Біотехнологія мікроорганізмів

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)

Основою біотехнології як науки у процесі її формування стала мікробіологічна промисловість. Мікроорганізми, порівняно з іншими об’єктами, мають такі переваги: висока швидкість росту; використання для життєдіяльності дешевих субстратів; стійкість до зараження чужою мікрофлорою. Саме завдяки таким ознакам мікроорганізмів за останні роки мікробіологічна промисловість набула принципово нових рис: мікроорганізми стали використовувати не тільки як засіб підвищення інтенсивності біохімічних процесів, але і як мініатюрні синтетичні фабрики, що здатні виробляти, синтезувати цінні й складні хімічні сполуки. Ключовим моментом у розвитку біотехнології мікроорганізмів було відкриття і початок виробництва антибіотиків [Герасименко, 1989]. На сьогоднішній день завдяки біотехнології мікроорганізмів отримані такі сполуки: алкалоїди, амінокислоти, антибіотики, антиметаболіти, антиоксиданти, білки, вітаміни, гербіциди, інгібітори ферментів, інсектициди, іонофори, коферменти, ліпіди, нуклеїнові кислоти, нуклеозиди і нуклеотиди, окисники, органічні кислоти, пігменти, поверхнево активні речовини, полісахариди, антипухлинні агенти, розчинники, фітогормони, ферменти тощо [Сассон, 1997]. Значний вклад у розвиток біотехнології як науки в цілому і біотехнології мікроорганізмів зокрема внесли дослідження петербурзького академіка К. С. Кірхгофа, який у 1814 р. відкрив явище біологічного каталізу і намагався біокаталітичним шляхом отримати цукор із доступної сировини [Мишунин, Шевченко, 1989]. У 1891 р. у США японський біохімік Дз. Такаміне отримав перший патент на використання ферментних препаратів у промислових цілях. У 1916–1917 рр. російський біохімік О. М. Колєнєв намагався розробити спосіб, який дозволив би керувати процесом ферментації природної сировини при виробництві тютюну [Мишунин, Шевченко, 1989]. Академік О. Н. Бах та його учні розробили рекомендації щодо удосконалення технології хлібопечення, пивоваріння, виноробства, виробництва чаю та тютюну тощо, а також рекомендації для підвищення врожаю культурних рослин шляхом управління біохімічними процесами, що в них протікають. У першій половинні ХХ ст. технологічне забезпечення мікробіологічних процесів було вдосконалено. Почали впроваджувати спеціально підібрані чисті культури мікроорганізмів, які спрямовували процес у потрібному напрямку. У 1933 р. голландські вченні А. Клюйвер і Л. Х. Ц. Перкін запропонували основні технічні прийоми і підходи до оцінки отриманих результатів при глибинному культивуванні грибів. Також здійснювалась розробка і впровадження технології неперервного культивування. Одними з перших вивченням безперервних процесів займалися російські вчені С. В. Лебедєв, М. Д. Утенков, Д. Н. Клімовський [Попова, Попова, 2000]. Однак, незважаючи на суттєві досягнення, природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю тих речовин, виробництво яких необхідне. Для біотехнології важливим є використання високопродуктивних штамів мікроорганізмів. Їх створюють направленим відбором спонтанних або індукованих мутагенів. Отримання таких штамів займає іноді багато років. У результаті селекції продуктивність продуцентів може зростати у сотні-тисяч разів. Наприклад, у роботі з Penicillium методами селекції вихід пеніциліну був збільшений приблизно у 10 тис. разів, порівняно з вихідним штамом. Відбору високопродуктивних штамів передують тонкі маніпуляції селекціонера з вихідним генетичним матеріалом. При цьому використовують весь спектр природних способів рекомбінації генів, відомих у бактерій, а саме: кон’югацію, трандукцію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) була успішно використана при створенні штаму Pseudomonas putida, що здатний утилізувати парафіни нафти [Герасименко, 1989]. Дуже часто використовують трансдукцію (перенесення гена від однієї бактерії до іншої за допомогою бактеріофагів), та ампліфікації, тобто збільшення числа копій потрібного гена. У багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків та їх регулятори знаходяться не в основній хромосомі, а в плазмідах. Завдяки ампліфікацій можна збільшити кількість плазмід у клітинах та суттєво збільшити виробництво антибіотиків [Герасименко, 1989]. Наступним підходом в генетико-селекційній роботі є отримання генетичних рекомбінант шляхом злиття різних штамів бактерій, позбавлених клітинних стінок. Так, завдяки злиттю клітин 2-х штамів Streptomyсes був сконструйований новий високоефективний штам-продуцент рифампіцину С. На мікробіологічній основі намагаються виробляти паливо: метан і спирт. Спирт, отриманий мікробіологічним шляхом, конкурує з бензином за своїми властивостями, а також за важливими з точки зору охорони природи показниками: продукти згоряння спирту не забруднюють навколишнє природне середовище. Мікроорганізми використовують для виробництва білків одноклітинних організмів, які є кормом для тварин. Перспективність мікробіологічного виробництва полягає в тому, що по-перше, немає необхідності у великих площах – один апарат для отримання кормових дріжджів з парафінів нафти дає стільки ж білка, скільки міститься в урожаї гороху з 18 тис. га. Таке виробництво не залежить від кліматичних умов, його обслуговує невелика кількість робочої сили [Смирнов, Иванов, 1986]. При вирощуванні мікроорганізмів (переважно дріжджів) для цих цілей як живильний субстрат для їх росту використовують відходи інших галузей промисловості. Мікробна біомаса деяких культур використовується у вигляді заквасок, наприклад, для випікання хліба, виробництва пива, вин, спирту, оцту, кисломолочних продуктів, сирів. Мікробний білок (зруйновані клітини дріжджів чи бактерій) використовується як добавки в живильне середовище при вирощуванні мікроорганізмів для наукових і практичних цілей. Ще одним важливим напрямком біотехнології мікроорганізмів є використання продуктів їх життєдіяльності. Продукти життєдіяльності за природою і за призначенням можна розділити на три групи. До першої групи належать різні ферменти (целюлози, протеази, ліпази) і полісахариди. Сфера використання тих чи інших речовин надзвичайно широка — від харчової і текстильної промисловості до нафтодобувної. Другу групу утворюють первинні метаболіти, тобто речовини, які необхідні для росту і розвитку самої клітини: амінокислоти, пуринові і піримідинові нуклеотиди, вітаміни. До третьої групи належать вторинні метаболіти — речовини, які не потрібні для росту мікроорганізмів. Їх синтез спостерігається після вичерпання мікробними клітинами джерела вуглецю і енергії. У цю групу входять антибіотики, токсини, алкалоїди, фактори росту [Герасименко, 1989]. Мікроорганізми вирощують з використанням двох методів – періодичне і неперервне культивування. При періодичному методі культуру засівають у живильне середовище і культивують за умов відповідної температури, аерації, перемішування. Культура росте спочатку повільно, поступово її ріст прискорюється і досягає максимуму (логарифмічна фаза росту). Концентрація вуглецю і енергії поступово знижується, починають накопичуватися продукти обміну. Відтак настає період, коли приріст клітин припиняється, а згодом клітини відмирають. Від’ємно-доливний спосіб полягає в тому, що з посудини, в якій культивуються мікроорганізми вилучають частину клітин та продукти обміну і вносять відповідний об’єм живильного середовища. Якщо процедуру виконувати часто з певною періодичністю, то можна перейти до неперервного способу культивування мікроорганізмів [Герасименко, 1989]. Мікроорганізми використовують як біогенні агенти для трансформації деяких речовин, очистки вод, ґрунтів, повітря. Для добування металів із простих і складних руд (біотехнологія металів) використовують тіонові бактерії. Важлива роль мікроорганізмів у створенні, підтримці і збереженні ґрунтового плодоношення. Мікроорганізми беруть участь в утворенні гумусу, трансформують отруйні речовини в неотруйні або детоксикують їх. У біотехнології мікроорганізмів завдяки широкому спектру досліджень виділяють ґрунтову біотехнологію, одним із напрямків якої є використання мікроорганізмів для інокуляції (обробки насіння) рослин з метою створення симбіозу між азотофіксуючим мікроорганізмом і рослиною. Завдяки цьому можна зменшити внесення мінеральних азотних добрив або не вносити їх взагалі. Ще одним напрямком є використання мікроогранізмів для боротьби з хворобами рослин: рослини обробляють певними бактеріями, які зменшують розмноження патогенних форм мікроорганізмів [Смирнов, Иванов, 1986].


Біотехнологія мікроорганізмів - 5.0 out of 5 based on 1 vote

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить