Учебно-методический комплекс дисциплины «Промышленная микробиология»

Скачать 2.32 Mb.

Название	Учебно-методический комплекс дисциплины «Промышленная микробиология»
страница	4/16
Тип	Учебно-методический комплекс

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Учебно-методический комплекс

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 16

Регуляция метаболизма и скорости роста микроорганизмов.

В широком смысле под регуляцией метаболизма следует понимать управление скоростью биохимических процессов путем обратимого изменения количества белковых посредников, участвующих в этих процессах, или их активности.

В соответствии с указанным определением целесообразно рассматривать два основных уровня регуляции: уровень регуляции биосинтеза белковых посредников и уровень регуляции их активности в процессе функционирования.

Регуляция метаболизма и скорости роста микроорганизмов включает в себя:

Регуляцию на уровне биосинтеза белков. Это следующие основные механизмы регуляции биосинтеза и активности белковых посредников метаболизма:

Регуляцию репликации ДНК
Регуляцию процесса транскрипции
Регуляцию процесса трансляции

Регуляцию интегральных мембранных процессов, в первую очередь это транспорт веществ и клеточное деление.
Выявление «узких мест» в метаболизме клетки.

Скорость роста микроорганизмов – т.е. функция скоростей координированного биосинтеза всех компонентов биомассы и скорости клеточного деления – регулируется на многих этапах метаболизма. Однако в сложной сети биохимических реакций, где каждая из ячеек в определенных условиях может лимитировать общую скорость процесса, удается выделить наиболее «слабое» звено, которое даже в оптимальных условиях роста остается «узким местом», лимитирующим скорость размножения клеток.

Выявление такого «узкого места» чрезвычайно важно для получения максимального выхода биомассы и ценных для человека продуктов метаболизма в случае использования микроорганизмов в биотехнологических процессах.

Поддержание близких к оптимальным условий функционирования ферментных систем требует постоянства внутренней среды, в полной мере характерного лишь для многоклеточных организмов. Тем не менее микроорганизмы обладают замечательной способностью к сбалансированному росту, сохраняя более или менее стабильный общий химический состав на протяжении длительного времени.

В связи с отсутствием выраженно специализации клеток в популяции каждая микробная особь вынуждена выполнять сложные функции по обеспечению метаболических реакций необходимыми субстратами в оптимальных соотношениях.

В определенных экологических условиях единственным субстратом для микроорганизма может служить необычное или трудно утилизируемое соединение, что приводит к крайне узкой направленности метаболизма (или по крайней мере его первых этапов). В тоже время микробная клетка должна сохранять потенциальную способность к быстрому переключению метаболических процессов при изменении условий среды. Лишь совокупность этих качеств обеспечивает микроорганизмам конкурентоспособность в современных биоценозах.

Реализация этих возможностей требует существования в микробных клетках мощного регуляторного аппарата, способного не только оперировать на каждом из метаболических уровней, но и осуществлять их взаимную координацию.

Селекция микроорганизмов – продуцентов практически важных веществ

Промышленно важные продукты жизнедеятельности микроорганизмов по их природе и значению для самой микробной клетки делят на 3 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 не нужные микроорганизмам для роста: антибиотики, токсины, алкалоиды, фаторы роста растений).

Биологическую активность эти вещества проявляют различно: удовлетворяют потребности человека и животных, взаимодействуют с микроорганизмами, насекомыми, растениями, участвуют 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 случаем 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.

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. В связи с этим задача селекционера – не только усиление природной способности микроорганизма продуцировать определённое 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 проявлению новой способности – синтезировать вещество в избытке – сверх своих потребностей и продуцировать его.

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.

Теоретические 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 счёт 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;
блокирования 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, 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; мутация в промоторнойчасти гена должна усилить частоту инициации транскрипции или вызвать конститутивный синтез фермента;
гены, кодирующие белки, участвующие в регуляции синтеза данного фермента, мутации в этих клетках должны устранить или ослабить факторы, ограничивающие синтез фермента;
гены кодирующие ферменты, которые могут гидролировать и инактировать нужный фермент, мутации должны уменьшить или устранить такую возможность;
гены ответственные за синтез компонентов клеточных мебран, которые участвуют в «сборке» (у эукариотов) и экскреции ферментов, мутации в этих генах могут повысить эффективность указанных процессов.

Приведённый перечень теоретических возможных, «участвующих» в сверхсинтезе мутаций, очевидно, не полон, так как наши сведения о регуляции биосинтеза того или иного метаболита и его взаимосвязях с другими процессами в клетке не являются исчерпывающими. Отнюдь не любая из перечисленных мутаций может вызвать сверхсинтез. Чаще всего требуется сочетания нескольких мутаций, среди которых могут быть «главные» и «вспомогательные».

Методы селекции (получение мутантов):

Отбор случайных мутаций с повышенным уровнем продукции;
Отбор по количественному признаку среди мутантов с определенным фенотипом;
Отбор среди мутантов, резистентным к структурным аналогам аминокислот или азотистых оснований;
Отбор среди мутантов, резистентных к антибиотикам;
Отбор среди морфологических мутантов;
Получение генетических рекомбинантов;

Использование генетической инженерии для получения практически полезных штаммов микроорганизмов

В первую очередь необходимо иметь хорошо отработанную систему

хозяин – вектор. Под вектором понимается, как правило, небольшая молекула ДНК, способная к автономной репликации в определенном микроорганизме. Это может быть бактериофаг или плазмида. Естественно, необходимо иметь эффективный способ введения векторной и рекомбинантной молекулы в микроорганизм. Векторные молкулы должны обладать рядом свойств, позволяющих удобное введение чужеродной ДНК и ее последующую экспрессию. В настоящее время векторные системы очень хорошо разработаны для такой бактерии как Escherichia coli. Задача прикладной микробиологии – освоение систем хозяин-вектор для промышленных микроорганизмов: бацилл, псевдомонад, актиномицетов, дрожжей и др.

Все реализованные на практике микробиологические процессы можно разделить на 2 группы:

1. К первой группе относятся процессы, при которых микроорганизмы выступают в роли биологичесикх катализаторов, обеспечивая превращение одних веществ в другие.

2. К этому направлению отностися синтез первичных и вторичных метаболитов и биотрансформация.

Ко второй группе относится получение биомассы как целевого продукта (белок одноклеточных).

Приемы конструирования штаммов методами генной инженерии во многом зависят от целей промышленности. Наиболее ясная и лучше всего разработанная задача – это производство методами микробиологического синтеза белков человека, важных для медицины, или белков сельскохозяйственных животных для целей ветеринарии. С точки зрения генной инженерии эта задача сводится к введению чужеродного гена в удобный для промышленного производства микроорганизм и оптимизации его экспрессии.

Перспективы применения генной инженерии для совершенствования штаммов микроорганизмов сегодня кажутся почти неограниченными. Активно развивается такое направление, как создание штаммов – продуцентов белков человека, сельскохозяйственных животных и растений. Постоянно ведутся работы по усовершенствованию штаммов дрожжей, используемых в пивоварении и виноделии. Есть попытки переработки крахмала в этиловый спирт с помощью бактерий, что значительно удешевляет и ускоряет его производство.

Следует понимать, что техника генной инженерии - это не только инструмент для практического «улучшения» штаммов, но и мощный способ познания механизмов биосинтеза и регуляции метаболизма микроорганизмов. Дальнейшие успехи в конструировании высокопродуктивных штаммов микроорганизмов зависят от совместной работы микробиологов, генетиков, биохимиков и генных инженеров.

Лекция 3 Основы микробиологического производства

Промышленные микробные технологии базируются на использовании гетеротрофных и автотрофных микроорганизмов. Причем, автотрофные микроорганизмы все больше вытесняют гетеротрофов, т.к. не нуждаются для роста в дефицитных органических средах. Также активно используются экстремофилы – организмы, развивающиеся в экстремальных условиях среды (к ним относят термофильные, алкало- и ацидофильные микроорганизмы).

Микрооорганизмы, используемые в промышленности

для получения целевых продуктов

Организм	Тип	Продукт
Saccharomyces cerevisiae	Дрожжи	Пекарские дрожжи, вино, эль, саке, этанол
Streptococcus thermophiles	Бактерии	Иогурт
Propionibacterium shermanii	Бактерии	Швейцарский сыр
Gluconobacterium suboxidans	Бактерии	Уксус
Clostridium acetobutylicum	Бактерии	Ацетон
Corynebacterium glutamicum	Бактерии	L Лизин
Candida utilis	Дрожжи	Микробный белок
Propionibacterium	Бактерии	Витамин В12
Aspergilus oryzae	Плесень	Амилаза
Saccharomycopsis lipolytica	Дрожжи	Липаза
Bacillus	Бактерии	Протеазы
Penicillium chrysogenum	Плесень	Пенициллины
E. coli (рекомбинантные штаммы)	Бактерии	Инсулин, гормон роста, интерферон
Bacillus popilliae	Бактерии	Биоинсектициды

В последние годы расширяется применение смешанных микробных культур и их природных ассоциаций. По сравнению с монокультурами, микробные ассоциации отличаются рядом преимуществ: 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.

Организация любого микробиологического процесса синтеза практически важных веществ начинается с изучения физиологии продуцента. Необходимо изучить характер питания продуцента, а так же влияние внешних факторов на состояние клеток и популяций. Вопросы эти выясняются путем оптимизации исследуемого процесса. Основой для этого является культивирование микроорганизмов в контролируемых и управляемых условиях.

Культивирование является основной стадией технологического процесса и во многом определяет количественные и качественные характеристики производства препаратов. На стадии культивирования осуществляется накопление, как самой биомассы, так и продуктов метаболизма (жизнедеятельности) микроорганизмов. Так, при производстве бактериальных препаратов целевым продуктом является сама биомасса, в других случаях продукты, синтезируемые клеткой, – антибиотики, ферменты, аминокислоты и др. В том случае, когда культура растет на поверхности жидкой или плотной питательной среды, потребляя содержащиеся в ней субстраты и выделяя в эту среду продукты метаболизма, способ культивирования называют поверхностным. Когда же микроорганизмы распределяются по всему объему жидкой питательной среды, культивирование называют глубинным (жидкофазным). Последний способ наиболее широко применяется в настоящее время в производстве большинства препаратов по следующим причинам:

1. Позволяет получить большое количество бактериальной массы за короткое время.

2. Процесс легко управляем.

3. Процесс максимально технологичен.

Технологический процесс глубинного выращивания микроорганизмов в реакторах (ферментерах) складывается из следующих этапов:

отбор штаммов микроорганизмов и работа с ними;
приготовление посевной микробной культуры;
приготовление и стерилизация питательных сред;
подготовка биореактора к посеву;
выращивание микроорганизмов в реакторе и контроль над процессом культивирования.

Кроме того, он включает ряд вспомогательных операций: стерилизацию оборудования и коммуникаций; приготовление и стерилизацию пеногасителей, растворов и др.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 16

	Учебно-методический комплекс дисциплины «Микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Учебно-методический комплекс дисциплины «Морская микробиология» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «римское право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...		Учебно-методический комплекс дисциплины «право интеллектуальной собственности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Технология формирования имиджа» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Учебно-методический комплекс дисциплины «иностранный язык по специальности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего...

Учебно-методический комплекс дисциплины «Промышленная микробиология»

Похожие: