Контрольные вопросы
Что такое биотехнология?
В чем заключается взаимосвязь биотехнологии с другими науками?
Каковы основные направления развития биотехнологии?
Перечислите основные стадии биотехнологического производства.
Что такое посевной материал?
Как готовят посевной материал в производственных условиях?
Какие компоненты входят в состав питательных сред?
Что такое ферментация?
Какими методами осуществляется разделение биомассы от культуральной жидкости?
В каком случае необходима дезинтеграция клеток?
Какие способы концентрирования продукта Вам известны?
Практическая работа № 3-4 Промышленные микроорганизмы. Микробиологические ферментные системы для промышленных процессов.
Требования, предъявляемые промышленным микроорганизмам. 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 молекулярная биотехнология) существенно модифицированы и улучшены.
При выборе биологического агента и постановке его на производство следует соблюдать принцип технологичности штаммов (рис.1).
Рисунок 1. Технологические требования, предъявляемые штаммам
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.
Микробиологический катализ (биокатализ). Биокатализ представляет собой одно из направлений биотехнологии, в котором рассматриваются процессы, реализующиеся с участием индивидуальных ферментов или ферментных систем. Основными источниками ферментных систем для современных промышленных процессов являются микроорганизмы.
С точки зрения технолога можно говорить о двух подходах к использованию биокаталитического потенциала микроорганизмов:
1. Один из них включает ферментацию или микробиологический синтез, когда продукты метаболизма образуются при культивировании продуцентов.
2. Другой - собственно ферментативный катализ. В этом случае используются микробные клетки, обладающие необходимой для осуществления процесса ферментативной активностью, или выделенные из культуры ферменты.
Для биокаталитических реакций в большинстве случаев применяются рекомбинантные штаммы с модифицированным геномом. К числу процессов ферментативного катализа относят реакции, при которых происходят изменения структуры соединений, участвующих в каталитическом акте. К ним могут быть отнесены как реакции синтеза новых структур, так и реакции деструкции с целью получения полезных для дальнейшего использования продуктов или разрушение токсических соединений, нарушающих экологический статус.
Ферментация или микробиологический синтез - один из наиболее распространённых технологических процессов в биотехнологии. Процессы брожения являются классическим примером ферментации. Под микробиологическим синтезом понимают синтез структурных компонентов микробных клеток или продуктов их метаболизма из низкомолекулярных соединений.
Основные особенности микробиологического синтеза заключаются в следующем:
1) синтез осуществляется ферментными системами самой клетки и протекает преимущественно внутриклеточно вне зависимости от локализации целевого продукта после проведения технологических операций по его получению;
2) синтез осуществляется из низкомолекулярных предшественников, которые в ходе реакции, как правило, должны быть активированы;
3) синтез является энергозависимым процессом;
4) пути синтеза связаны с катаболизмом, но могут существенно отличаться от них и в большинстве своём осуществляются ферментными системами, специфичными для реакций анаболизма.
Задача микробиологического синтеза состоит в том, чтобы получить максимум целевого продукта и минимум других продуктов. Для достижения сверхсинтеза необходимо нарушить нормальную регуляцию путей метаболизма.
Все жизненно важные процессы клетки, как и всех организмов, обеспечивает обмен веществ или метаболизм. Обмен веществ определяют два сопряженных взаимодополняющих процесса - катаболизм и анаболизм.
В катаболической фазе путём окислительных реакций происходит деградация белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и других макромолекул. Далее наступает фаза промежуточного метаболизма или амфиболизма, где низкомолекулярные продукты фазы катаболизма превращаются в органические кислоты, фосфорные эфиры и т.п. Анаболизм характеризуется синтезом метаболитов и структур, обеспечивающих формирование клетки, как самостоятельной биологической единицы. Для анаболизма более характерны восстановительные процессы.
Известно, что многие промышленно важные продукты биосинтеза накапливаются в культуре продуцента после того, как основные компоненты среды израсходованы, а скорость роста биомассы замедлена.
Ферментативный катализ имеет перспективы применения в синтезе органических соединений вместо реакций, принятых в органической химии. Можно отметить несколько основных его особенностей, определяющих преимущества биокатализа в органическом синтезе.
1. Широкий диапазон возможных реакций.
2. В отличие от реакций органического синтеза ферментативные, осуществляемые, в частном случае, в одну ступень, не требуют защиты функциональных групп.
3. Мягкие условия проведения реакций, подходящие для сложных, химически нестойких молекул.
4. Высокая активность катализатора при его низких концентрациях.
5. Многократное использование катализатора, например, иммобилизованных клеток.
6. Полная деградация биокатализатора (фермента) в окружающей среде (Michels et. al.,1998) и его безопасность.
7. Возможная автоматизация процесса при проведении реакций.
Рисунок 2. Биокаталитический цикл (Schmid et.al., 2001)
В заключение следует отметить, что биокаталитические процессы отличаются от классических химических своими кинетическими характеристиками, возможностью стабилизации белка, выступающего в роли катализатора, а также теми условиями проведения реакции в биологической среде, которые связаны с физиологическими особенностями клеток. К их числу могут быть отнесены рост клеточной популяции микроорганизмов-продуцентов, наличие индукторов и т.п.
Критическими точками, определяющими целесообразность использования биокаталитического процесса, являются выход продукта и экономические показатели. Оперативное решение, как правило, легко принимается, когда нет необходимости в существенных конструктивных изменениях функционирующих технологических установок. К их числу могут быть отнесено оборудование, используемое для процессов ферментации и последующего выделения готового продукта, а также системы для иммобилизации клеток или ферментов и т.п.
Функционально биокаталитический цикл имеет несколько позиций, определяющих процесс (рис. 2). Они несколько шире, чем то, что принято понимать под метаболической инженерией, хотя последняя может входить как составляющая.