів, ніж необхідно для їх росту. Це штами Denitifrilicans і Propionibaeferium freudenreichii, які продукують вітаміни В12 та інші. В СРСР на базі Bacillus subtilis сконструйовано ефективний продуцент вітаміну В12.

Мікробіологічна технологія дозволила вирішити проблему виробництва аскорбінової кислоти (вітамін С). В Японії розроблений ефективний ферментативний спосіб отримання стабільного необхідного вітаміну С-аскорбін-2-фосфата, який використовується в якості антиоксиданту.

Вітаміни В2, В12 додають в їжу тварин для збалансування кормів.

Біотехнологічне отримання антибіотиків.

Антибіотики-найбільший клас фармакологічних препаратів, які синтезуються мікроорганізмами. Деякі з них використовуються у сільському господарстві проти сільськогосподарських шкідників (наприклад поліоксин, барідоміцин, носгаліцин), інші - в медичних цілях (пеніцилін, тетрациклін, цефалоспорин та інші).

Шість родів фармацевтичних грибів продукують біля 1000 різних антибіотиків. Багато антибіотиків синтезують актиноміцети (один тільки вид Streptoooomyces qriiiseum виробляє біля 50 видів антибіотиків). В практиці реально використовують невелике число із відомих науці антибіотиків, які виробляють мікроорганізми. Це в першу чергу пеніциліни і цефалоспорини, які продукуються грибами родів Penicillum та Cephalosporum: стрептоміцин, гентаміцин, еритроміцин та тетрациклін, які синтезуються актиноміцетами роду Streptomyus та бактеріями родів Micromonosporata Bacillus, та деякі інші.

До ери генетичної інженерії цінні для промисловості штами-продуценти з підвищеною продуктивністю отримували в основному з допомогою мутагену та селекції природних мікроорганізмів. Наприклад, в результаті селекції та покращення техніки ферментації промисловий вихід пеніциліну досягнув 200 г/л, що в 10 млн. раз більше рівня, який був у природному штамі Penicciliullum chrysoqenum.

Розроблений також метод так званого мутагенезу, який дозволяє отримувати модифіковані антибіотики. В цьому випадку використані мутантні штами-продуценти, в яких пропущений синтез певних ділянок молекули. Антибіотики для біосинтезу функціонально-активного антибіотику в середовище культивування продуценти вносять аналоги цих ділянок. В зв’язку з поступовим набуттям багатьох патогенних бактерій стійкості до антибіотиків створені методи внесення спеціальних модифікацій в структурі антибіотику, які зберігають їх антибактеріальні ефекти. У деякий час широкого поширення набули напівсинтетичні антибіотики, наприклад, ампіцилін, цефалексин, метицилін та інші.

Антибіотики виробляються мікрорганізмами в результаті спільної дії продуктів 10−30 генів, що утруднює використання генно-інженерних підходів для управління їх синтезом. Проте проблему можна вирішити у тих випадках, коли синтез амінокислот визначається мультиферментним комплексом, який кодується одним опероном (наприклад, у випадку амінокислот пептидної природи). Це відкриває нові перспективи в біотехнологічному отриманні амінокислот. Введення відповідних генів із одного мікроорганізму вінший близькородний може призвести до отримання «гібридного» антибіотика, який має нові властивості. Цей підхід був успішно застосований в 1988 р. біохіміком Міхаелом Хондвудом в США. При об'єднані генів біосинтезу актинородину та медерміцину був отриманий новий антибіотик, який отримав назву «медерродін». Висока продуктивність штамів мікроорганізмів іноді досягалась за рахунок збільшення в клітинах антибіотика. Таким чином вдалося, наприклад, суттєво збільшити вихід актинородину.

В боротьбі із хвороботворними бактеріями замість антибіотику іноді використовують іншу бактерію антагоніст патогенного штаму. Прикладом може послужити деякий патогений штам бактерії Streptococcus mutans, який руйнує зубну емаль та дентин. При введенні у ротову порожнину мутагенного штаму цього виду бактерій, виділявся білковий продукт, який згубно діє на дикий штам. в даному випадку бактерії антагоністи виступають у ролі біостимуляторів.

Описані аналогічні способи захисту сільськогосподарських рослин. Зокрема, це відноситься до інфекційного захворювання розсади томатів, яке викликається груповими бактеріями Fusarium oxysporum. Захворювання пов’язане з дією фузарової кислоти, яка продукується цими бактеріями. В якості біостерилізатора в цьому випадку використовувалися клітини Pseudomonas solanactarum, які здатні накопичувати фузарову кислоту і таким чином понижувати її токсичну дію на томати.

Список використаної літератури

мікроорганізм продуцент рекомбінант ген

1. Сасон А. Біотехнологія: Здійснення і надії: Пер. з англ. М., 1987.

2. Єгоров Н.С., Олескін А.В., Самуїлов В.Д. Біотехнологія: Проблеми і перспективи. М., 1987.

3. Bains W. Biotechnology from A to Z. Oxford, 1993.

4. Викладання біології «Біотехнологія: перспективи розвитку», Маруненко І.М., № 7, 1997.

5. Наука і суспільство, «Нові біопрепарати», № 11, 1990.