Микроорганизм специфический элемент биотехнологических систем Метаболизм закономерности

Микроорганизм – специфический элемент биотехнологических систем. Метаболизм, закономерности роста и развития микроорганизмов. Получение экзо- и эндометаболитов.

Введение. 1. Строение бактериальной клетки. 2. Координация микробного метаболизма. 3. Закономерности роста и развития микроорганизмов. 4. Методы получения и совершенствования производственных штаммов микроорганизмов. Заключение. 2 2

1. Глик Б. , Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. - М. : Мир, 2000. 2. Кантере В. М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. - М. : ВО «Агропромиздат» , 1990 г. 3. Самуйленко А. Я. , Рубан Е. А. Основы биотехнологии производства биологических препаратов. - Т 1, Т 2. – М. , 2000. 4. Тихонов И. В. , Рубан Е. А. , Грязнева Т. Н. и др. Биотехнология. - Спб. - Гиорд. -2005. -790 с. 5. Тутов И. К. , Ситьков В. И. Основы биотехнологии ветеринарных препаратов. - Ст. ГСХА, 1997. 3

4 Биотехнологический процесс Культура микроорганизмов Питательная среда Аппаратура для культивирования и проведения вспомогательных операций Средства контроля и управления 4

5 - это создание искусственных условий для обеспечения процессов жизнедеятельности и размножения микроорганизмов 5

6 Цех глубинного культивирования Щелковского биокомбината. Биореакторы объемом 630 л 6

Факторы, обуславливающие бактерии как основной элемент биотехнологических систем 1. Клетки являются “биофабриками”, вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. ; 2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20 -60 мин. , что позволяет за относительно короткое время нарастить огромные количества биомассы клеток; 3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырьё (например, молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др. ); 4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т. е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки и т. д. 7 7

Классификация прокариотов Безъядерные клетки прокариоты Вирусы Риккетсии Хламидии Микоплазмы Бактерии Синезеленые водоросли 8

9 9

Формы бактерий Стафилококки Кишечная палочка Клостридии Сальмонелла Спирохета Лактобациллы Стрептококки 10 10

Микроорганизмы, широко применяемые в биологической промышленности для производства различных биопрепаратов Дрожжи Гриб рода Penicillium продуцент пенициллина Сине-зеленые водоросли 11

Классификация и морфология вирусов 12 12

Просто устроенные вирусы (без оболочки) состоят из капсида и нуклеиновой кислоты 13

Схема строения сложно устроенных вирусов Схема строения вируса бешенства 14

Бактериофаги Строение бактериофага Кишечная палочка, на пилях которой адсорбировались 15 бактериофаги

16 16

Схема строения бактериальной клетки 17 17

Схема строения клеточной оболочки грамположительных микроорганизмов а - клеточная стенка, б - цитоплазматическая мембрана, 1 - пептидогликан, 2 - липотейхоевые кислоты, 3 - тейхоевые кислоты Схема строения клеточной оболочки грамотрицательных микроорганизмов а - внешняя мембрана, б - пептидогликан, в - периплазма, г - цитоплазматическая мембрана 18

Бактерия, содержащая плазмиды (а) и плазмиды, изолированные из бактерий (б) а б 19 19

Различия клеток прокариотических и эукариотических организмов 10 Прокариоты Размер клетки 1 -10 мкм Эукариоты Размер клетки 10 -100 мкм Хромосомная ДНК находится в цитоплазме. В цитоплазме находятся кольцевые молекулы ДНК плазмиды В клетке нет цитоплазматических органелл и цитоскелета и. РНК и белки синтезируются в цитоплазме Бинарное деление В клетке имеется ядро, отделенное от цитоплазмы клеточной мембраной, хромосомная ДНК находится в ядре В цитоплазме содержатся органеллы: митохондрии, аппарат Гольджи, хлоропласты у растений, цитоскелет и. РНК синтезируется в ядре, белки в цитоплазме Митоз или мейотическое деление 20 20

а Схематическое изображение структурных генов прокариот (а) и эукариот (б) 21

Механизмы микробного метаболизма Конструктивный Индукция синтеза ферментов Репрессия синтеза ферментов Индуцибельный Ингибирование активности ферментов Активация ферментов 22 22

Схема Lac-оперона 23 23

Lac-оперон репрессированный Lac-оперон индуцированный 24

25 Индукторы ферментов Фермент Индуктор-субстрат Индуктор-аналог субстрата Изопропил-β-Dтиогалактозид β-галактозидаза Лактоза Пенициллиназа Бензилпенициллин Медициллин Малеат-цистранс-изомераза Малеипат Малонат Алифатическая амидаза Ацетамид N-Метилацетамид Тирозиназа L-Тирозин D-Тирозин-Офенилаланин α -глюкозидаза Мальтоза α -амилаза Крахмал Аргиназа L-Аргинин Декстранал - 25

График роста культуры микроорганизмов при периодическом культивировании 1. Фаза отсутствия роста (lag-фаза). 2. Фаза ускорения роста. 3. Фаза логарифмического роста (log-фаза). 4. Фаза замедления роста. 5. Стационарная фаза. 6. Фаза отмирания. 26

Графики культивирования в биореакторе объемом 1000 л 27 27

Методы культивирования микроорганизмов Периодическое Глубинное Непрерывное Поверхностное Аэробное Анаэробное Объемно-доливное 28 28

Типовая технологическая схема получения биопрепаратов Коллекция микроорганизмов Эталонный штамм Культивирование (ферментация) с целью накопления микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности в искусственно созданных и оптимальных для выращивания условиях Выделение из культуральной жидкости, концентрирование и очистка биопрепарата (флотация, центрифугирование, сепарирование, фильтрование, адсорбция, экстракция, кристаллизация, ионный обмен и др. ) Контроль Расфасовка, упаковка, маркировка Приготовление посевного материала (последовательное накопление микроорганизмов для засева культиватора) Приготовление питательной среды (подготовка компонентов среды, стерилизация, стандартизация, контроль состава) Консервирование биопрепарата (высушивание, добавление химических консервантов, замораживание) Составление серии Обезвреживание отходов 29 29

Схема получения целевого продукта из культуральной жидкости Биореактор Отделение взвешенной фазы из КЖ (цель - разделить Культуральная жидкость (КЖ) КЖ на 2 фазы для концентрирования биомассы и осветления КЖ) Взвешенная фаза (биомасса клеток, остатки питательной среды, экзо- и эндометаболиты, неорганические соединения и др. ) Выделение, концентрирование и очистка целевого продукта на основе клеточной биомассы: вакцинные штаммы, белково-витаминные комплексы, дрожжи и др. Жидкая фаза (растворенные и коллоидные экзометаболиты, антибиотики, полисахариды, ферменты и др. ) Выделение, концентрирование и очистка растворенного целевого продукта: антибиотики, гормоны, ферменты, белки, аминокислоты, пептиды, полипептиды Микро- и ультрафильтрация, осмос, диализ, коагуляция, центрифугирование, ионный обмен, сушка, кристаллизация и др. Механический способ (фильтрация, сепарирование, перемораживание, ультразвук, декомпрессия, дезинтеграция клеток и др. ); Биологический способ (литические ферменты - βглюконазы, вирус Сендай. . ); Химический способ (полиэтиленгликоль, перекись водорода, глицерин и др. ). 30 30

1. Культура микроорганизмов является частью биотехнологической системы, определяющей эффективность её функционирования. 2. Несмотря на относительно простую организацию и строение, бактериальная клетка является исключительно адаптивной к изменяющимся условиям внешней среды. 3. Основой адаптации бактерий является высокая координация микробного метаболизма. 4. В ходе развития популяции микроорганизмов клетки непрерывно претерпевают как количественные, так и качественные изменения и проходят определенные фазы роста. 5. Воздействуя на микроорганизмы различными факторами, можно получить суперпродуцент любого 31 продукта микробного синтеза. 31