ТЕМА: ТЕМА: Подбор биотехнологических объектов

2

3 1 Микроорганизмы - основные объекты биотехнологии. 2 Выделение и селекция микроорганизмов.

4 Главным звеном биотехнологического процесса является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехноло­гии могут выступать клетки микроорганизмов, животных и расте­ний, трансгенные животные и растения, грибы, а также многокомпонент­ные ферментные системы клеток и отдельные ферменты. Основой большинства современных биотехнологических произ­водств является микробный синтез, т. е. синтез разно­ образных биологически активных веществ с помощью микроорганизмов. К сожалению, объекты растительного и животного происхождения в си­лу ряда причин еще не нашли столь широкого применения. Поэтому в дальнейшем целе­ сообразно рассматривать микроорганизмы как основные объекты биотехнологии.

1 Микроорганизмы - основные объекты биотехнологии В настоящее время известно более 100 тысяч различных видов микроорганизмов. Это в первую очередь бактерии, актиномицеты, цианобактерии. При столь большом разнообразии микроорганизмов весьма важной, а зачастую и сложной проблемой является правильный выбор именно того организма, который способен обеспечить получение требуемого продукта, т.е. служить про­мышленным целям. 5

Во многих биотехнологических процессах используется ограничен­ное число микроорганизмов, которые классифицируются как GRAS ("generally recognized as safe" обычно считаются безопасными). К таким микроорганизмам относят бактерии Васillus subtilis, Васillus amyloliquefaciens, другие виды бацилл и лактобацилл, виды Streptomyces. Сюда также относят виды грибов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus, дрожжей Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмы непатогенные, не­токсичные и в основном не образуют антибиотики, поэтому при разра­ботке нового биотехнологического процесса следует ориентироваться на данные микроорганизмы, как базовые объекты биотехнологии. 6

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов микроорганизмов, которые первично были вы­делены из природных источников на основании их полезных свойств, а затем улучшены с помощью различных методов. В связи с расширением производства и ассортимента выпускаемой про­дукции в микробиологическую промышленность вовлекаются все новые и новые представители мира микробов. Следует отметить, что в обозримом будущем ни один из них не будет изучен в той же степени, как Е. соli и Вас. subtilis. Причина этого - колоссальная трудоемкость и высокая стоимость подобного рода исследований. 7

Следовательно, возникает проблема разработки стратегии и тактики исследований, которые обусловили бы с разумной затратой труда из­влечь из потенциала новых микроорганизмов все наиболее ценное при создании промышленно важных штаммов- продуцентов, пригодных к ис­пользованию в биотехнологических процессах. Классический подход заключается в выделении нужного микроорганизма из природных условий. Из естественных мест обитания предполагаемого продуцента отби­рают образцы материала (берут пробы материала) и производят посев в селективную среду, обеспечивающую преимущественное развитие инте­ ресующего микроорганизма, т.е. получают так называемые накопитель­ные культуры. 8

Следующим этапом является выделение чистой культуры с даль­нейшим изучением изолированного микроорганизма и, в случае необходимости, ориентировочным опреде­лением его продукционной способности. Существует и другой путь подбора микроорганизмов-продуцентов - это выбор нужного вида из имеющихся коллекций хорошо изученных и досконально охарактеризованных микроорганизмов. При этом, естест­венно, устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких опе­раций. 9

Главным критерием при выборе биотехнологического объекта является способность синте­зировать целевой продукт. Однако помимо этого, в технологии самого процесса могут закладываться дополнительные требования, которые по­рой бывают очень и очень важными, чтобы не сказать решающими. В общих словах микроорганизмы должны обладать высокой скоростью роста, утилизировать необходимые для их жизнедеятельности дешевые субстраты, быть резидентными к посторонней микрофлоре, т. е, обладать высокой конкурентоспособностью. Все вышеперечисленное обеспечивает значительное снижение за­трат на производство целевого продукта. 10

Приведем некоторые примеры, доказывающие роль микроорганизмов как объектов биотехнологии: 1. Одноклеточные организмы, как правило, характеризуются более высокими скоростями роста и синтетических процессов, чем высшие организмы. Тем не менее, это присуще не всем микроор­ганизмам. Некоторые из них растут крайне медленно, однако представляют из­вестный интерес, поскольку способны продуцировать различные очень ценные вещества. 11

2. Особое внимание как объекты биотехнологических разработок представляют фотосинтезирующие микроорганизмы, исполь­зующие в своей жизнедеятельности энергию солнечного света. Часть из них (цианобактерии и фотосинтезирующие эукариоты) в качестве источника углерода утилизируют СО 2, а некоторые представители цианобактерий, ко всему сказанному, обладают способностью усваивать атмосферный азот (т.е. являются крайне неприхотливыми к питательным веществам). Фотосинтезирую­щие микро- организмы перспективны как продуценты аммиака, водорода, белка и ряда органических соединений. Однако прогресса в их использовании вследствие ограниченности фун­даментальных знаний об их генетической организации и молекулярно-биологических механизмах жизнедеятельности, по всей видимости, не следует ожидать в ближайшем будущем. 12

3. Определенное внимание уделяется таким объектам биотехноло­гии, как термофильные микроорганизмы, растущие при °С. Это их свойство является практически непреодолимым препятст­вием для развития посторонней микрофлоры при относительно не стерильном культивировании, т.е. является надежной защитой от загрязнений. Среди термофилов обнаружены продуценты спиртов, аминокислот, ферментов, молекулярного водорода. Кроме того, скорость их роста и метаболическая активность в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов. Ферменты, синтезируемые термофилами, характеризуются повышенной устойчивостью к нагреванию, некоторым окислителям, детер­гентам, органическим растворителям и другим неблагоприятным факто­рам. В то же время они мало активны при обычных температурах. 13

Так, протеазы одного из представителей термофильных микроорганизмов при 20 °С в 100 раз менее активны, чем при 75 °С. Последнее является очень важным свойством для некоторых промышленных производств. Напри­мер, широкое применение в генетической инженерии нашел фермент Tag-полимераза из термофильной бактерии Thermus aquaticus. Ранее уже упоминалось о еще одном весьма существенном свойстве этих организмов, а именно, что при их культивировании температура среды, в которой они пребывают, значительно превышает температуру окружающей среды. Данный высокий перепад температур обеспечивает быстрый и эффективный обмен тепла, что позволяет использовать био­логические реакторы без громоздких охлаждающих устройств. А по­следнее, в свою очередь, облегчает перемешивание, аэрацию, пеногашение, что в совокупности значительно удешевляет процесс. 14

2 Выделение и селекция микроорганизмов Неотъемлемым компонентом в процессе создания наи­более ценных и активных продуцентов, т.е. при подборе объектов в био­технологии, является их селекция. Главным путем селекции явля­ется сознательное конструирование геномов на каждом этапе отбора нужного продуцента. Такая ситуация не всегда могла быть реализована, вследствие отсутствия эффективных методов изменения геномов селек­ тируемых организмов. В развитии микробных технологий сыграли важную роль мето­ды, базирующиеся на селекции спонтанно возникающих измененных ва­риантов, характеризующихся нужными полезными признаками. 15

При та­ких методах обычно используется ступенчатая селекция: на каждом эта­пе отбора из популяции микроорганизмов отбираются наиболее актив­ные варианты (спонтанные мутанты), из которых на следующем этапе отбирают новые, более эффективные штаммы, и так далее. Несмотря на явную ограниченность данного метода, заключающуюся в низ­кой частоте возникновения мутантов, его возможности рано считать полностью исчерпанными. 16

Процесс селекции наиболее эффективных продуцентов значительно ускоряется при использовании метода индуцированного мутагенеза. В качестве мутагенных воздействий применяются УФ, рентгенов­ское и гамма-излучения, определенные химические вещества и др. Одна­ко и этот прием также не лишен недостатков, главным из которых явля­ется его трудоемкость и отсутствие сведений о характере изменений, по­скольку экспериментатор ведет отбор по конечному результату. 17

Напри­мер, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть свя­зана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериаль­ной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или пе­рестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получе­ния конечного результата за более короткое время, а также селектиро­вать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение пере­численных подходов в сочетании с приемами классической селекции яв­ляется сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 18

Напри­мер, устойчивость организма к ионам тяжелых металлов может быть свя­зана с подавлением системы поглощения данных катионов бактериаль­ной клеткой, активацией процесса удаления катионов из клетки или пе­рестройкой системы (систем), которая подвергается ингибирующему действию катиона в клетке. Естественно, знание механизмов повышения устойчивости позволит вести направленное воздействие с целью получе­ния конечного результата за более короткое время, а также селектиро­вать варианты, лучше подходящие к конкретным условиям производства. Применение пере­численных подходов в сочетании с приемами классической селекции яв­ляется сутью современной селекции микроорганизмов- продуцентов. 19

20 Лекция закончена !