Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Наведіть сучасні методи отримання нових форм промислових мікроорганізмів




Читайте также:
  1. II. 1. Методические указания к выполнению контрольных заданий
  2. II.2. Методика построения напорной и пьезометрической линий
  3. SWOT-анализ и методика его использования. Стратегический анализ, PEST-анализ, SNW-анализ в менеджменте.
  4. Авторы работ по методике преподавания литературы
  5. Алгебраический материал в курсе математики начальной школы и методика его изучения.
  6. Амортизация основных фондов, методика расчета амортизационных отчислений.
  7. Анализ платежеспособности организации: понятие, цели, информационная база, методика расчета показателей, оценка их изменения. По данным бухгалтерской отчетности проведите анализ.
  8. Анализ показателей себестоимости: ее виды, цели, задачи, последовательность и методика анализа. Анализ затрат на 1 руб. продукции.
  9. Анализ прибыли до налогообложения: понятие, источник информации; методика расчета и оценка влияния факторов.
  10. Аналіз методичної системи навчання інформатики

 

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







Селекція мікроорганізмів використовується в різних сферах медицини та промисловості. Людиною часто застосовуються продукти життєдіяльності одноклітинних еукаріот і прокаріот. Селекція мікроорганізмів застосовується для виділення форм молочнокислих бактерій і дріжджових грибків. Їх згодом використовують для отримання різних продуктів. Так, наприклад, діяльність грибків і бактерій лежить в основі процесів бродіння тіста, одержання багатьох кисломолочних продуктів, виноробства, квашення капусти, пивоваріння та іншого.

Селекція мікроорганізмів дозволяє отримувати форми найвищої якості на різних поживних середовищах. Наприклад, дріжджі досить успішно вирощуються на відходах нафтопродуктів, метанолі, гідролізату деревини, метані. Дріжджі містять до шістдесяти відсотків білків. Застосування їх як кормових білків дозволяє щорічно отримувати додатково до мільйона тонн м’яса.

Селекція мікроорганізмів широко використовується в сільському господарстві. Так, величезне значення має вироблення незамінних амінокислот. У зв’язку з тим, що їх досить мало в традиційних кормах, кількість їжі доводиться збільшувати. При цьому додавання тонни лізину, синтезованого мікробіологічними шляхом, дозволяє заощадити десятки тонн традиційних кормів.

Дріжджові, цвілеві грибки, бактерії виробляють антибіотики, які згодом застосовує людина. Багато з них є вкрай необхідними, дозволяють зберегти життя. Деякі бактерії і грибки мають здатність синтезувати певні вітаміни, зокрема, ті, які не виробляються в організмі.

Основні методи селекції використовуються при дослідженні можливостей отримання речовин, що володіють великим господарським значенням. До таких речовин, зокрема, відносять кетони, спирти, органічні кислоти. Селективні методи орієнтовані на отримання генетичних ліній, які здатні забезпечити максимальну продуктивність. Сьогодні створені такі цвілеві грибки, які продукують в тисячі разів більша кількість антибіотиків, ніж вихідні форми.

Для збільшення результативності в селекції застосовується мутагенез. Таким чином, стає можливим розширення діапазону спадкової мінливості. Цей прийом передбачає використання опромінення, вплив особливих хімічних компонентів.

Розробкою методів промислового застосування мікроорганізмів і біологічних процесів для подальшого отримання необхідних людині речовин займається біотехнологія. У рамках цієї наукової галузі у великих біологічних реакторах на поживних особливих середовищах здійснюється виведення дріжджів, грибків, бактерій. Всі ці мікроорганізми продукують ферменти, вітаміни, білки, амінокислоти та інші необхідні з’єднання.

Бактерії досить широко застосовуються і в металургійній промисловості. Традиційні технології, які використовуються при виплавці, не дозволяють застосовувати складені або бідні руди.
Методи біотехнології дозволяють переводити багато метали з руди в розчин. Це забезпечується за рахунок здатності бактерій до окислення. Таким чином, щорічно виробляється величезна кількість міді. Біотехнологічні методи застосовуються і при отриманні урану, срібла, золота.

На живильних середовищах, які містять необхідні фітогормони, мінеральні солі та інші сполуки, можуть рости і розмножуватися клітини різних рослин. Це, у свою чергу, спрощує і прискорює вироблення корисних продуктів. Наприклад, легше і швидше культивувати корінь женьшеню, ніж доглядати за всім рослиною.

Досить широко застосовуються різні методи селекції тварин. Так, наприклад, клітинна інженерія дозволяє розмножувати елітні породи. Для цих цілей використовують, наприклад, прийом “сурогатного материнства”.

Мікроорганізми (бактерії, мікроскопічні гриби, найпростіші тощо) відіграють виключно важливу роль у біосфері та господарської діяльності людини. Із понад 100 тис. видів відомих у природі мікроорганізмів людиною використовується кілька сотень, і число цезростає. Якісний стрибок у їх використанні відбувся в останні десятиліття, коли були встановлені багато генетичні механізми регуляції біохімічних процесів в клітинах мікроорганізмів.

Багато хто з них продукують десятки видів органічних речовин — амінокислот, білків, антибіотиків, вітамінів, липи-дов, нуклеїнових кислот, ферментів, пігментів, Сахаров і т. п., широко використовуються в різних галузях промисловості і медицини. Такі галузі харчової промисловості, як хлібопечення, виробництво спирту, молочних продуктів, виноробство і багато інших, засновані на діяльності мікроорганізмів.

Мікробіологічна промисловість пред’являє до продуцентів різних сполук жорсткі вимоги, які важливі для технології виробництва; це висока швидкість росту, використання для життєдіяльності дешевих субстратів і стійкість до зараження сторонніми мікроорганізмами. Наукова основа цієї промисловості — вміння створювати мікроорганізми з новими, заздалегідь певними генетичними властивостями і вміння використовувати їх у промислових масштабах.

Селекція мікроорганізмів (на відміну від селекції рослин і тварин) має ряд особливостей: 1) у селекціонера мається необмежену кількість матеріалу для роботи: за лічені дні в чашках Петрі або пробірках на поживних середовищах можна виростити мільярди клітин, 2) більш ефективне використання мутаційногопроцесу, оскільки геном мікроорганізмів гаплоїдний, що дозволяє виявити будь-які мутації вже в першому поколінні, 3) простота генетичної організації бактерій: значно меншу кількість генів, їх генетична регуляція більш проста, взаємодії генів прості або відсутні.

Ці особливості накладають свій відбиток на вибір методів селекції мікроорганізмів, які багато в чому істотно відрізняються від методів селекції рослин і тварин. Наприклад, в селекції мікроорганізмів зазвичай враховуються їх природні здібності синтезувати будь-які корисні для людини сполуки (амінокислоти, вітаміни, ферменти та ін.) У разі використання методів генної інженерії можна змусити бактерії та інші мікроорганізми продукувати ті сполуки, синтез яких у природних природних умовах їм ніколи не був притаманний (наприклад, гормони людини і тварин, біологічно активні сполуки).

Природні мікроорганізми, як правило, володіють низькою продуктивністю містяться в них речовин, які цікавлять селекціонера. Для використання ж у мікробіологічної промисловості потрібні високопродуктивні штами, які створюються різними методами селекції, у тому числі відбором серед природних мікроорганізмів.

Відбору високопродуктивних штамів передує цілеспрямована робота селекціонера з генетичним матеріалом вихідних мікроорганізмів. Зокрема, широко використовують раз-особисті способи рекомбінірованія генів: кон’югацію, трансдукцію, трансформацію та інші генетичні процеси. Наприклад, кон’югація (обмін генетичним матеріалом між бактеріями) дозволила створити штам Pseudomonas putida, здатний утилізувати вуглеводні нафти.

Часто вдаються до трансдукції (перенесення гена з однієї бактерії в іншу за допомогою бактеріофагів), трансформації (перенесення ДНК, ізольованої з одних клітин, в інші) і ампліфікації (збільшення числа копій потрібного гена).

Так, у багатьох мікроорганізмів гени біосинтезу антибіотиків або їх регулятори знаходяться в плазміді, а не в хромосомі. Тому збільшення числа цих плазмід шляхом ампліфікації дозволяє істотно підвищити вихід антибіотиків.

Найважливішим етапом в селекційній роботі є індукування мутацій. Експериментальне отримання мутацій відкриває майже необмежені перспективи для створення високопродуктивних штамів. Імовірність виникнення мутацій у мікроорганізмів (1×10-10-1 х 10-6) нижче, ніж у всіх інших організмів (1×10-6-1×10-4). Але ймовірність виділення мутацій з даного гену у бактерій значно вище, ніж у рослин і тварин, оскільки отримати багатомільйонне потомство у мікроорганізмів досить просто і зробити це можна швидко.

Для виявлення мутацій служать селективні середовища, на яких здатні рости мутанти, але гинуть батьківські клітини дикого типу. Проводиться також відбір за забарвленням і формою колоній, швидкості росту мутантів і диких форм і т. д.

Відбір за продуктивністю (наприклад, продуцентів антибіотиків) здійснюється за ступенем антагонізму і пригнічення росту чутливого штаму. Дня цього штам-продуцент висівається на»газон»чутливої культури. За розміром плями, де відсутній ріст чутливого штаму навколо колонії штаму-продуцента, судять про ступінь його активності (в даному випадку антибіотичною). Для розмноження, природно, відбираються найбільш продуктивні полонії. У результаті селекції продуктивність продуцентів вдається збільшити в сотні і тисячі разів. Наприклад, шляхом комбінування мутагенезу і відбору в роботі з грибом Penicillium був збільшений вихід антибіотика пеніциліну приблизно в 10 тис. разів порівняно з вихідним диким штамом.

Важливим підходом в селекційній роботі з мікроорганізмами є отримання рекомбінантов шляхом злиття протопластів, або гібридизації, різних штамів бактерій. Злиття протопластів дозволяє об’єднати генетичні матеріали і таких мікроорганізмів, які в природних умовах не схрещуються.

Роль мікроорганізмів у мікробіологічній, харчовій промисловості, в сільському господарстві та інших областях важко переоцінити. Особливо важливо відзначити те, що багато мікроорганізми для виробництва цінних продуктів використовують відходи промислового виробництва, нафтопродукти і тим самим виробляють їх руйнування, оберігаючи навколишнє середовище від забруднення.

 


Дата добавления: 2015-04-18; просмотров: 124; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.011 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты