1 Микроорганизмите се използват в промишленото производство. Промишлена употреба на микроорганизми

Широкото разпространение на микроорганизмите показва огромната им роля в природата. С тяхно участие се извършва разлагането на различни органични вещества в почвите и водните тела, те определят циркулацията на веществата и енергията в природата; плодородието на почвата, образуването на въглища, нефт и много други минерали зависят от тяхната дейност. Микроорганизмите участват в изветрянето на скалите и други естествени процеси.

Много микроорганизми се използват в промишленото и селскостопанското производство. Така печенето, производството на ферментирали млечни продукти, винопроизводството, производството на витамини, ензими, хранителни и фуражни протеини, органични киселини и много вещества, използвани в селското стопанство, промишлеността и медицината, се основават на дейността на различни микроорганизми. Особено важно е използването на микроорганизми в растениевъдството и животновъдството. От тях зависи обогатяването на почвата с азот, борбата с вредителите по селскостопанските култури с помощта на микробни препарати, правилното приготвяне и съхранение на фуража, създаването на фуражен протеин, антибиотици и микробни вещества за храна на животните.

Микроорганизмите имат положителен ефект върху процесите на разграждане на вещества от неестествен произход - ксенобиотици, изкуствено синтезирани, попадащи в почвите и водоемите и ги замърсяващи.

Наред с полезните микроорганизми съществува голяма група от така наречените болестотворни или патогенни микроорганизми, които причиняват различни заболявания на селскостопанските животни, растения, насекоми и хората. В резултат на тяхната жизнена дейност възникват епидемии от заразни болести по хората и животните, което оказва влияние върху развитието на икономиката и производителните сили на обществото.

Последните научни данни не само значително разшириха разбирането за почвените микроорганизми и процесите, които те причиняват в околната среда, но също така направиха възможно създаването на нови индустрии в промишлеността и селскостопанското производство. Открити са например антибиотиците, отделяни от почвените микроорганизми, и е показана възможността за тяхното използване за лечение на хора, животни и растения, както и за съхранение на селскостопански продукти. Открита е способността на почвените микроорганизми да образуват биологично активни вещества: витамини, аминокиселини, стимулатори на растежа на растенията - растежни вещества и др. Намерени са начини за използване на протеина на микроорганизмите за хранене на селскостопански животни. Идентифицирани са микробни препарати, които усилват притока на азот в почвата от въздуха.

Откриването на нови методи за получаване на наследствено модифицирани форми на полезни микроорганизми направи възможно по-широкото използване на микроорганизмите в селскостопанското и промишленото производство, както и в медицината. Развитието на генното или генното инженерство е особено обещаващо. Неговите постижения осигуриха развитието на биотехнологиите, появата на високопродуктивни микроорганизми, синтезиращи протеини, ензими, витамини, антибиотици, растежни вещества и други продукти, необходими за животновъдството и растениевъдството.

Човечеството винаги е било в контакт с микроорганизми, в продължение на хилядолетия, без дори да знае. От незапомнени времена хората са наблюдавали ферментация на тесто, приготвяли са алкохолни напитки, ферментирали мляко, правели сирене, страдали са от различни заболявания, включително епидемични. Доказателство за последното в библейските книги е указание за епидемично заболяване (вероятно чума) с препоръки за изгаряне на трупове и извършване на измиване.

Но до средата на миналия век дори никой не е предполагал, че различни видове ферментационни процеси и болести могат да бъдат резултат от дейността на пренебрежимо малки същества.

В предишните раздели вече научихте някои от техниките за работа микроорганизмии имаха възможност да изпробват тези техники на практика. При преминаването от лабораторен мащаб към индустриален мащаб биотехнолозите трябва да решават много проблеми в различни клонове на науката, включително биоинженерство, химия и биология. Когато се вземат решения в промишленото производство на бактерии, е важно да се вземат предвид както икономическите, социалните, така и етичните аспекти. В този раздел ще се докоснем до някои практически аспекти на широкомащабното производство, а в следващите раздели ще разгледаме конкретни примери за микробиологично производство и свързаните с него проблеми.

Използване на микроорганизмив промишленото производство е възможно поради следните причини:
1) микроорганизмите имат прости хранителни нужди;
2) във ферментатори (големи съдове, в които растат микроорганизми), условията на растеж могат да бъдат много прецизно контролирани;
3) микроорганизмите се характеризират с високи темпове на растеж;
4) реакциите могат да се извършват при по-ниски температури, отколкото в конвенционалните химически заводи; сметката за енергия се намалява съответно;
5) микроорганизмите осигуряват по-висок добив на продукта и неговата по-висока специфичност от конвенционалното химическо производство;
6) може да използва и произвежда широка гама от химични съединения;
7) възможно е да се произвеждат някои сложни химични съединения, като хормони и антибиотици, които са трудни за получаване по други методи, както и специфични изомери (като L-аминокиселини);
8) генетиката на микроорганизмите е относително проста и методите за генетична манипулация с тях непрекъснато се развиват.

Въпреки това, необходимостта от специални методи като напр като методи за стерилизацияи сложни методи за разделяне, може да доведе до значително повишаване на техническите изисквания на процеса.

Прожекция

Знаем, че за микроорганизмихарактеризиращи се с огромно разнообразие от химични реакции, които могат да извършат, и продуктите, които образуват. Въпреки това, само малка част от техния потенциал се използва в промишленото производство. Търговските компании, особено фармацевтичните компании, непрекъснато търсят микроорганизми, които могат да бъдат полезни. С надеждата за откриване на нови търговски важни продукти или по-ефективни начини за получаване на съществуващи продукти, микроорганизмите се събират и култивират от цял ​​свят, от голямо разнообразие от местообитания. Много често това е чисто емпирична работа в смисъл, че случайността играе съществена роля във всяко откритие. Проверката на микроорганизмите по този начин се нарича скрининг. Добър пример е текущият скрининг, който се прави за откриване на нови антибиотици. Първият антибиотик е открит през 1928 г. от Александър Флеминг и е наречен пеницилин на името на гъбата Penicillin, която го произвежда. Естествените антибиотици са химикали, синтезирани от микроорганизми, които убиват други микроорганизми или инхибират растежа им. От 1928 г. повече от 5000 различни антибиотици са изолирани от микроорганизми, включително редица различни пеницилини с малко по-различни структури и активност. Повечето от откритите антибиотици са неподходящи за медицински цели, главно поради високата си токсичност. Въпреки това, членовете на рода Streptomyces са доказали, че са изключително богат източник на различни антибиотици, включително стрептомицин.

антибиотицисе използват за лечение на бактериални или гъбични заболявания при хора и домашни животни. Някои от тях също потискат растежа на раковите тумори. Очевидно антибиотиците са продукти на вторичния метаболизъм. При системния скрининг винаги има надежда да се намери ново „чудотворно лекарство“ или микроорганизъм, който произвежда известен антибиотик, но с подобрени свойства.

Основната връзка на биотехнологичния процес, която определя цялата му същност, е биологичен обект, способен да извърши определена модификация на суровината и да образува един или друг необходим продукт. Като такива обекти на биотехнологията могат да служат клетки от микроорганизми, животни и растения, трансгенни животни и растения, както и многокомпонентни ензимни системи от клетки и отделни ензими.

В основата на повечето съвременни биотехнологични индустрии все още е микробният синтез, т.е. синтезът на различни биологично активни вещества с помощта на микроорганизми. За съжаление предметите от растителен и животински произход по ред причини все още не са намерили толкова широко приложение.

Независимо от естеството на обекта, първичният етап в развитието на всеки биотехнологичен процес е получаването на чисти култури от организми (ако това са микроби), клетки или тъкани (ако това са по-сложни организми - растения или животни). Много етапи на по-нататъшни манипулации с последните (т.е. с растителни или животински клетки) всъщност са принципите и методите, използвани в микробиологичното производство. И двете култури от микробни клетки и тъканни култури от растения и животни практически не се различават от културите от микроорганизми от методологична гледна точка.

Светът на микроорганизмите е изключително разнообразен. Понастоящем

сравнително добре характеризирани (или известни) повече от 100 хиляди различни вида. Това са предимно прокариоти (бактерии, актиномицети, рикетсии, цианобактерии) и част от еукариоти (дрожди, нишковидни гъби, някои протозои и водорасли). При такова голямо разнообразие от микроорганизми много важен и често сложен проблем е правилният избор на точно този организъм, който е в състояние да осигури желания продукт, т.е. да служи за промишлени цели. Микроорганизмите се делят на промишлени и непромишлени, това са микроорганизмите, които се използват в промишленото производство - промишлени, и тези, които не се използват - непромишлени.

В основата на промишленото производство са няколко, но дълбоко проучени групи микроорганизми, които служат като моделни обекти при изучаването на основните жизнени процеси. Всички други микроорганизми изобщо не са изследвани от генетици, молекулярни биолози и генни инженери или са изследвани в много ограничена степен. Първите включват ешерихия коли (E. coli), сенен бацил (Bac. subtilis) и хлебна мая (S. cerevisiae).

Много биотехнологични процеси използват ограничен брой микроорганизми, които са класифицирани като GRAS (общопризнати като безопасни). Такива микроорганизми включват бактерии Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, други видове бацили и лактобацили, видове Streptomyces. Това включва и видове гъбички Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus и дрожди Saccharomyces и др. GRAS-микроорганизмите са непатогенни, нетоксични и като цяло не образуват антибиотици, следователно, когато се разработва нов биотехнологичен процес, трябва да се съсредоточите върху тези микроорганизми като основни обекти на биотехнологиите.

Микробиологичната индустрия днес използва хиляди щамове от стотици микробни видове, които първоначално са били изолирани от естествени източници въз основа на техните полезни свойства и след това (най-вече) подобрени с помощта на различни методи. Във връзка с разширяването на производството и гамата от продукти, все повече и повече представители на света на микробите участват в микробиологичната индустрия. Трябва да се разбере, че в обозримо бъдеще никой от тях няма да бъде изследван в същата степен като E.coli и Bac.subtilis. И причината за това е много проста - колосалната трудоемкост и висока цена на този вид изследване.

Най-често срещаните биотехнологични обекти са:

Бактерии и цианобактерии;

Морски водорасли;

протозои;

Клетъчни култури от растения и животни;

Растения - низши (анабена-азола) и висши - водна леща.

Субклетъчни структури (вируси, плазмиди, ДНК).

Бактерии и цианобактерии

Биотехнологичните функции на бактериите са разнообразни.

Оцетнокисели бактерии, родове Gluconobacter и Acetobacter.

Грам-отрицателни бактерии, които превръщат етанола в оцетна киселина и оцетната киселина във въглероден диоксид и вода.

Представители на род Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis се използват за получаване на пробиотици, вещества, които имат антибиотичен ефект върху други микроорганизми, както и върху насекоми (B.thuringiensis). Те са грам-положителни бактерии, които образуват ендоспори.

B.subtilis е строг аероб, докато B.thuringiensis може да живее и в анаеробни условия.

Анаеробните, спорообразуващи бактерии са представени от род Clostridium. C.acetobutylicum ферментира захарите в ацетон, етанол, изопропанол и n-бутанол (ферментация на ацетобутанол), други видове също могат да ферментират нишесте, пектин и различни азотни съединения.

Към млечнокисели бактерии спадат представители на родовете Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, които не образуват спори, грам-положителни са и нечувствителни към кислород.

Хетероферментативните бактерии от рода Leuconostoc превръщат въглехидратите в млечна киселина, етанол и въглероден диоксид.

Хомоферментативните бактерии от рода Streptococcus произвеждат само млечна киселина.

Представителите на род Lactobacillus осигуряват редица различни продукти заедно с млечната киселина.

Представител на род Corynebacterium, неподвижни грам-положителни клетки C. glutamicum служи като източник на лизин и мононатриев глутамат.

Други видове коринебактерии се използват за микробно излужване на руди и обезвреждане на минни отпадъци.

Това свойство на някои бактерии се използва широко, като напр диазотрофия, тоест способността да фиксира атмосферния азот.

Има 2 групи диазотрофи:

Симбионти: без коренови възли (предимно лишеи), с коренови възли (бобови);

Свободно живеещи: хетеротрофи (азотобактер, клостридиум, метилобактер), автотрофи (хлоробий, родоспирилум и амебобактер).

Бактериите се използват и за целите на генното инженерство.

Цианобактериите имат способността да фиксират азот, което ги прави много обещаващи производители на протеини. В цитоплазмата на клетките се отлага продукт, близък до гликогена.

Представители на цианобактериите като nostoc, spirulina, trichodesmium са годни за консумация и се консумират директно. Nostok образува корички върху пусти земи, които набъбват при намокряне. В Япония местното население яде слоевете носток, образувани по склоновете на вулкана, и ги нарича Тенгу ечемичен хляб (Тенгу е добър планински дух).

Спирулината (Spirulina platensis) идва от Африка – района на езерото Чад.

Spirulina maxima расте във водите на езерото Тескоко в Мексико. Още ацтеките са го събирали от повърхността на езерата и са го яли.

Спирулината е била използвана за направата на бисквити, които представляват изсушена маса от спирулина.

Анализът показва, че спирулината съдържа 65% протеини (повече от соята), 19% въглехидрати, 6% пигменти, 4% липиди, 3% фибри и 3% пепел. Протеините се характеризират с балансирано съдържание на аминокиселини. Клетъчната стена на това водорасло се усвоява добре.

Спирулина може да се култивира в открити водоеми или в затворена система от полиетиленови тръби. Добивът е много висок: получават се до 20 g сухо тегло водорасли на 1 m 2 на ден, което е около 10 пъти повече от добива на пшеница.

Вътрешната фармацевтична индустрия произвежда лекарството "Splat" на базата на цианобактерията Spirulina platensis. Съдържа комплекс от витамини и микроелементи и се използва като тонизиращо и имуностимулиращо средство.

Ешерихия коли

Ешерихия колие един от най-изследваните организми. През последните петдесет години беше възможно да се получи изчерпателна информация за генетиката, молекулярната биология, биохимията, физиологията и общата биология. Ешерихия коли. Това е грам-отрицателен, подвижен рафт с дължина под 10 µm. Местообитанието му са червата на хората и животните, но може да живее и в почвата и водата. Обикновено ешерихия коли не е патогенна, но при определени условия може да причини заболяване при хора и животни.

Благодарение на способността за умножаване чрез просто разделяне върху среда, съдържаща само Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- и SO 4 2- йони, микроелементи и въглерод източник (например глюкоза), д. колистана любим обект на научни изследвания.

При култивиране д. коливърху обогатена течна хранителна среда, съдържаща аминокиселини, витамини, соли, микроелементи и източник на въглерод, времето на генериране (т.е. времето между образуването на бактерия и нейното следващо делене) в логаритмичната фаза на растеж при температура 37°C е приблизително 22 минути.

д. колиможе да се отглежда както при аеробни (в присъствието на кислород), така и при анаеробни (без кислород) условия. Въпреки това, за оптимално производство на рекомбинантни протеини д. колиобикновено се отглеждат при аеробни условия.

Ако целта на култивирането на бактерии в лабораторията е синтезът и изолирането на определен протеин, тогава културите се отглеждат върху сложни течни хранителни среди в колби. За да се поддържа желаната температура и да се осигури достатъчна аерация на хранителната среда, колбите се поставят във водна баня или в стая с контролирана температура и се разклащат непрекъснато. Такава аерация е достатъчна за възпроизводството на клетките, но не винаги за синтеза на определен протеин.

Клетъчният растеж и производството на протеини не се ограничават от съдържанието на източници на въглерод или азот в хранителната среда, а от съдържанието на разтворен кислород: при 20 ° C то е приблизително девет милионни. Това става особено важно при промишленото производство на рекомбинантни протеини. За да се осигурят оптимални условия за максимално производство на протеини, са проектирани специални ферментатори и са създадени системи за аериране.

За всеки жив организъм има определен температурен интервал, който е оптимален за неговия растеж и размножаване. Твърде високите температури причиняват денатурация на протеини и разрушаване на други важни клетъчни компоненти, което води до клетъчна смърт. При ниски температури биологичните процеси се забавят значително или спират напълно поради структурни промени, на които претърпяват протеиновите молекули.

Въз основа на температурния режим, който предпочитат някои микроорганизми, те могат да бъдат разделени на термофилни (от 45 до 90 ° C и повече), мезофилни (от 10 до 47 ° C) и психрофилни (от -5 до 35 ° C). микроорганизмите, които активно се размножават само в определен температурен диапазон, могат да бъдат полезен инструмент за решаване на различни биотехнологични проблеми. Например, термофилите често осигуряват гени, кодиращи термостабилни ензими, които се използват в индустриални или лабораторни процеси, докато генетично модифицираните психротрофи се използват за биоразграждане на токсични отпадъци, съдържащи се в почвата и водата при ниски температури.

Освен от д. коли, много други микроорганизми се използват в молекулярната биотехнология (Таблица 1). Те могат да бъдат разделени на две групи: микроорганизми като източници на специфични гени и микроорганизми, създадени чрез методи на генно инженерство за решаване на определени проблеми. Специфичните гени включват, например, ген, кодиращ термостабилна ДНК полимераза, която се използва в широко използваната полимеразна верижна реакция (PCR). Този ген е изолиран от термофилни бактерии и клониран в д. коли. втората група микроорганизми включва например различни щамове Corynebacterium glutamicum, които са генетично модифицирани, за да увеличат производството на индустриално важни аминокиселини.

Таблица 1. Някои генетично модифицирани микроорганизми, използвани в биотехнологиите.

На настоящия етап възниква проблемът за разработване на стратегия и тактика на изследване, които биха позволили с разумен разход на труд да се извлече всичко най-ценно от потенциала на новите микроорганизми при създаването на промишлено важни щамове производители, подходящи за използване в биотехнологични процеси. Класическият подход е да се изолира желаният микроорганизъм от естествените условия.

1. Материални проби се вземат от естествените местообитания на предполагаемия производител (вземат се материални проби) и се инокулират в избрана среда, която осигурява преобладаващото развитие на микроорганизма, който представлява интерес, т.е. получават се така наречените обогатителни култури.

2. Следващата стъпка е изолирането на чиста култура с по-нататъшно диференциално диагностично изследване на изолирания микроорганизъм и, ако е необходимо, приблизително определяне на неговата продуктивна способност.

Има и друг начин за избор на микроорганизми продуценти - това е изборът на желания вид от наличните колекции от добре проучени и подробно характеризирани микроорганизми. Това, разбира се, премахва необходимостта от извършване на редица трудоемки операции.

Основният критерий за избор на биотехнологичен обект (в нашия случай микроорганизъм продуцент) е способността за синтезиране на целевия продукт. Но в допълнение към това, технологията на самия процес може да съдържа допълнителни изисквания, които понякога са много, много важни, да не кажа решаващи. Най-общо казано, микроорганизмите трябва:

Имат висок темп на растеж;

1. Едноклетъчните организми, като правило, се характеризират с по-високи темпове на растеж и синтетични процеси, отколкото висшите организми. Това обаче не е така за всички микроорганизми. Има някои от тях (например олиготрофни), които растат изключително бавно, но представляват известен интерес, тъй като са способни да произвеждат различни много ценни вещества.

Изхвърлете евтините субстрати, необходими за живота им;

2. Особено внимание като обект на биотехнологично развитие представляват фотосинтезиращите микроорганизми, които използват енергията на слънчевата светлина в живота си. Някои от тях (цианобактерии и фотосинтетични еукариоти) използват CO2 като източник на въглерод, а някои представители на цианобактериите, в допълнение към всичко по-горе, имат способността да асимилират атмосферния азот (т.е. те са изключително неизискващи към хранителните вещества).

Фотосинтезиращите микроорганизми са обещаващи като производители на амоняк, водород, протеини и редица органични съединения. Въпреки това, напредъкът в тяхното използване поради ограничените фундаментални познания за тяхната генетична организация и молекулярно-биологични механизми на жизнена дейност, очевидно, не трябва да се очаква в близко бъдеще.

Да са устойчиви на чужда микрофлора, т.е. да са силно конкурентоспособни.

3. Обръща се известно внимание на такива обекти на биотехнологиите като термофилни микроорганизми, които растат при 60–80 ° C. Това им свойство е почти непреодолима пречка за развитието на чужда микрофлора по време на относително нестерилно култивиране, т.е. това е надеждна защита срещу замърсяване. Сред термофилите са открити производители на алкохоли, аминокиселини, ензими и молекулярен водород. В допълнение, тяхната скорост на растеж и метаболитна активност са 1,5–2 пъти по-високи от тези на мезофилите. Ензимите, синтезирани от термофили, се характеризират с повишена устойчивост на топлина, някои окислители, детергенти, органични разтворители и други неблагоприятни фактори. В същото време те не са много активни при нормални температури. Така протеазите на един от представителите на термофилните микроорганизми са 100 пъти по-малко активни при 200 С, отколкото при 750 С. Последното е много важно свойство за някои индустриални производства.

Всичко по-горе осигурява значително намаляване на разходите за производство на целевия продукт.

Избор

Неразделна съставна част в процеса на създаване на най-ценните и активни производители, т.е. в селекцията на обекти в биотехнологиите, е тяхната селекция. А общият начин на селекция е съзнателното конструиране на геноми на всеки етап от селекцията на желания производител. В развитието на микробните технологии по едно време играеха (и продължават да играят) много важна роля методите, основани на подбора на спонтанно възникващи модифицирани варианти, характеризиращи се с необходимите полезни свойства. При такива методи обикновено се използва поетапна селекция: на всеки етап от селекцията от популацията от микроорганизми се избират най-активните варианти (спонтанни мутанти), от които на следващия етап се избират нови, по-ефективни щамове.

Процесът на селекция на най-ефективните производители се ускорява значително при използване на метода на индуцирана мутагенеза.

Като мутагенни ефекти се използват ултравиолетово, рентгеново и гама лъчение, някои химикали и др.. Тази техника обаче също не е лишена от недостатъци, основният от които е трудоемкостта и липсата на информация за естеството на промените, т.к. експериментаторът избира според крайния резултат.

По този начин днешната тенденция е съзнателното проектиране на щамове микроорганизми с желани свойства въз основа на фундаментални познания за генетичната организация и молекулярно-биологичните механизми за изпълнение на основните функции на тялото.

Селекцията на микроорганизми за микробиологичната промишленост и създаването на нови щамове често са насочени към повишаване на продуктивния им капацитет, т.е. формирането на конкретен продукт. Решаването на тези проблеми в една или друга степен е свързано с промяна в регулаторните процеси в клетката.

Промените в скоростта на биохимичните реакции в бактериите могат да възникнат най-малко по два начина. Един от тях е много бърз (реализиран в рамките на секунди или минути) е да се промени каталитичната активност на отделните ензимни молекули. Вторият, по-бавен (реализиран в продължение на много минути), се състои в промяна на скоростите на ензимен синтез. И двата механизма използват един принцип на управление на системата - принципът на обратната връзка, въпреки че има и по-прости механизми за регулиране на активността на клетъчния метаболизъм. Най-простият начин за регулиране на всеки метаболитен път се основава на наличието на субстрат или наличието на ензим. Намаляването на количеството на субстрата (неговата концентрация в средата) води до намаляване на скоростта на потока на определено вещество през даден метаболитен път. От друга страна, увеличаването на концентрацията на субстрата води до стимулиране на метаболитния път. Следователно, независимо от всички други фактори, присъствието (наличността) на субстрата трябва да се разглежда като потенциален механизъм за всеки метаболитен път. Понякога ефективно средство за увеличаване на добива на целевия продукт е да се увеличи концентрацията в клетката на конкретен прекурсор.

Най-често срещаният начин за регулиране на активността на метаболитните реакции в клетката е регулирането по типа на ретроинхибирането.

Биосинтезата на много първични метаболити се характеризира с факта, че с увеличаване на концентрацията на крайния продукт на този биосинтетичен път се инхибира активността на един от първите ензими на този път. Наличието на такъв регулаторен механизъм е съобщено за първи път през 1953 г. от A. Novik и L. Szillard, които изследват биосинтезата на триптофан от клетки на E. coli. Последният етап в биосинтезата на дадена ароматна аминокиселина се състои от няколко етапа, катализирани от отделни ензими.

Тези автори откриват, че в един от мутантите на Е. coli с нарушена биосинтеза на триптофан, добавянето на тази аминокиселина (която е крайният продукт на този биосинтетичен път) рязко инхибира натрупването на един от прекурсорите, индол глицерофосфат, в клетките. Дори тогава се предполага, че триптофанът инхибира активността на някои ензими, които катализират образуването на индол глицерофосфат. Това е потвърдено.

Съвременната биотехнология се основава на постиженията на природните науки, техниката, технологиите, биохимията, микробиологията, молекулярната биология и генетиката. Биологичните методи се използват в борбата срещу замърсяването на околната среда и вредителите по растителни и животински организми. Постиженията на биотехнологиите могат да включват също използването на имобилизирани ензими, производството на синтетични ваксини, използването на клетъчни технологии в развъждането.

Хибридомите и произведените от тях моноклонални антитела се използват широко като диагностични и терапевтични лекарства.

Бактериите, гъбите, водораслите, лишеите, вирусите, протозоите играят важна роля в живота на хората. От древни времена хората са ги използвали в процесите на печене, производство на вино и бира и в различни индустрии. Понастоящем, във връзка с проблемите на получаване на ценни протеинови вещества, повишаване на плодородието на почвата, почистване на околната среда от замърсители, получаване на биологични препарати и други цели и задачи, обхватът на изследване и използване на микроорганизми се разшири значително. Микроорганизмите помагат на хората в производството на ефективни протеинови хранителни вещества и биогаз. Те се използват при прилагането на биотехнически методи за пречистване на въздуха и отпадъчните води, при използването на биологични методи за унищожаване на селскостопански вредители, при производството на лекарствени препарати, при унищожаване на отпадъчни материали.

Някои видове бактерии се използват за регенериране на ценни метаболити и лекарства, те се използват за решаване на проблемите на биологичната саморегулация и биосинтеза и за пречистване на водни тела.

Микроорганизмите и преди всичко бактериите са класически обект за решаване на общи проблеми на генетиката, биохимията, биофизиката и космическата биология. Бактериите се използват широко при решаването на много проблеми в биотехнологиите.

Микробиологичните реакции поради тяхната висока специфичност се използват широко в процесите на химични трансформации на съединения на биологично активни природни съединения. Има около 20 вида химични реакции, които се извършват от микроорганизми. Много от тях (хидролиза, редукция, окисление, синтез и др.) се използват успешно във фармацевтичната химия. При производството на тези реакции се използват различни видове бактерии, актиномицети, дрождеподобни гъбички и други микроорганизми.

Създадена е биотехнологична индустрия за производство на антибиотици, ензими, интерферон, органични киселини и други метаболити, произведени от много микроорганизми.

Някои гъбички от родовете Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) са в състояние да хидролизират сърдечни глюкозиди, ксилозиди и рамнозиди, както и гликозиди, съдържащи глюкоза, галактоза или арабиноза като крайна захар . С помощта на A.terreus се получава никотинова киселина.

Във фармацията микробиологичните трансформации се използват за получаване на физиологично по-активни вещества или полуфабрикати, чийто синтез по чисто химичен път се постига много трудно или изобщо не е възможен.

Микробиологичните реакции се използват при изучаване на метаболизма на лекарствените вещества, механизма на тяхното действие, както и за изясняване природата и действието на ензимите.

Производители на биологично активни вещества са много протозои. По-специално, протозоите, които живеят в търбуха на преживните животни, произвеждат ензима целулаза, който подпомага разграждането на фибри (целулоза).

Протозоите са производители не само на ензими, но и на хистони, серотонин, липополизахариди, липополипептидоглюкани, аминокиселини, метаболити, използвани в медицината и ветеринарната медицина, хранително-вкусовата и текстилната промишленост. Те са един от обектите, използвани в биотехнологиите.

Причинителят на южноамериканската трипанозомиаза Trypanosoma cruzi е производител на противораковото лекарство круцин и неговия аналог трипаноза. Тези лекарства имат цитотоксичен ефект върху клетките на злокачествените тумори.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa също са производители на антибластомни инхибитори.

Лекарството астализид, произвеждано от Astasia longa, има не само антибластомен ефект, но и антибактериален (срещу E. coli и Pseudomonas aeruginosa), както и антипротозоен (срещу Leischmania).

Най-простите се използват за получаване на полиненаситени мастни киселини, полизахариди, хистони, серотонин, ензими, глюкани за използване в медицината, както и в хранително-вкусовата и текстилната промишленост.

Herpetomonas sp. А Crithidia fasciculate произвежда полизахариди, които предпазват животните от Trpanosoma cruzi.

Тъй като биомасата на протозоите съдържа до 50% протеин, свободно живеещите протозои се използват като източник на фуражен протеин за животните.

Ензимните препарати от Aspergillus oryzae се използват в пивоварната промишленост, докато ензимите от A.niger се използват при производството и избистрянето на плодови сокове и лимонена киселина. Печенето на печива се подобрява чрез използването на ензими A.oryzae и A.awamori. При производството на лимонена киселина, оцет, фуражи и хлебни изделия показателите за ефективност се подобряват, когато в технологичния процес се използват Aspergillus niger и актиномицети. Използването на пречистени пектиназни препарати от мицела на A. niger при производството на сокове спомага за увеличаване на добива им, намаляване на вискозитета и увеличаване на избистрянето.

Бактериалните ензими (Bac.subtilis) се използват за запазване свежестта на сладкарските изделия и там, където е нежелателно дълбокото разграждане на белтъчните вещества. Използването на ензимни препарати от Bac.subtilis в сладкарската и хлебната промишленост подобрява качеството и забавя процеса на застояване на продуктите. Ензими

Bac.mesentericus активира отстраняването на суровите кожи.

Микроорганизмите се използват широко в хранително-вкусовата и ферментационната промишленост.

Млечната мая се използва широко в млечната промишленост. С тяхна помощ пригответе кумис, кефир. Ензимите на тези микроорганизми разграждат млечната захар до алкохол и въглероден диоксид, в резултат на което вкусът на продукта се подобрява и усвояемостта му от организма се повишава. При получаването на млечнокисели продукти в млечната промишленост широко се използва мая, която не ферментира млечната захар и не разлага протеините и мазнините. Те допринасят за запазването на маслото и повишават жизнеспособността на млечнокисели бактерии. Филмовата мая (микодерма) допринася за зреенето на млечните сирена.

Гъбите Penicillum roqueforti се използват в производството на сирене Roquefort, а гъбите Penicillum camemberi се използват в процеса на зреене на снакс сирене.

В текстилната промишленост пектиновата ферментация се използва широко, осигурена от ензимната активност на Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновата ферментация е в основата на първоначалната обработка на влакнестия лен, конопа и други растения, използвани за производството на прежди и тъкани.

Почти всички природни съединения се разграждат от бактерии, поради тяхната биохимична активност, не само в окислителни реакции, включващи кислород, но и анаеробно с такива акцептори на електрони като нитрат, сулфат, сяра, въглероден диоксид. Бактериите участват в кръговрата на всички биологично важни елементи и осигуряват циркулацията на веществата в биосферата. Много ключови реакции на кръговрата на материята (например нитрификация, денитрификация, фиксиране на азот, окисляване и редукция на сярата) се извършват от бактерии. Ролята на бактериите в процесите на разрушаване е определяща.

Много видове и сортове дрожди имат способността да ферментират различни въглехидрати, за да образуват алкохол и други продукти. Те се използват широко в пивоварната, винарската и хлебната промишленост. Типични представители на такива дрожди са Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Много микроорганизми, включително подобни на дрожди и някои видове микроскопични гъби, отдавна се използват при трансформирането на различни субстрати за получаване на различни видове хранителни продукти. Например използването на дрожди за производство на порест хляб от брашно, използването на гъбички от родовете Rhisopus, Aspergillus за ферментацията на ориз и соя, производството на млечнокисели продукти с помощта на млечнокисели бактерии, мая и др.

Ауксотрофни мутанти на Candida guillermondii се използват за изследване на флавиногенезата. Хифалните гъби са способни добре да асимилират въглеводороди от масло, парафин, n-хексадекан и дизелово гориво.

За различна степен на пречистване на тези вещества се използват видове от родовете Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Щамовете Penicillium се използват за използване на мастни киселини, а мастните вторични алкохоли се обработват по-добре в присъствието на щамове Penicillium и Trichoderma.

Видовете гъби Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria се използват за обезвреждане на парафини, парафиново масло, дизелово гориво, ароматни въглеводороди, многовалентни алкохоли, мастни киселини.

Penicillium vitale се използва за получаване на пречистен глюкозооксидазен препарат, който инхибира развитието на патогенни дерматомицети Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Индустриалното използване на микроорганизми за получаване на нови хранителни продукти допринесе за създаването на индустрии като хлебопекарна и млечна, производството на антибиотици, витамини, аминокиселини, алкохоли, органични киселини и др.

Използването на истински млечнокисели бактерии (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или техните комбинации с дрожди в хранително-вкусовата промишленост позволява получаването не само на млечна киселина, но и на млечнокисели и кисели растителни продукти. Те включват изварено мляко, мацони, ферментирало печено мляко, заквасена сметана, извара, кисело зеле, кисели краставици и домати, сирена, кефир, кисело тесто за хляб, квас за хляб, кумис и други продукти. За приготвяне на подквасено мляко и извара се използват Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготвянето на маслото се използват овкусители и млечнокисели стрептококи Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

В процесите на силажиране на зелени фуражи участват фалшиви млечнокисели бактерии (E. coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.).

Сред метаболитите на микробната клетка специално място заемат вещества от нуклеотиден характер, които са междинни продукти в процеса на биологично окисление. Тези вещества са много важна суровина за синтеза на производни на нуклеинови киселини, ценни антимикробни и антибластомни лекарства и други биологично активни вещества за микробиологичната промишленост и селското стопанство.

Микробиологичният синтез основно представлява реакциите, които протичат в живите клетки. За извършване на такъв синтез се използват бактерии, които са способни на фосфорилиране на пуринови и пиримидинови бази, техните нуклеозиди или синтетични аналози на нискомолекулни компоненти на нуклеинови киселини.

Такива способности имат E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Микроорганизмите могат да се използват и при извличането на въглища от руди. Литотрофните бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляват железен сулфат до железен сулфат. Сулфатният оксид на желязото от своя страна окислява четиривалентния уран, в резултат на което уранът под формата на сулфатни комплекси се утаява в разтвор. Уранът се извлича от разтвор чрез хидрометалургични методи.

В допълнение към урана, други метали, включително злато, могат да бъдат излужени от разтвори. Бактериалното излугване на метали поради окисляването на сулфидите, съдържащи се в рудата, прави възможно извличането на метали от лошо балансирани руди.

Много изгоден и енергийно ефективен начин за превръщане на органичната материя в гориво е метаногенезата с участието на многокомпонентна микробна система. Метанобразуващите бактерии заедно с ацетоногенната микрофлора превръщат органичните вещества в смес от метан и въглероден диоксид.

Микроорганизмите могат да се използват не само за производство на газообразни горива, но и за увеличаване на производството на нефт.

Микроорганизмите могат да образуват повърхностно активни вещества, които намаляват повърхностното напрежение на границата между маслото и водата, която го измества. Изместващите свойства на водата се увеличават с увеличаване на вискозитета, което се постига чрез използването на бактериална слуз, състояща се от полизахариди.

Със съществуващите методи за разработване на нефтени находища се извличат не повече от половината от геоложките петролни запаси. С помощта на микроорганизми е възможно да се осигури измиването на нефт от резервоарите и освобождаването му от нефтени шисти.

Бактериите, окисляващи метан, поставени в масления слой, разлагат маслото и допринасят за образуването на газове (метан, водород, азот) и въглероден диоксид. Тъй като газовете се натрупват, тяхното налягане върху маслото се увеличава и освен това маслото става по-малко вискозно. В резултат на това петролът от кладенеца започва да избликва.

Трябва да се помни, че използването на микроорганизми във всякакви условия, включително геоложки, изисква създаването на благоприятни условия за сложна микробна система.

Използването на микробиологичния метод за увеличаване на добива на нефт до голяма степен зависи от геоложката ситуация. Развитието на сулфат-редуциращи бактерии във формацията може да доведе до излишно производство на сероводород и корозия на оборудването и вместо да увеличат порьозността, бактериите и тяхната слуз могат да запушат порите.

Бактериите допринасят за излужването на метали от стари мини, от които се избира руда и от сметища. В промишлеността процесите на микробиологично излугване се използват за получаване на мед, цинк, никел и кобалт.

В зоната на минните изработки, поради окисляването на серните съединения от микроорганизми в рудниците, се образуват и натрупват кисели руднични води. Сярната киселина има разрушителен ефект върху материалите, конструкциите, околната среда и носи метали със себе си. Можете да пречистите водата, да премахнете сулфатите и металите, да направите реакцията алкална с помощта на сулфат-редуциращи бактерии.

Биогенното образуване на сероводород може да се използва за пречистване на водите на металургичните индустрии. Анаеробните фотосинтезиращи бактерии причиняват дълбоко разлагане на органичната материя.

Открити са бактериални щамове, способни да обработват пластмасови изделия.

Внасянето на излишни антропогенни вещества води до нарушаване на установения природен баланс.

В началните етапи от развитието на индустрията беше достатъчно да се разпръснат замърсителите във водни течения, от които те бяха отстранени чрез естествено самопречистване. Газообразните вещества бяха разпръснати във въздуха през високи тръби.

В днешно време изхвърлянето на отпадъци се превърна в много сериозен проблем.

В пречиствателните системи при пречистване на вода от органични вещества се използва биологичен метод, използващ система от смесена микрофлора (аеробни бактерии, водорасли, протозои, бактериофаги, гъби), активна утайка, биофилм, окисляващи входящи вещества.

Представителите на микробната смес допринасят за интензифицирането на естествените процеси на пречистване на водата. Но трябва да се помни, че условието за стабилната работа на микробната общност е постоянството на състава на околната среда.

Бактериите, фитопланктонът и зоопланктонът се използват за пречистване на отпадъчни води, за да се поддържа качеството на повърхностните и подпочвените води. Биологичното пречистване на отпадъчни води може да се извършва на различни нива – преди заустването им във водоем, в самите повърхностни води, в подпочвените води при процеси на самопречистване.

Микроорганизмите се използват широко в биологичното пречистване на морските води от нефтопродукти.

Процесът трябва да се осигури чрез подаване на кислород в достатъчни количества при постоянна температура.

Една от задачите на биотехнологията е разработването на технология за получаване на протеини с помощта на микроорганизми от различни видове растителни субстрати, от метан и пречистен водород, от смес от водород и въглероден оксид, от въглеводороди от тежки масла с помощта на метилотрофни дрожди или бактерии, Candida tropicalis, метаноокисляващи и разлагащи целулоза бактерии и други микроби.

Използването на активни щамове от видове микроскопични гъбички допринася за обогатяването на такива фуражи като смесен фураж, целулоза, трици с протеини и аминокиселини. За целта се използват подбрани нетоксични бързорастящи видове термо- и мезофилни микромицети Fusarium sp., Thirlavia sp., както и някои видове висши гъби.

Друг пример за промишлено използване на гъби в биотехнологиите е култивирането на ентомопатогенни видове гъби, по-специално Beanvtria bassiana и Entomophthora thaxteriana за получаване на препарати "боверин" и "афедин", използвани за борба с фитопатогенните листни въшки.

Селектирани щамове на естествения хиперсинтетичен каротин на гъбата Blakeslee trispora се използват в промишленото производство на каротин, който е важен в процесите на растеж и развитие на животните, повишавайки устойчивостта им към заболявания.

Избрани щамове на Trichoderma viride се използват в промишленото производство на препарата триходермин, базиран на тях, за борба с фитопатогенните гъбички, особено при отглеждане на растения в оранжерийни условия (Fusarium по краставици, болести по цъфтящи растения).

Фосфобактеринът, получен от Baccilus megathrtium, е ефективно средство за увеличаване на добива на кръмно цвекло, зеле, картофи и царевица. Под въздействието на това лекарство се увеличава съдържанието на разтворим фосфор в ризосферната почва, както и фосфор и азот в зелената маса.

Най-важното условие за висока продуктивност на бобовите растения е подобряването на синтеза на азотни вещества от бобовите растения за сметка на атмосферния азот. Нодулните микроби от родовете Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, видовете Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum играят важна роля в усвояването на атмосферния азот от растенията.

От клетките на Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерии от родовете Chromatium и Klebsiella са получени азотфиксиращи препарати, които насърчават усвояването на азота от въздуха от растенията.

В селското стопанство, за да се увеличи производителността, се използват бактериални торове като Azotobacterin (приготвен от Azotobacter), Nitragin (от нодулни бактерии), Phosphobacterin (от Bac. Megatherium).

Селското стопанство използва торове и пестициди. Веднъж попаднали в естествената среда, тези вещества оказват негативно влияние върху естествените взаимоотношения в биоценозите и в крайна сметка по хранителната верига тези вещества оказват негативно влияние върху човешкото здраве. Положителна роля в унищожаването на тези вещества във водата играят аеробните и анаеробните микроорганизми.

В селското стопанство се използва биологична защита на растенията от вредители. За целта се използват различни организми – бактерии, гъбички, вируси, протозои, птици, бозайници и други организми.

Идеята за микробиологичен метод за борба с вредителите е представена за първи път от Мечников през 1879 г.

В днешно време се правят микробиологични препарати, които унищожават много вредни насекоми.

С помощта на ентеробактерин можете да се борите с почти всички гъсеници на пеперуди. Сред вредителите по овощни и ягодоплодни растения са ябълков молец, глог, дантела, копринена буба, листни червеи и др.

Вирусното лекарство вирин е много ефективно срещу гъсеници, които увреждат горските дървесни видове.

Почвените микроорганизми са една от най-големите екологични групи. Те играят важна роля в минерализацията на органичните вещества и образуването на хумус. В селското стопанство почвените микроорганизми се използват за производство на торове.

Някои видове почвени микроорганизми - бактерии, гъби (главно аскомицети), протозои влизат в сложни асоциации (асоциации) с водорасли, които са компоненти както на водните, така и на почвените биоценози.

Водораслите, като активни компоненти на почвената микрофлора, играят важна роля в биологичния цикъл на пепелните елементи.

Водораслите заедно с други микроорганизми се използват в биотехнологиите.

От повече от 100 хиляди известни микроорганизми, само няколкостотин вида се използват в промишлеността, тъй като индустриалният щам трябва да отговаря на редица строги изисквания:

1) растат на евтини субстрати;

2) имат висок темп на растеж или дават висок добив на продукт за кратко време;

3) показват синтетична активност към желания продукт; образуването на странични продукти трябва да е ниско;

4) да са стабилни по отношение на производителността и изискванията на условията на отглеждане;

5) да са устойчиви на фаги и други видове инфекции;

6) да са безвредни за хората и околната среда;

7) желателни са термофилни, ацидофилни (или алкофилни) щамове, тъй като с тях е по-лесно да се поддържа стерилност в производството;

8) анаеробните щамове представляват интерес, тъй като аеробните щамове създават трудности при култивирането - те изискват аерация;

9) полученият продукт трябва да има икономическа стойност и лесно да се изолира.

В практиката се използват щамове от четири групи микроорганизми:

- мая;

- нишковидни гъби (плесени);

– бактерии;

- аскомицети.

Терминът "дрожди" в строгия смисъл на думата няма таксономично значение. Това са едноклетъчни еукариоти, принадлежащи към три класа: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Аскомицетите включват преди всичко Saccharomyces cerevisiae, някои щамове от които се използват в пивоварството, винопроизводството, производството на хляб и етилов алкохол.

Ascomycetes Saccharomyces lipolytica разграждат маслените въглеводороди и се използват за получаване на протеинова маса.

Deuteromycete Candida utilis се използва като източник на протеини и витамини и се отглежда върху нехранителни суровини: сулфитни течности, дървесни хидролизати и течни въглеводороди.

Deuteromycete Trichosporon cutaneum окислява много органични съединения, включително токсични (например фенол), и се използва за пречистване на отпадъчни води.

Използване на мицелни гъби:

– при получаване на органични киселини: лимонена (Aspergillus niger), глюконова (Aspergillus niger), итаконова (Aspergillus terreus), фурмарова (Rhizopus chrysogenum);

- при получаване на антибиотици (пеницилин и цефалоспорин);

– при производството на специални видове сирена: Камамбер (Penicillium camamberti), Рокфор (Penicillium roqueforti);

- предизвикват хидролиза в твърди среди: в оризовото нишесте при получаване на саке, в соевите зърна при получаване на темпе, мисо.

Полезните бактерии се наричат ​​еубактерии.

Млечнокисели бактерии от родовете Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus отдавна се използват промишлено.

Оцетнокиселите бактерии от родовете Acetobater, Gluconobacter превръщат етанола в оцетна киселина.

Бактериите от рода Bacillus се използват за производство на токсини, които са вредни за насекомите, както и за синтезиране на антибиотици и аминокиселини.

Бактериите от род Corynebacterium се използват за производство на аминокиселини.

От актиномицетите най-представителни са родовете Streptomyces и Micromonospora, които се използват като продуценти на антибиотици. При растеж върху твърда среда актиномицетите образуват тънък мицел с въздушни хифи, които се диференцират във вериги от конидиоспори.

В момента с помощта на микроорганизми се синтезират следните съединения:

- алкалоиди,

- аминокиселини,

- антибиотици,

- антиметаболити,

– антиоксиданти,

- протеини,

- витамини,

- хербициди,

– ензимни инхибитори,

- инсектициди,

- йонофори,

- коензими

- липиди,

- нуклеинова киселина,

- нуклеотиди и нуклеозиди

- оксиданти,

- органични киселини

- пигменти,

- повърхностно активни вещества,

- полизахариди,

- антихелминтни средства,

– противоракови агенти,

- разтворители,

- хормони на растежа на растенията

- захар,

- стероли и преобразувани вещества,

– транспортни фактори на желязо,

- фармацевтични субстанции

- ензими

- емулгатори.

2 ПРОИЗВОДСТВО НА ЕДНОКЛЕТЪЧНИ ПРОТЕИНИ

ОРГАНИЗМИ

^

2.1 Възможността за използване на микроорганизми за

производство на протеини

В съответствие с нормите на хранене, човек трябва да получава от 60 до 120 g пълноценен протеин дневно с храната.

За поддържане на жизнените функции на организма, изграждане на клетки и тъкани, е необходим постоянен синтез на различни протеинови съединения. Ако растенията и повечето микроорганизми са способни да синтезират всички аминокиселини от въглероден диоксид, вода, амоняк и минерални соли, то хората и животните не могат да синтезират някои аминокиселини (валин, левцин, изолевцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин). Тези аминокиселини се наричат ​​незаменими. Те трябва да идват от храната. Недостигът им причинява тежки заболявания при хората и намалява продуктивността на селскостопанските животни.

В момента световният протеинов дефицит е около 15 милиона тона. Най-обещаващият микробиологичен синтез. Ако за говеда са необходими 2 месеца за удвояване на протеиновата маса, за прасета - 1,5 месеца, за пилета - 1 месец, то за бактерии и дрожди - от 1 до 6 часа. Световното производство на хранителни протеинови продукти, дължащо се на микробен синтез, е повече от 15 хиляди тона годишно.

Помислете за пример: времето за удвояване на Escherichia coli е 20 минути, след това след 20 минути от една клетка се образуват две дъщерни клетки, след 40 минути - четири "внучки", след 60 минути - осем "правнучки", след 80 минути - 16 "пра-правнучки". След 10 часа и 40 минути от една бактерия ще се образуват повече от 6 милиарда бактерии, което отговаря на населението на Земята, а след 44 часа от една бактерия с тегло 1 10 -12 g ще се образува биомаса в количество от 6 10 24 g, което съответства на масата на Земята.

Използването на различни микроорганизми като източници на протеини и витамини се дължи на следните фактори:

А) възможността за използване на различни химични съединения за култивиране на микроорганизми, включително производствени отпадъци;

Б) сравнително проста технология за производство на микроорганизми, която може да се извършва през цялата година; възможността за неговата автоматизация;

В) високо съдържание на протеини (до 60...70%) и витамини, както и въглехидрати, липиди в микробните препарати;

Г) високо съдържание на незаменими аминокиселини в сравнение с растителните протеини;

Д) възможността за насочено генетично въздействие върху химичния състав на микроорганизмите с цел подобряване на протеиновата и витаминната стойност на продукта.

За промишленото производство на хранителни продукти на базата на микроорганизми са необходими внимателни биомедицински изследвания. Такива продукти трябва да бъдат подложени на цялостни тестове за идентифициране на канцерогенни, мутагенни, ембриотропни ефекти върху хора и животни. Токсикологичните изследвания, смилаемостта на продуктите от микробния синтез са основните критерии за целесъобразността на технологията на тяхното производство.

За производството на протеини се използват дрожди, бактерии, водорасли и нишковидни гъби.

Предимството на дрождите пред другите микроорганизми е тяхната технологичност: устойчивост на инфекции, лекота на отделяне от средата поради големия размер на клетките. Те са в състояние да натрупат до 60% протеин, богат на лизин, треонин, валин и левцин (тези аминокиселини са оскъдни в растителните храни). Масовата част на нуклеиновите киселини е до 10%, което има вредно въздействие върху организма. В резултат на тяхната хидролиза се образуват много пуринови основи, които след това се превръщат в пикочна киселина и нейните соли, които са причина за уролитиаза, остеохондроза и други заболявания. Оптималната норма на добавяне на маса на дрожди към храната на селскостопанските животни е от 5 до 10% сухо вещество. Маята се използва за хранителни и фуражни цели.

Предимствата на бактериите са високата скорост на растеж и способността да синтезират до 80% от протеина. Полученият протеин съдържа много дефицитни аминокиселини: метионин и цистеин. Недостатъците са малкият размер на клетките и ниската им концентрация в хранителната среда, което усложнява процеса на изолиране. Някои бактериални липиди могат да съдържат токсини. Масова фракция на нуклеиновите киселини до 16%. Използва се само за фуражни цели.

Предимствата на водораслите са високото съдържание на пълноценен по аминокиселинен състав протеин, натрупващ се в количество от 65%, лесно изолиране на водораслите от хранителната среда, ниско съдържание на нуклеинови киселини - 4% (за сравнение - във висшите растения 1 ... 2%). Водораслите се използват за хранителни и фуражни цели.

Мускулните гъби традиционно се използват като хранителен продукт в африканските страни, в Индия, Индонезия, Китай и др. Те натрупват до 50% протеин, който по аминокиселинен състав се доближава до протеина от животински произход, богати са на Витамини от група В. Клетъчните стени са тънки и лесно се усвояват в стомашно-чревния тракт.чревния тракт на животните. Масовата част на нуклеиновите киселини е 2,5%.

От 1985 г. микробният протеин се използва в хранително-вкусовата промишленост за производството на различни продукти и полуфабрикати.

Разглеждат се три основни приложения на микробния протеин в производството на храни:

1) цялата маса (без разрушаване на клетъчните стени);

2) частично пречистена биомаса (предвидено е разрушаване на клетъчните стени и отстраняване на нежелани компоненти);

3) протеини, изолирани от биомаса (изолати).

СЗО (Световната здравна организация) заключава, че протеинът на микроорганизмите може да се използва в храната, но допустимото количество нуклеинови киселини, въведено с протеина в диетата на възрастен, не трябва да надвишава 2 g на ден. Въвеждането на микробен протеин не предизвиква негативни последици, но възникват алергични реакции, стомашни заболявания и др.