1 I microrganismi sono utilizzati nella produzione industriale. Uso industriale dei microrganismi

L'ampia distribuzione di microrganismi indica il loro enorme ruolo in natura. Con la loro partecipazione avviene la decomposizione di varie sostanze organiche nei suoli e nei corpi idrici, determinano la circolazione di sostanze ed energia in natura; dalla loro attività dipendono la fertilità del suolo, la formazione di carbone, petrolio e molti altri minerali. I microrganismi sono coinvolti nell'erosione delle rocce e in altri processi naturali.

Molti microrganismi sono utilizzati nella produzione industriale e agricola. Pertanto, la cottura al forno, la produzione di prodotti a base di latte fermentato, la vinificazione, la produzione di vitamine, enzimi, proteine ​​​​di alimenti e mangimi, acidi organici e molte sostanze utilizzate in agricoltura, industria e medicina si basano sull'attività di vari microrganismi. L'uso di microrganismi nella produzione agricola e nell'allevamento è particolarmente importante. Da essi dipendono l'arricchimento del suolo con azoto, il controllo dei parassiti delle colture agricole con l'ausilio di preparati microbici, la corretta preparazione e conservazione dei mangimi, la creazione di proteine ​​dei mangimi, antibiotici e sostanze microbiche per l'alimentazione animale.

I microrganismi hanno un effetto positivo sui processi di decomposizione di sostanze di origine non naturale - xenobiotici, sintetizzati artificialmente, che cadono nei suoli e nei corpi idrici e li inquinano.

Insieme ai microrganismi benefici, esiste un ampio gruppo di cosiddetti microrganismi patogeni, o patogeni, che causano varie malattie di animali agricoli, piante, insetti e umani. Come risultato della loro attività vitale, sorgono epidemie di malattie contagiose dell'uomo e degli animali, che influiscono sullo sviluppo dell'economia e delle forze produttive della società.

Gli ultimi dati scientifici non solo hanno notevolmente ampliato la comprensione dei microrganismi del suolo e dei processi che provocano nell'ambiente, ma hanno anche permesso di creare nuove industrie nell'industria e nella produzione agricola. Ad esempio, sono stati scoperti antibiotici secreti dai microrganismi del suolo ed è stata dimostrata la possibilità del loro utilizzo per il trattamento di esseri umani, animali e piante, nonché per la conservazione di prodotti agricoli. È stata scoperta la capacità dei microrganismi del suolo di formare sostanze biologicamente attive: vitamine, aminoacidi, stimolanti della crescita delle piante - sostanze di crescita, ecc. Sono stati trovati modi per utilizzare le proteine ​​​​dei microrganismi per l'alimentazione degli animali da allevamento. Sono stati identificati preparati microbici che migliorano il flusso di azoto nel suolo dall'aria.

La scoperta di nuovi metodi per ottenere forme ereditarie modificate di microrganismi benefici ha permesso di utilizzare i microrganismi in modo più ampio nella produzione agricola e industriale, nonché in medicina. Lo sviluppo del gene o dell'ingegneria genetica è particolarmente promettente. I suoi risultati hanno assicurato lo sviluppo della biotecnologia, l'emergere di microrganismi altamente produttivi che sintetizzano proteine, enzimi, vitamine, antibiotici, sostanze di crescita e altri prodotti necessari per l'allevamento e la produzione agricola.

L'umanità è sempre stata a contatto con i microrganismi, per millenni senza nemmeno saperlo. Da tempo immemorabile le persone hanno osservato la fermentazione della pasta, preparato bevande alcoliche, latte fermentato, prodotto formaggio, sofferto di varie malattie, comprese quelle epidemiche. La prova di quest'ultimo nei libri biblici è un'indicazione di una malattia epidemica (probabilmente una peste) con raccomandazioni per bruciare cadaveri ed eseguire abluzioni.

Tuttavia, fino alla metà del secolo scorso, nemmeno nessuno immaginava che vari tipi di processi di fermentazione e malattie potessero essere il risultato dell'attività di creature trascurabili.

Nelle sezioni precedenti, hai già appreso alcune delle tecniche per lavorare con microrganismi e ho avuto l'opportunità di provare queste tecniche in esperienza. Nel passaggio dalla scala di laboratorio alla scala industriale, i biotecnologi devono risolvere molti problemi in vari rami della scienza, tra cui la bioingegneria, la chimica e la biologia. Quando si prendono decisioni nella produzione industriale di batteri, è importante considerare gli aspetti economici, sociali ed etici. In questa sezione, toccheremo alcuni aspetti pratici della produzione su larga scala, e nelle sezioni successive prenderemo in considerazione esempi specifici di produzione microbiologica e problemi correlati.

Uso di microrganismi nella produzione industriale è possibile per i seguenti motivi:
1) i microrganismi hanno esigenze nutrizionali semplici;
2) nei fermentatori (grandi recipienti in cui crescono i microrganismi), le condizioni di crescita possono essere controllate in modo molto preciso;
3) i microrganismi sono caratterizzati da elevati tassi di crescita;
4) le reazioni possono essere effettuate a temperature inferiori rispetto agli impianti chimici convenzionali; la bolletta energetica viene ridotta di conseguenza;
5) i microrganismi forniscono una maggiore resa del prodotto e la sua maggiore specificità rispetto alla produzione chimica convenzionale;
6) può utilizzare e produrre una vasta gamma di composti chimici;
7) è possibile produrre alcuni composti chimici complessi, come ormoni e antibiotici, difficilmente ottenibili con altri metodi, nonché isomeri specifici (come gli L-amminoacidi);
8) la genetica dei microrganismi è relativamente semplice e i metodi di manipolazione genetica con essi sono in continua evoluzione.

Tuttavia, la necessità di metodi speciali come come metodi di sterilizzazione e metodi di separazione complessi, possono portare a un aumento significativo dei requisiti tecnici del processo.

Selezione

Lo sappiamo per microrganismi caratterizzati da un'enorme varietà di reazioni chimiche che possono svolgere e dai prodotti che formano. Tuttavia, solo una piccola parte del loro potenziale viene utilizzata nella produzione industriale. Le aziende commerciali, in particolare le aziende farmaceutiche, sono costantemente alla ricerca di microrganismi che possano essere utili. Nella speranza di scoprire nuovi prodotti commercialmente importanti o modi più efficienti per ottenere prodotti esistenti, i microrganismi vengono raccolti e coltivati ​​da tutto il mondo, da un'ampia varietà di habitat. Molto spesso si tratta di un lavoro puramente empirico, nel senso che il caso gioca un ruolo essenziale in ogni scoperta. Il controllo dei microrganismi in questo modo è chiamato screening. Un buon esempio è lo screening in corso che viene fatto per scoprire nuovi antibiotici. Il primo antibiotico fu scoperto nel 1928 da Alexander Fleming e chiamato penicillina dal fungo Penicillina che lo produce. Gli antibiotici naturali sono sostanze chimiche sintetizzate da microrganismi che uccidono altri microrganismi o ne inibiscono la crescita. Dal 1928, più di 5.000 diversi antibiotici sono stati isolati da microrganismi, tra cui diverse penicilline con strutture e attività leggermente diverse. La maggior parte degli antibiotici scoperti non sono adatti per scopi medici, principalmente a causa della loro elevata tossicità. Tuttavia, i membri del genere Streptomyces hanno dimostrato di essere una fonte estremamente ricca di vari antibiotici, inclusa la streptomicina.

Antibiotici sono usati per trattare malattie batteriche o fungine nell'uomo e negli animali domestici. Alcuni di loro inibiscono anche la crescita di tumori cancerosi. Apparentemente, gli antibiotici sono prodotti del metabolismo secondario. Con uno screening sistematico, c'è sempre la speranza di trovare un nuovo "farmaco miracoloso" o microrganismo che produca un antibiotico noto ma con proprietà migliorate.

L'anello principale del processo biotecnologico, che ne determina l'intera essenza, è un oggetto biologico in grado di effettuare una certa modifica della materia prima e formare l'uno o l'altro prodotto necessario. Cellule di microrganismi, animali e piante, animali e piante transgenici, nonché sistemi enzimatici multicomponenti di cellule e singoli enzimi possono fungere da tali oggetti di biotecnologia.

La base della maggior parte delle moderne industrie biotecnologiche è ancora la sintesi microbica, cioè la sintesi di varie sostanze biologicamente attive con l'aiuto di microrganismi. Sfortunatamente, gli oggetti di origine vegetale e animale, per una serie di motivi, non hanno ancora trovato un'applicazione così ampia.

Indipendentemente dalla natura dell'oggetto, la fase primaria nello sviluppo di qualsiasi processo biotecnologico è ottenere colture pure di organismi (se si tratta di microbi), cellule o tessuti (se si tratta di organismi più complessi - piante o animali). Molte fasi di ulteriori manipolazioni con questi ultimi (cioè con cellule vegetali o animali), infatti, sono i principi e i metodi utilizzati nella produzione microbiologica. Entrambe le colture di cellule microbiche e colture di tessuti di piante e animali praticamente non differiscono dalle colture di microrganismi da un punto di vista metodologico.

Il mondo dei microrganismi è estremamente vario. Attualmente

relativamente ben caratterizzato (o noto) più di 100 mila specie diverse. Si tratta principalmente di procarioti (batteri, actinomiceti, rickettsia, cianobatteri) e parte di eucarioti (lieviti, funghi filamentosi, alcuni protozoi e alghe). Con una così ampia varietà di microrganismi, un problema molto importante, e spesso complesso, è la scelta corretta dell'esatto organismo che è in grado di fornire il prodotto desiderato, cioè servire a scopi industriali. I microrganismi sono divisi in industriali e non industriali, questi sono i microrganismi utilizzati nella produzione industriale - industriale e quelli non utilizzati - non industriali.

La base della produzione industriale sono pochi, ma studiati a fondo, gruppi di microrganismi che fungono da oggetti modello nello studio dei processi vitali fondamentali. Tutti gli altri microrganismi non sono stati studiati da genetisti, biologi molecolari e ingegneri genetici o sono stati studiati in misura molto limitata. I primi includono Escherichia coli (E. coli), bacillo di fieno (Bac. subtilis) e lievito di birra (S. cerevisiae).

Molti processi biotecnologici utilizzano un numero limitato di microrganismi classificati come GRAS (generalmente riconosciuti come sicuri). Tali microrganismi includono batteri Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, altri tipi di bacilli e lattobacilli, specie Streptomyces. Ciò include anche specie di funghi Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus e lievito Saccharomyces, ecc. I microrganismi GRAS non sono patogeni, non tossici e generalmente non formano antibiotici, pertanto, quando si sviluppa un nuovo processo biotecnologico, ci si dovrebbe concentrare su questi microrganismi come oggetti fondamentali della biotecnologia.

L'industria della microbiologia oggi utilizza migliaia di ceppi di centinaia di specie microbiche che sono state inizialmente isolate da fonti naturali in base alle loro proprietà benefiche e poi (principalmente) migliorate utilizzando vari metodi. In connessione con l'espansione della produzione e della gamma di prodotti, sempre più rappresentanti del mondo dei microbi sono coinvolti nell'industria microbiologica. Dovrebbe essere realizzato che nel prossimo futuro nessuno di loro sarà studiato nella stessa misura di E.coli e Bac.subtilis. E la ragione di ciò è molto semplice: la colossale laboriosità e l'alto costo di questo tipo di ricerca.

Gli oggetti biotecnologici più comuni sono:

Batteri e cianobatteri;

Alga marina;

Protozoi;

Colture cellulari di piante e animali;

Piante - inferiori (anabena-azolla) e superiori - lenticchia d'acqua.

Strutture subcellulari (virus, plasmidi, DNA).

Batteri e cianobatteri

Le funzioni biotecnologiche dei batteri sono diverse.

Batteri acetici, generi Gluconobacter e Acetobacter.

Batteri Gram-negativi che convertono l'etanolo in acido acetico e l'acido acetico in anidride carbonica e acqua.

I rappresentanti del genere Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis vengono utilizzati per ottenere probiotici, sostanze che hanno un effetto antibiotico su altri microrganismi, nonché sugli insetti (B.thuringiensis). Sono batteri gram-positivi che formano endospore.

B.subtilis è un aerobio stretto, mentre B.thuringiensis può vivere anche in condizioni anaerobiche.

I batteri anaerobi sporigeni sono rappresentati dal genere Clostridium. C.acetobutylicum fermenta gli zuccheri in acetone, etanolo, isopropanolo e n-butanolo (fermentazione di acetobutanolo), altre specie possono anche fermentare amido, pectina e vari composti azotati.

I batteri dell'acido lattico includono rappresentanti dei generi Lactobacillus, Leuconostoc e Streptococcus, che non formano spore, sono gram-positivi e insensibili all'ossigeno.

I batteri eterofermentanti del genere Leuconostoc convertono i carboidrati in acido lattico, etanolo e anidride carbonica.

I batteri omofermentanti del genere Streptococcus producono solo acido lattico.

I rappresentanti del genere Lactobacillus forniscono una serie di prodotti diversi insieme all'acido lattico.

Rappresentante del genere Corynebacterium, le cellule gram-positive non mobili C. glutamicum servono come fonte di lisina e glutammato monosodico.

Altri tipi di corinebatteri vengono utilizzati per la lisciviazione microbica dei minerali e lo smaltimento dei rifiuti minerari.

Questa proprietà di alcuni batteri è ampiamente utilizzata, come ad esempio diazotrofia, cioè la capacità di fissare l'azoto atmosferico.

Esistono 2 gruppi di diazotropi:

Simbionti: senza noduli radicali (principalmente licheni), con noduli radicali (legumi);

A vita libera: eterotrofi (azotobacter, clostridium, methylobacter), autotrofi (chlorobium, rhodospirillum e amebobacter).

I batteri sono anche usati per scopi di ingegneria genetica.

I cianobatteri hanno la capacità di fissare l'azoto, il che li rende produttori di proteine ​​molto promettenti. Nel citoplasma delle cellule si deposita un prodotto vicino al glicogeno.

Rappresentanti di cianobatteri come nostoc, spirulina, tricodesmio sono commestibili e vengono mangiati direttamente. Nostok forma delle croste sui calanchi che si gonfiano quando sono bagnate. In Giappone, la popolazione locale mangia gli strati di nostoc formatisi sulle pendici del vulcano e li chiama pane d'orzo Tengu (Tengu è un buon spirito di montagna).

La spirulina (Spirulina platensis) proviene dall'Africa, la regione del lago Ciad.

La Spirulina maxima cresce nelle acque del lago Texcoco in Messico. Anche gli Aztechi lo raccoglievano dalla superficie dei laghi e lo mangiavano.

La spirulina era usata per fare i biscotti, che erano la massa essiccata della spirulina.

L'analisi ha mostrato che la spirulina contiene il 65% di proteine ​​(più della soia), il 19% di carboidrati, il 6% di pigmenti, il 4% di lipidi, il 3% di fibre e il 3% di ceneri. Le proteine ​​sono caratterizzate da un contenuto equilibrato di aminoacidi. La parete cellulare di questa alga è ben digerita.

La spirulina può essere coltivata in stagni aperti o in un sistema chiuso di tubi in polietilene. La resa è molto elevata: si ottengono fino a 20 g di peso secco di alghe per 1 m 2 al giorno, che è circa 10 volte superiore alla resa del grano.

L'industria farmaceutica nazionale produce il farmaco "Splat" basato sul cianobatterio Spirulina platensis. Contiene un complesso di vitamine e microelementi ed è usato come agente tonico e immunostimolante.

Escherichia coli

Escherichia coliè uno degli organismi più studiati. Negli ultimi cinquant'anni è stato possibile ottenere informazioni complete su genetica, biologia molecolare, biochimica, fisiologia e biologia generale. Escherichia coli. È uno scaffale mobile gram-negativo lungo meno di 10 µm. Il suo habitat è l'intestino dell'uomo e degli animali, ma può vivere anche nel suolo e nell'acqua. Di solito, Escherichia coli non è patogeno, ma in determinate condizioni può causare malattie nell'uomo e negli animali.

Grazie alla capacità di moltiplicarsi per semplice divisione su supporti contenenti solo ioni Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- e SO 4 2-, oligoelementi e un carbonio fonte (ad esempio, glucosio ), E. coli divenne un soggetto preferito della ricerca scientifica.

Quando si coltiva E. coli su terreni nutritivi liquidi arricchiti contenenti aminoacidi, vitamine, sali, oligoelementi e una fonte di carbonio, il tempo di generazione (cioè il tempo che intercorre tra la formazione di un batterio e la sua successiva divisione) nella fase di crescita logaritmica a una temperatura di 37°C è di circa 22 minuti.

E. coli può essere coltivato sia in condizioni aerobiche (in presenza di ossigeno) che anaerobiche (senza ossigeno). Tuttavia, per una produzione ottimale di proteine ​​ricombinanti E. coli solitamente cresciuto in condizioni aerobiche.

Se lo scopo della coltivazione di batteri in laboratorio è la sintesi e l'isolamento di una certa proteina, allora le colture vengono coltivate su complessi terreni nutritivi liquidi in fiasche. Per mantenere la temperatura desiderata e garantire una sufficiente aerazione del terreno di coltura, i palloni vengono posti in un bagno d'acqua o in una stanza a temperatura controllata e agitati continuamente. Tale aerazione è sufficiente per la riproduzione cellulare, ma non sempre per la sintesi di una particolare proteina.

La crescita cellulare e la produzione di proteine ​​non sono limitate dal contenuto di fonti di carbonio o azoto nel mezzo nutritivo, ma dal contenuto di ossigeno disciolto: a 20 ° C, è di circa nove milionesimi. Questo diventa particolarmente importante nella produzione industriale di proteine ​​ricombinanti. Per garantire condizioni ottimali per la massima produzione di proteine, vengono progettati fermentatori speciali e vengono creati sistemi di aerazione.

Per ogni organismo vivente esiste un certo intervallo di temperatura ottimale per la sua crescita e riproduzione. Temperature troppo elevate causano la denaturazione delle proteine ​​e la distruzione di altri importanti componenti cellulari, portando alla morte cellulare. A basse temperature, i processi biologici rallentano in modo significativo o si arrestano completamente a causa dei cambiamenti strutturali subiti dalle molecole proteiche.

In base al regime di temperatura che prediligono certi microrganismi, si possono suddividere in termofili (da 45 a 90°C e oltre), mesofili (da 10 a 47°C) e psicrofili (da -5 a 35°C). i microrganismi che si moltiplicano attivamente solo in un certo intervallo di temperatura possono essere uno strumento utile per risolvere diversi problemi biotecnologici. Ad esempio, i termofili spesso forniscono geni che codificano enzimi termostabili che vengono utilizzati nei processi industriali o di laboratorio, mentre gli psicrotrofi geneticamente modificati vengono utilizzati per biodegradare i rifiuti tossici contenuti nel suolo e nell'acqua a basse temperature.

A parte E. coli, molti altri microrganismi sono utilizzati nella biotecnologia molecolare (Tabella 1). Possono essere divisi in due gruppi: microrganismi come fonti di geni specifici e microrganismi creati con metodi di ingegneria genetica per risolvere determinati problemi. I geni specifici includono, ad esempio, un gene che codifica per una DNA polimerasi termostabile, che viene utilizzato nella reazione a catena della polimerasi (PCR) ampiamente utilizzata. Questo gene è stato isolato da batteri termofili e clonato in E. coli. il secondo gruppo di microrganismi comprende, ad esempio, vari ceppi Corinebatterio glutammico, che sono stati geneticamente modificati per aumentare la produzione di amminoacidi importanti dal punto di vista industriale.

Tabella 1. Alcuni microrganismi geneticamente modificati utilizzati in biotecnologia.

Allo stato attuale, si pone il problema di sviluppare una strategia e una tattica di ricerca che consentano, con un ragionevole dispendio di manodopera, di estrarre tutto il meglio dal potenziale di nuovi microrganismi nella creazione di ceppi produttori di importanza industriale adatti per l'uso in processi biotecnologici. L'approccio classico consiste nell'isolare il microrganismo desiderato dalle condizioni naturali.

1. I campioni di materiale vengono prelevati dagli habitat naturali del presunto produttore (vengono prelevati campioni di materiale) e inoculati in un ambiente elettivo che assicuri lo sviluppo predominante del microrganismo di interesse, ovvero si ottengono le cosiddette colture di arricchimento.

2. Il passo successivo è l'isolamento di una coltura pura con ulteriore studio diagnostico differenziale del microrganismo isolato e, se necessario, una determinazione approssimativa della sua capacità produttiva.

Esiste un altro modo per selezionare i microrganismi produttori: questa è la scelta delle specie desiderate dalle raccolte disponibili di microrganismi ben studiati e accuratamente caratterizzati. Ciò, ovviamente, elimina la necessità di eseguire una serie di operazioni ad alta intensità di lavoro.

Il criterio principale per la scelta di un oggetto biotecnologico (nel nostro caso, un microrganismo produttore) è la capacità di sintetizzare il prodotto target. Tuttavia, oltre a questo, la tecnologia del processo stesso può contenere requisiti aggiuntivi, a volte molto, molto importanti, per non dire decisivi. In termini generali, i microrganismi dovrebbero:

Avere un alto tasso di crescita;

1. Gli organismi unicellulari, di regola, sono caratterizzati da tassi di crescita e processi sintetici più elevati rispetto agli organismi superiori. Tuttavia, questo non è il caso di tutti i microrganismi. Ce ne sono alcuni (ad esempio quelli oligotrofici) che crescono molto lentamente, ma sono di un certo interesse, poiché sono in grado di produrre varie sostanze molto preziose.

Smaltire i substrati economici necessari alla loro vita;

2. Particolare attenzione come oggetti di sviluppo biotecnologico è rappresentata dai microrganismi fotosintetici che utilizzano l'energia della luce solare nella loro vita. Alcuni di loro (cianobatteri ed eucarioti fotosintetici) utilizzano la CO2 come fonte di carbonio e alcuni rappresentanti dei cianobatteri, oltre a tutto quanto sopra, hanno la capacità di assimilare l'azoto atmosferico (cioè sono estremamente poco esigenti per i nutrienti).

I microrganismi fotosintetici sono promettenti come produttori di ammoniaca, idrogeno, proteine ​​e numerosi composti organici. Tuttavia, a quanto pare, nel prossimo futuro non dovrebbero essere previsti progressi nel loro utilizzo a causa delle limitate conoscenze fondamentali sulla loro organizzazione genetica e sui meccanismi biologici molecolari dell'attività vitale.

Essere resistenti alla microflora estranea, cioè essere altamente competitivi.

3. Viene prestata una certa attenzione a tali oggetti della biotecnologia come i microrganismi termofili che crescono a 60-80 ° C. Questa loro proprietà è un ostacolo quasi insormontabile allo sviluppo di microflora estranea durante la coltivazione relativamente non sterile, vale a dire è una protezione affidabile contro l'inquinamento Tra i termofili sono stati trovati produttori di alcoli, amminoacidi, enzimi e idrogeno molecolare. Inoltre, il loro tasso di crescita e l'attività metabolica sono 1,5-2 volte superiori a quelli dei mesofili. Gli enzimi sintetizzati dai termofili sono caratterizzati da una maggiore resistenza al calore, alcuni agenti ossidanti, detergenti, solventi organici e altri fattori avversi. Allo stesso tempo, non sono molto attivi a temperature normali. Pertanto, le proteasi di uno dei rappresentanti dei microrganismi termofili sono 100 volte meno attive a 200 C che a 750 C. Quest'ultima è una proprietà molto importante per alcune produzioni industriali.

Tutto quanto sopra fornisce una significativa riduzione del costo di produzione del prodotto target.

Selezione

Una componente integrante nel processo di creazione dei produttori più preziosi e attivi, cioè nella selezione di oggetti nella biotecnologia, è la loro selezione. E il modo generale di selezione è la costruzione consapevole dei genomi in ogni fase della selezione del produttore desiderato. Nello sviluppo delle tecnologie microbiche, un tempo giocavano (e continuano a giocare) un ruolo molto importante metodi basati sulla selezione di varianti modificate spontanee caratterizzate dalle caratteristiche utili necessarie. Con tali metodi, viene solitamente utilizzata la selezione graduale: in ogni fase della selezione, le varianti più attive (mutanti spontanei) vengono selezionate dalla popolazione di microrganismi, da cui vengono selezionati nuovi ceppi più efficaci nella fase successiva.

Il processo di selezione dei produttori più efficaci è notevolmente accelerato quando si utilizza il metodo della mutagenesi indotta.

Poiché vengono utilizzati effetti mutageni, raggi UV, raggi X e radiazioni gamma, alcuni prodotti chimici, ecc.. Tuttavia, anche questa tecnica non è priva di inconvenienti, il principale dei quali è la sua laboriosità e mancanza di informazioni sulla natura dei cambiamenti, poiché lo sperimentatore seleziona in base al risultato finale.

Pertanto, la tendenza odierna è la progettazione consapevole di ceppi di microrganismi con proprietà desiderate basate sulla conoscenza fondamentale dell'organizzazione genetica e dei meccanismi biologici molecolari dell'attuazione delle principali funzioni del corpo.

La selezione di microrganismi per l'industria microbiologica e la creazione di nuovi ceppi sono spesso volte a migliorare la loro capacità produttiva, cioè formazione di un determinato prodotto. La soluzione di questi problemi, in un modo o nell'altro, è associata a un cambiamento nei processi regolatori nella cellula.

I cambiamenti nella velocità delle reazioni biochimiche nei batteri possono avvenire in almeno due modi. Uno di questi è molto veloce (realizzato in pochi secondi o minuti) è quello di cambiare l'attività catalitica delle singole molecole di enzimi. La seconda, più lenta (realizzata nell'arco di molti minuti), consiste nel modificare la velocità di sintesi degli enzimi. Entrambi i meccanismi utilizzano un unico principio di controllo del sistema: il principio del feedback, sebbene esistano anche meccanismi più semplici per regolare l'attività del metabolismo cellulare. Il modo più semplice per regolare qualsiasi via metabolica si basa sulla disponibilità di un substrato o sulla presenza di un enzima. Una diminuzione della quantità del substrato (la sua concentrazione nel mezzo) porta ad una diminuzione della portata di una particolare sostanza attraverso una determinata via metabolica. D'altra parte, un aumento della concentrazione del substrato porta alla stimolazione della via metabolica. Pertanto, indipendentemente da qualsiasi altro fattore, la presenza (disponibilità) del substrato dovrebbe essere considerata come un potenziale meccanismo per qualsiasi via metabolica. A volte un mezzo efficace per aumentare la resa del prodotto bersaglio è aumentare la concentrazione nella cellula di un particolare precursore.

Il modo più comune per regolare l'attività delle reazioni metaboliche nella cellula è la regolazione in base al tipo di retroinibizione.

La biosintesi di molti metaboliti primari è caratterizzata dal fatto che con un aumento della concentrazione del prodotto finale di questa via biosintetica, l'attività di uno dei primi enzimi di questa via è inibita. La presenza di un tale meccanismo di regolazione fu segnalata per la prima volta nel 1953 da A. Novik e L. Szillard, che studiarono la biosintesi del triptofano da parte delle cellule di E. coli. La fase finale della biosintesi di un dato amminoacido aromatico consiste in diversi stadi catalizzati da singoli enzimi.

Questi autori hanno scoperto che in uno dei mutanti di E. coli con alterata biosintesi del triptofano, l'aggiunta di questo amminoacido (che è il prodotto finale di questa via biosintetica) inibisce nettamente l'accumulo di uno dei precursori, l'indolo glicerofosfato, nelle cellule. Anche allora, è stato suggerito che il triptofano inibisce l'attività di alcuni enzimi che catalizzano la formazione di indolo glicerofosfato. Questo è stato confermato.

La moderna biotecnologia si basa sui risultati delle scienze naturali, dell'ingegneria, della tecnologia, della biochimica, della microbiologia, della biologia molecolare e della genetica. I metodi biologici sono utilizzati nella lotta contro l'inquinamento ambientale e i parassiti di organismi vegetali e animali. I risultati della biotecnologia possono includere anche l'uso di enzimi immobilizzati, la produzione di vaccini sintetici, l'uso della tecnologia cellulare nell'allevamento.

Gli ibridomi e gli anticorpi monoclonali da essi prodotti sono ampiamente utilizzati come farmaci diagnostici e terapeutici.

Batteri, funghi, alghe, licheni, virus, protozoi svolgono un ruolo significativo nella vita delle persone. Sin dai tempi antichi, le persone li hanno usati nei processi di panificazione, produzione di vino e birra e in varie industrie. Allo stato attuale, in relazione ai problemi di ottenere preziose sostanze proteiche, aumentare la fertilità del suolo, ripulire l'ambiente dagli inquinanti, ottenere preparati biologici e altri scopi e obiettivi, la gamma di studio e utilizzo dei microrganismi si è notevolmente ampliata. I microrganismi aiutano l'uomo nella produzione di nutrienti proteici efficienti e biogas. Sono utilizzati nell'applicazione di metodi biotecnici di purificazione dell'aria e delle acque reflue, nell'uso di metodi biologici per la distruzione di parassiti agricoli, nella produzione di preparati medicinali, nella distruzione di materiali di scarto.

Alcuni tipi di batteri vengono utilizzati per rigenerare preziosi metaboliti e farmaci, vengono utilizzati per risolvere i problemi di autoregolazione biologica e biosintesi e per purificare i corpi idrici.

I microrganismi, e soprattutto i batteri, sono un oggetto classico per risolvere problemi generali di genetica, biochimica, biofisica e biologia spaziale. I batteri sono ampiamente utilizzati per risolvere molti problemi in biotecnologia.

Le reazioni microbiologiche a causa della loro elevata specificità sono ampiamente utilizzate nei processi di trasformazione chimica di composti di composti naturali biologicamente attivi. Esistono circa 20 tipi di reazioni chimiche che vengono eseguite dai microrganismi. Molti di essi (idrolisi, riduzione, ossidazione, sintesi, ecc.) sono utilizzati con successo in chimica farmaceutica. Quando si producono queste reazioni, vengono utilizzati diversi tipi di batteri, actinomiceti, funghi simili a lieviti e altri microrganismi.

È stata creata un'industria biotecnologica per la produzione di antibiotici, enzimi, interferone, acidi organici e altri metaboliti prodotti da molti microrganismi.

Alcuni funghi dei generi Aspergillus e Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) sono in grado di idrolizzare glucosidi cardiaci, xilosidi e ramnosidi, nonché glicosidi contenenti glucosio, galattosio o arabinosio come zucchero finale . Con l'aiuto di A.terreus si ottiene l'acido nicotinico.

In farmacia si utilizzano trasformazioni microbiologiche per ottenere sostanze o semilavorati fisiologicamente più attivi, la cui sintesi con mezzi puramente chimici si ottiene con grande difficoltà o non è affatto possibile.

Le reazioni microbiologiche sono utilizzate nello studio del metabolismo delle sostanze medicinali, del meccanismo della loro azione, nonché per chiarire la natura e l'azione degli enzimi.

I produttori di sostanze biologicamente attive sono molti protozoi. In particolare, i protozoi che vivono nel rumine dei ruminanti producono l'enzima cellulasi, che favorisce la decomposizione della fibra (cellulosa).

I protozoi sono produttori non solo di enzimi, ma anche di istoni, serotonina, lipopolisaccaridi, lipopolipeptidoglucani, amminoacidi, metaboliti usati in medicina e veterinaria, nell'industria alimentare e tessile. Sono uno degli oggetti utilizzati nelle biotecnologie.

L'agente eziologico della tripanosomiasi sudamericana, Trypanosoma cruzi, è un produttore del farmaco antitumorale crucin e del suo analogo, il tripanosio. Questi farmaci hanno un effetto citotossico sulle cellule dei tumori maligni.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti e Astasia longa sono anche produttori di inibitori dell'antiblastoma.

Il farmaco astazide, prodotto da Astasia longa, ha non solo un effetto antiblastoma, ma anche antibatterico (contro E. coli e Pseudomonas aeruginosa), nonché antiprotozoico (contro Leischmania).

I più semplici sono utilizzati per ottenere acidi grassi polinsaturi, polisaccaridi, istoni, serotonina, enzimi, glucani per l'uso in medicina, oltre che nell'industria alimentare e tessile.

Herpetomona sp. E i Crithidia fasciculate producono polisaccaridi che proteggono gli animali dal Trpanosoma cruzi.

Poiché la biomassa dei protozoi contiene fino al 50% di proteine, i protozoi a vita libera vengono utilizzati come fonte di proteine ​​alimentari per gli animali.

I preparati enzimatici Aspergillus oryzae sono utilizzati nell'industria della birra, mentre gli enzimi A.niger sono utilizzati nella produzione e chiarificazione di succhi di frutta e acido citrico. La cottura dei prodotti da forno è migliorata dall'uso degli enzimi A.oryzae e A.awamori. Nella produzione di acido citrico, aceto, foraggi e prodotti da forno, gli indicatori di prestazione migliorano quando nel processo tecnologico vengono utilizzati Aspergillus niger e actinomiceti. L'uso di preparati di pectinasi purificati dal micelio di A. niger nella produzione di succhi contribuisce ad aumentarne la resa, a ridurre la viscosità e ad aumentare la chiarificazione.

Gli enzimi batterici (Bac.subtilis) sono utilizzati per preservare la freschezza dei prodotti dolciari e dove non è auspicabile una profonda disgregazione delle sostanze proteiche. L'uso di preparati enzimatici di Bac.subtilis nell'industria dolciaria e da forno migliora la qualità e rallenta il processo dei prodotti stantii. Enzimi

Bac.mesentericus attiva la depelazione delle pelli grezze.

I microrganismi sono ampiamente utilizzati nelle industrie alimentari e di fermentazione.

Il lievito di latte è ampiamente utilizzato nell'industria lattiero-casearia. Con il loro aiuto preparano koumiss, kefir. Gli enzimi di questi microrganismi decompongono lo zucchero del latte in alcool e anidride carbonica, per cui il gusto del prodotto migliora e aumenta la sua digeribilità da parte dell'organismo. Quando si ottengono prodotti a base di acido lattico nell'industria lattiero-casearia, viene ampiamente utilizzato il lievito, che non fermenta lo zucchero del latte e non decompone proteine ​​\u200b\u200be grassi. Contribuiscono alla conservazione dell'olio e aumentano la vitalità dei batteri dell'acido lattico. Il lievito filmoso (micoderma) contribuisce alla maturazione dei formaggi lattici.

I funghi Penicillum roqueforti sono utilizzati nella produzione del formaggio Roquefort, mentre i funghi Penicillum camemberi sono utilizzati nel processo di stagionatura del formaggio snack.

Nell'industria tessile è ampiamente utilizzata la fermentazione delle pectine, fornita dall'attività enzimatica di Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. La fermentazione della pectina è alla base della lavorazione iniziale del lino fibroso, della canapa e di altre piante utilizzate per produrre filati e tessuti.

Quasi tutti i composti naturali vengono decomposti dai batteri, a causa della loro attività biochimica, non solo nelle reazioni ossidative che coinvolgono l'ossigeno, ma anche anaerobicamente con tali accettori di elettroni come nitrato, solfato, zolfo, anidride carbonica. I batteri partecipano ai cicli di tutti gli elementi biologicamente importanti e assicurano la circolazione delle sostanze nella biosfera. Molte reazioni chiave del ciclo della materia (ad esempio nitrificazione, denitrificazione, fissazione dell'azoto, ossidazione e riduzione dello zolfo) sono effettuate dai batteri. Il ruolo dei batteri nei processi di distruzione è decisivo.

Molti tipi e varietà di lievito hanno la capacità di fermentare vari carboidrati per formare alcol e altri prodotti. Sono ampiamente utilizzati nell'industria della birra, del vino e dei prodotti da forno. Rappresentanti tipici di tali lieviti sono Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Molti microrganismi, compresi i lieviti e alcuni tipi di funghi microscopici, sono stati a lungo utilizzati nella trasformazione di vari substrati per ottenere vari tipi di prodotti alimentari. Ad esempio, l'uso del lievito per produrre pane poroso dalla farina, l'uso di funghi dei generi Rhisopus, Aspergillus per la fermentazione del riso e della soia, la produzione di prodotti a base di acido lattico utilizzando batteri dell'acido lattico, lievito, ecc.

Mutanti auxotrofici di Candida guillermondii sono usati per studiare la flavinogenesi. I funghi ifali sono in grado di assimilare bene gli idrocarburi di petrolio, paraffina, n-esadecano e gasolio.

Per vari gradi di purificazione di queste sostanze vengono utilizzate specie dei generi Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

I ceppi di Penicillium vengono utilizzati per l'utilizzo degli acidi grassi e gli alcoli grassi secondari vengono lavorati meglio in presenza di ceppi di Penicillium e Trichoderma.

Le specie di funghi Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria sono utilizzate nello smaltimento di paraffine, olio di paraffina, gasolio, idrocarburi aromatici, alcoli polivalenti, acidi grassi.

Il Penicillium vitale viene utilizzato per ottenere un preparato di glucosio ossidasi purificato che inibisce lo sviluppo dei dermatomiceti patogeni Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

L'uso industriale di microrganismi per ottenere nuovi prodotti alimentari ha contribuito alla creazione di industrie come la panificazione e latticini, la produzione di antibiotici, vitamine, aminoacidi, alcoli, acidi organici, ecc.

L'uso di veri batteri lattici (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis, ecc.) o le loro combinazioni con lievito nell'industria alimentare consente di ottenere non solo acido lattico, ma anche acido lattico e prodotti vegetali acidi. Questi includono latte cagliato, matsoni, latte cotto fermentato, panna acida, ricotta, crauti, cetrioli e pomodori sottaceto, formaggi, kefir, pasta di pane acido, kvas di pane, koumiss e altri prodotti. Per la preparazione del latte cagliato e della ricotta si utilizzano Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

Nella preparazione dell'olio si utilizzano batteri aromatizzanti e streptococchi lattici Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Falsi batteri lattici (E. coli commune, Bact. Lactis aerogenes, ecc.) sono coinvolti nei processi di insilamento del foraggio verde.

Tra i metaboliti di una cellula microbica, un posto speciale è occupato da sostanze di natura nucleotidica, che sono prodotti intermedi nel processo di ossidazione biologica. Queste sostanze sono una materia prima molto importante per la sintesi di derivati ​​dell'acido nucleico, preziosi farmaci antimicrobici e antiblastoma e altre sostanze biologicamente attive per l'industria microbiologica e l'agricoltura.

La sintesi microbiologica rappresenta sostanzialmente le reazioni che avvengono nelle cellule viventi. Per eseguire tale sintesi vengono utilizzati batteri in grado di fosforilare le basi puriniche e pirimidiniche, i loro nucleosidi o analoghi sintetici di componenti a basso peso molecolare degli acidi nucleici.

I geni E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

I microrganismi possono essere utilizzati anche nell'estrazione del carbone dai minerali. I batteri litotrofi (Thiobacillus ferrooxidous) ossidano il solfato ferroso in solfato ferroso. L'ossido di ferro solfato, a sua volta, ossida l'uranio tetravalente, a seguito del quale l'uranio sotto forma di complessi di solfato precipita in soluzione. L'uranio viene estratto dalla soluzione con metodi idrometallurgici.

Oltre all'uranio, altri metalli, compreso l'oro, possono essere lisciviati dalle soluzioni. La lisciviazione batterica dei metalli dovuta all'ossidazione dei solfuri contenuti nel minerale consente di estrarre metalli da minerali scarsamente bilanciati.

Un modo molto redditizio ed efficiente dal punto di vista energetico per convertire la materia organica in combustibile è la metanogenesi con la partecipazione di un sistema microbico multicomponente. I batteri metanogeni, insieme alla microflora acetonogenica, convertono le sostanze organiche in una miscela di metano e anidride carbonica.

I microrganismi possono essere utilizzati non solo per produrre combustibili gassosi, ma anche per aumentare la produzione di petrolio.

I microrganismi possono formare sostanze tensioattive che riducono la tensione superficiale all'interfaccia tra olio e acqua spostandola. Le proprietà di spostamento dell'acqua aumentano con l'aumentare della viscosità, che si ottiene mediante l'uso di muco batterico, costituito da polisaccaridi.

Con i metodi esistenti di sviluppo dei giacimenti petroliferi, non viene estratta più della metà delle riserve geologiche di petrolio. Con l'aiuto di microrganismi, è possibile garantire il lavaggio del petrolio dai serbatoi e il suo rilascio dallo scisto bituminoso.

I batteri metano-ossidanti posti nello strato di olio decompongono l'olio e contribuiscono alla formazione di gas (metano, idrogeno, azoto) e anidride carbonica. Man mano che i gas si accumulano, la loro pressione sull'olio aumenta e, inoltre, l'olio diventa meno viscoso. Di conseguenza, l'olio dal pozzo inizia a sgorgare.

Va ricordato che l'uso di microrganismi in qualsiasi condizione, comprese quelle geologiche, richiede la creazione di condizioni favorevoli per un complesso sistema microbico.

L'uso del metodo microbiologico per aumentare la produzione di petrolio dipende in gran parte dalla situazione geologica. Lo sviluppo di batteri che riducono il solfato nella formazione può portare a un'eccessiva produzione di idrogeno solforato e alla corrosione delle apparecchiature e, invece di aumentare la porosità, i batteri e la loro melma possono ostruire i pori.

I batteri contribuiscono alla lisciviazione dei metalli dalle vecchie miniere da cui viene selezionato il minerale e dalle discariche. Nell'industria vengono utilizzati processi di lisciviazione microbiologica per ottenere rame, zinco, nichel e cobalto.

Nella zona di lavorazione della miniera, a causa dell'ossidazione dei composti di zolfo da parte di microrganismi nelle miniere, si formano e si accumulano acque di miniera acide. L'acido solforico ha un effetto distruttivo su materiali, strutture, ambiente e porta con sé metalli. Puoi purificare l'acqua, rimuovere solfati e metalli, rendere la reazione alcalina con l'aiuto di batteri che riducono i solfati.

La formazione biogenica di idrogeno solforato può essere utilizzata per purificare le acque delle industrie metallurgiche. I batteri fotosintetici anaerobici causano una profonda decomposizione della materia organica.

Sono stati trovati ceppi batterici in grado di processare prodotti in plastica.

L'introduzione di sostanze antropiche in eccesso porta a una violazione dell'equilibrio naturale stabilito.

Nelle fasi iniziali dello sviluppo dell'industria era sufficiente disperdere gli inquinanti nei corsi d'acqua, dai quali venivano rimossi per autodepurazione naturale. Le sostanze gassose venivano disperse nell'aria attraverso alti tubi.

Al giorno d'oggi, lo smaltimento dei rifiuti è diventato un problema molto serio.

Nei sistemi di depurazione, durante la purificazione dell'acqua da sostanze organiche, viene utilizzato un metodo biologico utilizzando un sistema di microflora mista (batteri aerobici, alghe, protozoi, batteriofagi, funghi), fanghi attivi, biofilm, sostanze ossidanti in entrata.

I rappresentanti della miscela microbica contribuiscono all'intensificazione dei processi naturali di purificazione dell'acqua. Ma va ricordato che la condizione per il funzionamento stabile della comunità microbica è la costanza della composizione dell'ambiente.

Batteri, fitoplancton e zooplancton sono utilizzati per trattare le acque reflue per mantenere la qualità delle acque superficiali e sotterranee. Il trattamento biologico delle acque reflue può essere effettuato a diversi livelli: prima che vengano scaricate in un serbatoio, nelle stesse acque superficiali, nelle acque sotterranee durante i processi di autodepurazione.

I microrganismi sono ampiamente utilizzati nella purificazione biologica delle acque marine dai prodotti petroliferi.

Il processo deve essere assicurato dalla fornitura di ossigeno in quantità sufficiente a temperatura costante.

Uno dei compiti della biotecnologia è lo sviluppo di una tecnologia per ottenere proteine ​​utilizzando microrganismi da vari tipi di substrati vegetali, da metano e idrogeno purificato, da una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, da idrocarburi di olio pesante utilizzando lieviti o batteri metilotrofi, Candida tropicalis, batteri che ossidano il metano e decompongono la cellulosa e altri microbi.

L'uso di ceppi attivi di specie di funghi microscopici contribuisce all'arricchimento di mangimi come foraggi misti, polpa, crusca con proteine ​​e aminoacidi. A tale scopo vengono utilizzate specie selezionate non tossiche a crescita rapida di micromiceti termo e mesofili Fusarium sp., Thirlavia sp., nonché alcuni tipi di funghi superiori.

Un altro esempio di utilizzo industriale dei funghi in biotecnologia è la coltivazione di specie fungine entomopatogene, in particolare Beanvtria bassiana ed Entomophthora thaxteriana per la preparazione di preparati "boverine" e "aphedine" utilizzati per combattere gli afidi fitopatogeni.

Ceppi selezionati del carotene ipersintetico naturale del fungo Blakeslee trispora sono utilizzati nella produzione industriale di carotene, che è importante nei processi di crescita e sviluppo degli animali, aumentandone la resistenza alle malattie.

Ceppi selezionati di Trichoderma viride sono utilizzati nella produzione industriale della preparazione di trichodermin basata su di essi per combattere i funghi fitopatogeni, specialmente quando si coltivano piante in condizioni di serra (cetriolo Fusarium, malattie delle piante da fiore).

La fosfobatterina, ottenuta dal Baccilus megathrtium, è un mezzo efficace per aumentare la resa di barbabietole da foraggio, cavoli, patate e mais. Sotto l'influenza di questo farmaco, aumenta il contenuto di fosforo solubile nel suolo della rizosfera, così come il fosforo e l'azoto nella massa verde.

La condizione più importante per l'elevata produttività delle leguminose è migliorare la sintesi delle sostanze azotate da parte delle leguminose a scapito dell'azoto atmosferico. I microbi noduli dei generi Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, specie Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum svolgono un ruolo importante nell'assimilazione dell'azoto atmosferico da parte delle piante.

Dalle cellule di Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, batteri dei generi Chromatium e Klebsiella, sono stati ottenuti preparati azotofissatori che favoriscono l'assimilazione dell'azoto dall'aria da parte delle piante.

In agricoltura, per aumentare la produttività, vengono utilizzati fertilizzanti batterici come Azotobacterin (preparato da Azotobacter), Nitragin (da batteri noduli), Phosphobacterin (da Bac. Megatherium).

L'agricoltura utilizza fertilizzanti e pesticidi. Una volta nell'ambiente naturale, queste sostanze hanno un impatto negativo sulle relazioni naturali nelle biocenosi e, in definitiva, lungo la catena alimentare, queste sostanze hanno un impatto negativo sulla salute umana. Un ruolo positivo nella distruzione di queste sostanze nell'acqua è svolto da microrganismi aerobici e anaerobici.

In agricoltura viene utilizzata la protezione biologica delle piante dai parassiti. A tale scopo vengono utilizzati vari organismi: batteri, funghi, virus, protozoi, uccelli, mammiferi e altri organismi.

L'idea di un metodo microbiologico di controllo dei parassiti fu proposta per la prima volta da Mechnikov nel 1879.

Al giorno d'oggi vengono realizzati preparati microbiologici che distruggono molti insetti dannosi.

Con l'aiuto di enterobatteri, puoi combattere quasi tutti i bruchi di farfalle. Tra i parassiti delle piante da frutto e delle bacche ci sono la falena della mela, il biancospino, il lacewing, il baco da seta anellato, i bachi delle foglie, ecc.

Il farmaco virale virin è molto efficace contro i bruchi che danneggiano le specie arboree della foresta.

I microrganismi del suolo sono uno dei più grandi gruppi ecologici. Svolgono un ruolo importante nella mineralizzazione della materia organica e nella formazione dell'humus. In agricoltura, i microrganismi del suolo vengono utilizzati per produrre fertilizzanti.

Alcuni tipi di microrganismi del suolo - batteri, funghi (principalmente ascomiceti), protozoi entrano in complesse associazioni (associazioni) con le alghe, che sono componenti delle biocenosi sia dell'acqua che del suolo.

Le alghe, in quanto componenti attive della microflora del suolo, svolgono un ruolo importante nel ciclo biologico degli elementi della cenere.

Le alghe insieme ad altri microrganismi sono utilizzate nella biotecnologia.

Degli oltre 100mila microrganismi conosciuti, solo poche centinaia di specie sono utilizzate nell'industria, poiché un ceppo industriale deve soddisfare una serie di severi requisiti:

1) crescere su substrati economici;

2) hanno un alto tasso di crescita o danno un'elevata resa di prodotto in breve tempo;

3) mostrare attività sintetica verso il prodotto desiderato; la formazione di sottoprodotti dovrebbe essere bassa;

4) essere stabile in relazione alla produttività e alle esigenze delle condizioni di coltivazione;

5) essere resistente ai fagi e ad altri tipi di infezioni;

6) essere innocui per le persone e per l'ambiente;

7) sono desiderabili ceppi termofili, acidofili (o alcofili), poiché con essi è più facile mantenere la sterilità in produzione;

8) i ceppi anaerobici sono interessanti, poiché i ceppi aerobici creano difficoltà nella coltivazione - richiedono aerazione;

9) il prodotto risultante deve avere valore economico ed essere facilmente isolabile.

In pratica vengono utilizzati ceppi di quattro gruppi di microrganismi:

- lievito;

- funghi filamentosi (muffe);

– batteri;

- ascomiceti.

Il termine "lievito" in senso stretto non ha significato tassonomico. Si tratta di eucarioti unicellulari appartenenti a tre classi: Ascomiceti, Basidiomiceti, Deuteromiceti.

Gli ascomiceti includono, prima di tutto, Saccharomyces cerevisiae, alcuni ceppi dei quali sono utilizzati nella produzione di birra, vinificazione, produzione di pane e alcol etilico.

Gli ascomiceti Saccharomyces lipolytica degradano gli idrocarburi dell'olio e vengono utilizzati per ottenere la massa proteica.

Il Deuteromicete Candida utilis è utilizzato come fonte di proteine ​​e vitamine e coltivato su materie prime non alimentari: liquori solfiti, idrolizzati di legno e idrocarburi liquidi.

Il deuteromicete Trichosporon cutaneum ossida molti composti organici, compresi quelli tossici (ad esempio il fenolo), e viene utilizzato nel trattamento delle acque reflue.

I funghi miceliari usano:

– nell'ottenimento degli acidi organici: citrico (Aspergillus niger), gluconico (Aspergillus niger), itaconico (Aspergillus terreus), furmarico (Rhizopus chrysogenum);

- nell'ottenere antibiotici (penicillina e cefalosporina);

– nella produzione di formaggi speciali: Camembert (Penicillium camamberti), Roquefort (Penicillium roqueforti);

- causare idrolisi in mezzi solidi: nell'amido di riso quando si ottiene il sake, nella soia quando si ottiene tempeh, miso.

I batteri benefici sono chiamati eubatteri.

I batteri lattici dei generi Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus sono stati a lungo utilizzati a livello industriale.

I batteri dell'acido acetico dei generi Acetobater, Gluconobacter convertono l'etanolo in acido acetico.

I batteri del genere Bacillus sono utilizzati per produrre tossine dannose per gli insetti, nonché per sintetizzare antibiotici e aminoacidi.

I batteri del genere Corynebacterium sono usati per produrre amminoacidi.

Tra gli actinomiceti, i più rappresentativi sono i generi Streptomyces e Micromonospora, utilizzati come produttori di antibiotici. Quando crescono su terreni solidi, gli actinomiceti formano un sottile micelio con ife aeree, che si differenziano in catene di conidiospore.

Attualmente, con l'aiuto di microrganismi, vengono sintetizzati i seguenti composti:

- alcaloidi,

- aminoacidi,

- antibiotici,

- antimetaboliti,

– antiossidanti,

- proteine,

- vitamine,

- erbicidi,

– inibitori enzimatici,

- insetticidi,

- ionofori,

- coenzimi

- lipidi,

- acidi nucleici,

- nucleotidi e nucleosidi

- ossidanti,

- acidi organici

- pigmenti,

- tensioattivi,

- polisaccaridi,

- agenti antielmintici,

– agenti antitumorali,

- solventi,

- ormoni della crescita delle piante

- zucchero,

- steroli e sostanze convertite,

– fattori di trasporto del ferro,

- sostanze farmaceutiche

- enzimi

- emulsionanti.

2 PRODUZIONE DI PROTEINE UNICELLULARI

ORGANISMI

^

2.1 La fattibilità dell'utilizzo di microrganismi per

produzione di proteine

In conformità con le norme nutrizionali, una persona dovrebbe ricevere da 60 a 120 g di proteine ​​\u200b\u200bcomplete al giorno con il cibo.

Per mantenere le funzioni vitali del corpo, costruendo cellule e tessuti, è necessaria una sintesi costante di vari composti proteici. Se le piante e la maggior parte dei microrganismi sono in grado di sintetizzare tutti gli aminoacidi da anidride carbonica, acqua, ammoniaca e sali minerali, allora gli esseri umani e gli animali non possono sintetizzare alcuni aminoacidi (valina, leucina, isoleucina, lisina, metionina, treonina, triptofano e fenilalanina). Questi aminoacidi sono chiamati essenziali. Devono provenire dal cibo. La loro carenza provoca gravi malattie umane e riduce la produttività degli animali da allevamento.

Attualmente, il deficit proteico mondiale è di circa 15 milioni di tonnellate. La sintesi microbiologica più promettente. Se per i bovini sono necessari 2 mesi per raddoppiare la massa proteica, per i maiali - 1,5 mesi, per i polli - 1 mese, quindi per batteri e lieviti - da 1 a 6 ore. La produzione mondiale di prodotti proteici alimentari dovuti alla sintesi microbica è di oltre 15mila tonnellate all'anno.

Considera un esempio: il tempo di raddoppio di Escherichia coli è di 20 minuti, quindi dopo 20 minuti si formano due cellule figlie da una cellula, dopo 40 minuti - quattro "nipoti", dopo 60 minuti - otto "pronipoti", dopo 80 minuti - 16 "pronipoti". Dopo 10 ore e 40 minuti, da un batterio si formeranno più di 6 miliardi di batteri, che corrisponde alla popolazione della Terra, e dopo 44 ore, da un batterio del peso di 1 10 -12 g, si formerà biomassa nella quantità di 6 10 24 g, che corrisponde alla massa della Terra.

L'uso di vari microrganismi come fonti di proteine ​​​​e vitamine è dovuto ai seguenti fattori:

A) la possibilità di utilizzare vari composti chimici per la coltivazione di microrganismi, compresi gli scarti di produzione;

B) una tecnologia relativamente semplice per la produzione di microrganismi, che può essere effettuata tutto l'anno; la possibilità della sua automazione;

C) alto contenuto di proteine ​​(fino al 60...70%) e vitamine, nonché carboidrati, lipidi nei preparati microbici;

D) elevato contenuto di aminoacidi essenziali rispetto alle proteine ​​vegetali;

E) la possibilità di un'influenza genetica diretta sulla composizione chimica dei microrganismi al fine di migliorare il valore proteico e vitaminico del prodotto.

Per la produzione industriale di prodotti alimentari a base di microrganismi è necessaria un'attenta ricerca biomedica. Tali prodotti devono essere sottoposti a test approfonditi per identificare effetti cancerogeni, mutageni ed embriotropici su esseri umani e animali. Gli studi tossicologici, la digeribilità dei prodotti di sintesi microbica sono i criteri principali per l'opportunità della loro tecnologia di produzione.

Lieviti, batteri, alghe e funghi filamentosi vengono utilizzati per produrre proteine.

Il vantaggio del lievito rispetto ad altri microrganismi è la loro producibilità: resistenza alle infezioni, facilità di separazione dal mezzo grazie alle grandi dimensioni delle cellule. Sono in grado di accumulare fino al 60% di proteine ​​ricche di lisina, treonina, valina e leucina (questi amminoacidi sono scarsi nei cibi vegetali). La frazione di massa degli acidi nucleici è fino al 10%, il che ha un effetto dannoso sul corpo. Come risultato della loro idrolisi si formano molte basi puriniche, che poi si trasformano in acido urico e suoi sali, che sono la causa dell'urolitiasi, dell'osteocondrosi e di altre malattie. Il tasso ottimale di aggiunte di massa di lievito al mangime degli animali da allevamento è compreso tra il 5 e il 10% della sostanza secca. Il lievito è utilizzato per scopi alimentari e mangimi.

I vantaggi dei batteri sono un alto tasso di crescita e la capacità di sintetizzare fino all'80% delle proteine. La proteina risultante contiene molti amminoacidi carenti: metionina e cisteina. Gli svantaggi sono le piccole dimensioni delle cellule e la loro bassa concentrazione nel terreno di coltura, che complica il processo di isolamento. Alcuni lipidi batterici possono contenere tossine. Frazione di massa di acidi nucleici fino al 16%. Utilizzato solo a scopo di alimentazione.

I vantaggi delle alghe sono l'alto contenuto di una proteina completa in termini di composizione aminoacidica, che si accumula nella quantità del 65%, facile isolamento delle alghe dal mezzo di coltura, basso contenuto di acidi nucleici - 4% (per confronto - nelle piante superiori 1 ... 2%). Le alghe sono utilizzate per scopi alimentari e mangimi.

I funghi muscolari sono tradizionalmente utilizzati come prodotto alimentare nei paesi africani, in India, Indonesia, Cina, ecc. Accumulano fino al 50% di proteine, che, in termini di composizione aminoacidica, si avvicinano alle proteine ​​​​di origine animale, sono ricchi di Vitamine del gruppo B. Le pareti cellulari sono sottili e facilmente digeribili nel tratto gastrointestinale tratto intestinale degli animali. La frazione di massa degli acidi nucleici è del 2,5%.

Dal 1985, le proteine ​​microbiche sono state utilizzate nell'industria alimentare per la fabbricazione di vari prodotti e semilavorati.

Tre usi principali delle proteine ​​microbiche sono considerati nella produzione alimentare:

1) massa intera (senza distruzione delle pareti cellulari);

2) biomassa parzialmente purificata (è prevista la distruzione delle pareti cellulari e la rimozione dei componenti indesiderati);

3) proteine ​​isolate da biomassa (isolati).

L'OMS (Organizzazione mondiale della sanità) ha concluso che le proteine ​​dei microrganismi possono essere utilizzate negli alimenti, ma la quantità consentita di acidi nucleici introdotti con le proteine ​​nella dieta di un adulto non deve superare i 2 g al giorno. L'introduzione di proteine ​​​​microbiche non provoca conseguenze negative, ma si verificano reazioni allergiche, malattie gastriche, ecc.