1 Mikroorganizmy sa využívajú v priemyselnej výrobe. Priemyselné využitie mikroorganizmov

Široká distribúcia mikroorganizmov naznačuje ich obrovskú úlohu v prírode. S ich účasťou dochádza k rozkladu rôznych organických látok v pôdach a vodných útvaroch, určujú obeh látok a energie v prírode; Od ich činnosti závisí úrodnosť pôdy, tvorba uhlia, ropy a mnohých ďalších minerálov. Mikroorganizmy sa podieľajú na zvetrávaní hornín a iných prírodných procesoch.

Mnoho mikroorganizmov sa používa v priemyselnej a poľnohospodárskej výrobe. Pečenie, výroba fermentovaných mliečnych výrobkov, výroba vína, výroba vitamínov, enzýmov, potravinových a kŕmnych bielkovín, organických kyselín a mnohých látok používaných v poľnohospodárstve, priemysle a medicíne sú teda založené na činnosti rôznych mikroorganizmov. Obzvlášť dôležité je využitie mikroorganizmov v rastlinnej výrobe a chove zvierat. Závisí od nich obohacovanie pôdy dusíkom, ničenie škodcov poľnohospodárskych plodín pomocou mikrobiálnych prípravkov, správna príprava a skladovanie krmiva, tvorba kŕmnej bielkoviny, antibiotík a mikrobiálnych látok do krmiva pre zvieratá.

Mikroorganizmy priaznivo ovplyvňujú procesy rozkladu látok neprírodného pôvodu - xenobiotík, umelo syntetizovaných, padajúcich do pôd a vodných plôch a znečisťujúcich ich.

Spolu s užitočnými mikroorganizmami existuje veľká skupina takzvaných choroboplodných alebo patogénnych mikroorganizmov, ktoré spôsobujú rôzne choroby poľnohospodárskych zvierat, rastlín, hmyzu a ľudí. V dôsledku ich životne dôležitej činnosti vznikajú epidémie nákazlivých chorôb ľudí a zvierat, čo ovplyvňuje rozvoj ekonomiky a výrobných síl spoločnosti.

Najnovšie vedecké údaje nielenže výrazne rozšírili chápanie pôdnych mikroorganizmov a procesov, ktoré spôsobujú v životnom prostredí, ale umožnili aj vytvorenie nových odvetví v priemysle a poľnohospodárskej výrobe. Napríklad boli objavené antibiotiká vylučované pôdnymi mikroorganizmami a bola preukázaná možnosť ich použitia na liečbu ľudí, zvierat a rastlín, ako aj na skladovanie poľnohospodárskych produktov. Bola objavená schopnosť pôdnych mikroorganizmov vytvárať biologicky aktívne látky: vitamíny, aminokyseliny, stimulátory rastu rastlín - rastové látky atď. Boli nájdené spôsoby využitia proteínu mikroorganizmov na kŕmenie hospodárskych zvierat. Boli identifikované mikrobiálne prípravky, ktoré zlepšujú tok dusíka do pôdy zo vzduchu.

Objav nových metód získavania dedične modifikovaných foriem prospešných mikroorganizmov umožnil širšie využitie mikroorganizmov v poľnohospodárskej a priemyselnej výrobe, ako aj v medicíne. Sľubný je najmä vývoj génového alebo genetického inžinierstva. Jeho úspechy zabezpečili rozvoj biotechnológie, vznik vysoko produktívnych mikroorganizmov syntetizujúcich bielkoviny, enzýmy, vitamíny, antibiotiká, rastové látky a ďalšie produkty potrebné pre chov zvierat a rastlinnú výrobu.

Ľudstvo bolo vždy v kontakte s mikroorganizmami, celé tisícročia bez toho, aby o tom vedelo. Od nepamäti ľudia pozorovali kvasenie cesta, pripravovali alkoholické nápoje, kvasené mlieko, vyrábali syry, trpeli rôznymi chorobami, vrátane epidemických. Dôkazom toho posledného v biblických knihách je označenie epidemického ochorenia (pravdepodobne moru) s odporúčaniami spaľovať mŕtvoly a vykonávať umývanie.

Až do polovice minulého storočia však nikto ani len netušil, že rôzne druhy kvasných procesov a chorôb môžu byť výsledkom činnosti zanedbateľne malých tvorov.

V predchádzajúcich častiach ste sa už naučili niektoré techniky práce mikroorganizmy a mali možnosť vyskúšať si tieto techniky na vlastnej koži. Pri prechode z laboratórneho do priemyselného musia biotechnológovia vyriešiť mnohé problémy v rôznych oblastiach vedy, vrátane bioinžinierstva, chémie a biológie. Pri rozhodovaní o priemyselnej výrobe baktérií je dôležité zvážiť ekonomické, sociálne a etické aspekty. V tejto časti sa dotkneme niektorých praktických aspektov veľkovýroby a v nasledujúcich častiach zvážime konkrétne príklady mikrobiologickej výroby a súvisiacich problémov.

Použitie mikroorganizmov v priemyselnej výrobe je možné z týchto dôvodov:
1) mikroorganizmy majú jednoduché nutričné ​​potreby;
2) vo fermentoroch (veľké nádoby, v ktorých rastú mikroorganizmy) možno veľmi presne kontrolovať podmienky rastu;
3) mikroorganizmy sa vyznačujú vysokou rýchlosťou rastu;
4) reakcie sa môžu uskutočňovať pri nižších teplotách ako v bežných chemických závodoch; účet za energiu sa primerane zníži;
5) mikroorganizmy poskytujú vyšší výťažok produktu a jeho vyššiu špecifickosť ako konvenčná chemická výroba;
6) môže používať a vyrábať širokú škálu chemických zlúčenín;
7) je možné vyrobiť niektoré zložité chemické zlúčeniny, ako sú hormóny a antibiotiká, ktoré sa ťažko získavajú inými metódami, ako aj špecifické izoméry (ako sú L-aminokyseliny);
8) genetika mikroorganizmov je pomerne jednoduchá a metódy genetickej manipulácie s nimi sa neustále vyvíjajú.

Avšak potreba špeciálnych metód ako napr ako metódy sterilizácie a zložité separačné metódy, môže viesť k výraznému zvýšeniu technických požiadaviek procesu.

Skríning

Vieme to pre mikroorganizmy vyznačujú sa obrovským množstvom chemických reakcií, ktoré môžu vykonávať, a produktov, ktoré tvoria. V priemyselnej výrobe sa však využíva len malá časť ich potenciálu. Obchodné spoločnosti, najmä farmaceutické spoločnosti, neustále hľadajú mikroorganizmy, ktoré môžu byť užitočné. V nádeji na objavenie nových komerčne dôležitých produktov alebo efektívnejších spôsobov získania existujúcich produktov sa mikroorganizmy zbierajú a pestujú z celého sveta, zo širokej škály biotopov. Veľmi často ide o čisto empirickú prácu v tom zmysle, že náhoda hrá podstatnú úlohu pri akomkoľvek objave. Kontrola mikroorganizmov týmto spôsobom sa nazýva skríning. Dobrým príkladom je prebiehajúci skríning, ktorý sa robí s cieľom objaviť nové antibiotiká. Prvé antibiotikum objavil v roku 1928 Alexander Fleming a nazval ho penicilín podľa huby Penicilín, ktorá ho produkuje. Prírodné antibiotiká sú chemikálie syntetizované mikroorganizmami, ktoré zabíjajú iné mikroorganizmy alebo inhibujú ich rast. Od roku 1928 bolo z mikroorganizmov izolovaných viac ako 5 000 rôznych antibiotík, vrátane množstva rôznych penicilínov s mierne odlišnou štruktúrou a aktivitou. Väčšina objavených antibiotík je nevhodná na medicínske účely najmä pre ich vysokú toxicitu. Avšak zástupcovia rodu Streptomyces sa ukázali ako mimoriadne bohatý zdroj rôznych antibiotík vrátane streptomycínu.

Antibiotiká sa používajú na liečbu bakteriálnych alebo plesňových ochorení u ľudí a domácich zvierat. Niektoré z nich tiež inhibujú rast rakovinových nádorov. Zdá sa, že antibiotiká sú produkty sekundárneho metabolizmu. Pri systematickom skríningu vždy existuje nádej na nájdenie nového „zázračného lieku“ alebo mikroorganizmu, ktorý produkuje známe antibiotikum, ale so zlepšenými vlastnosťami.

Hlavným článkom biotechnologického procesu, ktorý určuje jeho celú podstatu, je biologický objekt schopný vykonať určitú modifikáciu suroviny a vytvoriť jeden alebo iný potrebný produkt. Takýmito predmetmi biotechnológie môžu byť bunky mikroorganizmov, živočíchov a rastlín, transgénnych živočíchov a rastlín, ako aj viaczložkové enzýmové systémy buniek a jednotlivé enzýmy.

Základom väčšiny moderných biotechnologických odvetví je stále mikrobiálna syntéza, teda syntéza rôznych biologicky aktívnych látok pomocou mikroorganizmov. Žiaľ, predmety rastlinného a živočíšneho pôvodu z viacerých dôvodov ešte nenašli také široké uplatnenie.

Bez ohľadu na povahu objektu je primárnym štádiom vývoja akéhokoľvek biotechnologického procesu získanie čistých kultúr organizmov (ak ide o mikróby), buniek alebo tkanív (ak ide o zložitejšie organizmy - rastliny alebo živočíchy). V mikrobiologickej produkcii sa v skutočnosti používajú mnohé fázy ďalšej manipulácie s bunkami rastlín (t. j. s rastlinnými alebo živočíšnymi bunkami). Tak kultúry mikrobiálnych buniek, ako aj tkanivové kultúry rastlín a živočíchov sa z metodologického hľadiska prakticky nelíšia od kultúr mikroorganizmov.

Svet mikroorganizmov je mimoriadne rozmanitý. V súčasnosti

pomerne dobre charakterizovaných (alebo známych) viac ako 100 tisíc rôznych druhov. Ide predovšetkým o prokaryoty (baktérie, aktinomycéty, rickettsie, sinice) a časť eukaryotov (kvasinky, vláknité huby, niektoré prvoky a riasy). Pri tak širokej škále mikroorganizmov je veľmi dôležitým a často zložitým problémom správna voľba práve toho organizmu, ktorý je schopný poskytnúť požadovaný produkt, t. j. slúžiť na priemyselné účely. Mikroorganizmy sa delia na priemyselné a nepriemyselné, sú to mikroorganizmy, ktoré sa využívajú v priemyselnej výrobe – priemyselná, a tie, ktoré sa nepoužívajú – nepriemyselná.

Základom priemyselnej výroby je niekoľko, ale hlboko študovaných skupín mikroorganizmov, ktoré slúžia ako modelové objekty pri štúdiu základných životných procesov. Všetky ostatné mikroorganizmy neboli študované genetikmi, molekulárnymi biológmi a genetickými inžiniermi vôbec alebo boli študované vo veľmi obmedzenom rozsahu. Medzi prvé patria Escherichia coli (E. coli), senný bacil (Bac. subtilis) a pekárske droždie (S. cerevisiae).

Mnohé biotechnologické procesy využívajú obmedzený počet mikroorganizmov, ktoré sú klasifikované ako GRAS (všeobecne uznávané ako bezpečné). Medzi takéto mikroorganizmy patria baktérie Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, iné typy bacilov a laktobacilov, druhy Streptomyces. Patria sem aj druhy húb Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus a kvasinky Saccharomyces atď. GRAS-mikroorganizmy sú nepatogénne, netoxické a vo všeobecnosti netvoria antibiotiká, preto sa treba pri vývoji nového biotechnologického procesu zamerať tieto mikroorganizmy ako základné predmety biotechnológie.

Mikrobiologický priemysel dnes používa tisíce kmeňov zo stoviek mikrobiálnych druhov, ktoré boli pôvodne izolované z prírodných zdrojov na základe ich prospešných vlastností a potom (väčšinou) vylepšené rôznymi metódami. V súvislosti s rozširovaním výroby a sortimentu produktov sa mikrobiologickému priemyslu venuje čoraz viac zástupcov sveta mikróbov. Treba si uvedomiť, že v dohľadnej dobe nebude žiadna z nich študovaná v takom rozsahu ako E.coli a Bac.subtilis. A dôvod je veľmi jednoduchý – obrovská prácnosť a vysoké náklady na tento druh výskumu.

Najbežnejšie biotechnologické objekty sú:

Baktérie a cyanobaktérie;

Morské riasy;

prvoky;

Bunkové kultúry rastlín a zvierat;

Rastliny - nižšie (anabena-azolla) a vyššie - žaburinka.

Subcelulárne štruktúry (vírusy, plazmidy, DNA).

Baktérie a sinice

Biotechnologické funkcie baktérií sú rôznorodé.

Baktérie kyseliny octovej, rody Gluconobacter a Acetobacter.

Gramnegatívne baktérie, ktoré premieňajú etanol na kyselinu octovú a kyselinu octovú na oxid uhličitý a vodu.

Zástupcovia rodu Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis sa využívajú na získavanie probiotík, látok, ktoré pôsobia antibioticky na iné mikroorganizmy, ako aj na hmyz (B.thuringiensis). Sú to grampozitívne baktérie, ktoré tvoria endospóry.

B.subtilis je prísny aerób, zatiaľ čo B.thuringiensis môže žiť aj v anaeróbnych podmienkach.

Anaeróbne, spórotvorné baktérie sú zastúpené rodom Clostridium. C.acetobutylicum fermentuje cukry na acetón, etanol, izopropanol a n-butanol (acetobutanolová fermentácia), iné druhy môžu fermentovať aj škrob, pektín a rôzne zlúčeniny dusíka.

Medzi baktérie mliečneho kvasenia patria zástupcovia rodov Lactobacillus, Leuconostoc a Streptococcus, ktoré netvoria spóry, sú grampozitívne a necitlivé na kyslík.

Heterofermentatívne baktérie rodu Leuconostoc premieňajú sacharidy na kyselinu mliečnu, etanol a oxid uhličitý.

Homofermentatívne baktérie rodu Streptococcus produkujú iba kyselinu mliečnu.

Zástupcovia rodu Lactobacillus poskytujú množstvo rôznych produktov spolu s kyselinou mliečnou.

Zástupca rodu Corynebacterium, nepohyblivé grampozitívne bunky C. glutamicum slúžia ako zdroj lyzínu a glutamanu sodného.

Iné druhy korynebaktérií sa využívajú na mikrobiálne lúhovanie rúd a likvidáciu banského odpadu.

Táto vlastnosť niektorých baktérií je široko využívaná, ako napr diazotrofia, teda schopnosť fixovať vzdušný dusík.

Existujú 2 skupiny diazotrofov:

Symbionti: bez koreňových uzlín (väčšinou lišajníky), s koreňovými uzlíkmi (strukoviny);

Voľne žijúce: heterotrofy (azotobacter, clostridium, methylobacter), autotrofy (chlorobium, rhodospirillum a amebobacter).

Baktérie sa využívajú aj na účely genetického inžinierstva.

Sinice majú schopnosť fixovať dusík, čo z nich robí veľmi perspektívnych producentov bielkovín. V cytoplazme buniek sa ukladá produkt blízky glykogénu.

Zástupcovia siníc ako nostoc, spirulina, trichodesmium sú jedlé a priamo sa konzumujú. Nostok tvorí kôry na badlands, ktoré napučiavajú, keď sú mokré. V Japonsku miestne obyvateľstvo jedáva vrstvy nostocu vytvorené na svahoch sopky a nazýva ich chlieb z jačmeňa Tengu (Tengu je dobrý horský duch).

Spirulina (Spirulina platensis) pochádza z Afriky – oblasti Čadského jazera.

Spirulina maxima rastie vo vodách jazera Texcoco v Mexiku. Dokonca aj Aztékovia ho zbierali z hladiny jazier a jedli.

Spirulina sa používala na výrobu sušienok, čo bola sušená hmota spiruliny.

Analýza ukázala, že spirulina obsahuje 65 % bielkovín (viac ako sójové bôby), 19 % sacharidov, 6 % pigmentov, 4 % lipidov, 3 % vlákniny a 3 % popola. Proteíny sa vyznačujú vyváženým obsahom aminokyselín. Bunková stena tejto riasy je dobre stráviteľná.

Spirulina sa môže pestovať v otvorených rybníkoch alebo v uzavretom systéme polyetylénových rúr. Výnos je veľmi vysoký: denne sa získa až 20 g suchej hmotnosti rias na 1 m 2 , čo je asi 10-krát viac ako výnos pšenice.

Domáci farmaceutický priemysel vyrába liek "Splat" založený na cyanobaktérii Spirulina platensis. Obsahuje komplex vitamínov a mikroelementov a používa sa ako tonikum a imunostimulačné činidlo.

Escherichia coli

Escherichia coli je jedným z najviac skúmaných organizmov. Za posledných päťdesiat rokov bolo možné získať komplexné informácie z genetiky, molekulárnej biológie, biochémie, fyziológie a všeobecnej biológie. Escherichia coli. Je to gramnegatívna, pohyblivá polica s dĺžkou menšou ako 10 µm. Jeho biotopom sú črevá ľudí a zvierat, no môže žiť aj v pôde a vo vode. Escherichia coli zvyčajne nie je patogénna, ale za určitých podmienok môže spôsobiť ochorenie u ľudí a zvierat.

Vďaka schopnosti množiť sa jednoduchým delením na médiách obsahujúcich iba Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, NH 4 +, Cl -, HPO 4 2- a SO 4 2- ióny, stopové prvky a uhlík zdroj (napríklad glukóza), E. coli sa stal obľúbeným predmetom vedeckého výskumu.

Pri pestovaní E. coli na obohatených tekutých živných pôdach obsahujúcich aminokyseliny, vitamíny, soli, stopové prvky a zdroj uhlíka, generačný čas (t.j. čas medzi vytvorením baktérie a jej ďalším delením) v logaritmickej rastovej fáze pri teplote 37°C je približne 22 minút.

E. coli možno pestovať za aeróbnych (v prítomnosti kyslíka) aj anaeróbnych (bez kyslíka) podmienok. Avšak pre optimálnu produkciu rekombinantných proteínov E. coli zvyčajne pestované v aeróbnych podmienkach.

Ak je cieľom kultivácie baktérií v laboratóriu syntéza a izolácia určitého proteínu, potom sa kultúry pestujú na komplexných tekutých živných médiách v bankách. Aby sa udržala požadovaná teplota a zabezpečilo sa dostatočné prevzdušnenie kultivačného média, banky sa umiestnia do vodného kúpeľa alebo do miestnosti s kontrolovanou teplotou a nepretržite sa pretrepávajú. Takéto prevzdušňovanie je dostatočné na reprodukciu buniek, ale nie vždy na syntézu konkrétneho proteínu.

Bunkový rast a produkcia bielkovín nie sú limitované obsahom zdrojov uhlíka alebo dusíka v živnom médiu, ale obsahom rozpusteného kyslíka: pri 20 °C je to približne deväť milióntin. Toto sa stáva obzvlášť dôležitým pri priemyselnej výrobe rekombinantných proteínov. Na zabezpečenie optimálnych podmienok pre maximálnu produkciu bielkovín sú navrhnuté špeciálne fermentory a vytvorené prevzdušňovacie systémy.

Pre každý živý organizmus existuje určitý teplotný interval, ktorý je optimálny pre jeho rast a rozmnožovanie. Príliš vysoké teploty spôsobujú denaturáciu bielkovín a deštrukciu iných dôležitých bunkových zložiek, čo vedie k bunkovej smrti. Pri nízkych teplotách sa biologické procesy výrazne spomalia alebo úplne zastavia v dôsledku štrukturálnych zmien, ktorým prechádzajú molekuly bielkovín.

Na základe teplotného režimu, ktorý určité mikroorganizmy preferujú, ich možno rozdeliť na termofily (od 45 do 90 °C a viac), mezofyly (od 10 do 47 °C) a psychrofily (od -5 do 35 °C). mikroorganizmy, ktoré sa aktívne množia len v určitom teplotnom rozsahu, môžu byť užitočným nástrojom na riešenie rôznych biotechnologických problémov. Napríklad termofily často poskytujú gény kódujúce termostabilné enzýmy, ktoré sa používajú v priemyselných alebo laboratórnych procesoch, zatiaľ čo geneticky modifikované psychrotrofy sa používajú na biodegradáciu toxických odpadov obsiahnutých v pôde a vode pri nízkych teplotách.

Okrem toho E. coli, mnohé ďalšie mikroorganizmy sa využívajú v molekulárnej biotechnológii (tabuľka 1). Možno ich rozdeliť do dvoch skupín: mikroorganizmy ako zdroje špecifických génov a mikroorganizmy vytvorené metódami genetického inžinierstva na riešenie určitých problémov. Medzi špecifické gény patrí napríklad gén kódujúci termostabilnú DNA polymerázu, ktorá sa používa v široko používanej polymerázovej reťazovej reakcii (PCR). Tento gén bol izolovaný z termofilných baktérií a klonovaný do E. coli. do druhej skupiny mikroorganizmov patria napríklad rôzne kmene Corynebacterium glutamicum, ktoré boli geneticky modifikované za účelom zvýšenia produkcie priemyselne dôležitých aminokyselín.

Tabuľka 1. Niektoré geneticky modifikované mikroorganizmy používané v biotechnológiách.

V súčasnej fáze vyvstáva problém vyvinúť stratégiu a taktiku výskumu, ktorá by umožnila s primeraným vynaložením práce vyťažiť z potenciálu nových mikroorganizmov všetko najcennejšie pri vytváraní priemyselne dôležitých produkčných kmeňov vhodných na použitie v biotechnologických procesoch. Klasickým prístupom je izolácia požadovaného mikroorganizmu z prírodných podmienok.

1. Vzorky materiálu sa odoberú z prirodzených biotopov údajného výrobcu (odoberú sa vzorky materiálu) a naočkujú sa do elektívneho prostredia, ktoré zabezpečuje prevládajúci vývoj záujmového mikroorganizmu, t. j. získavajú sa takzvané obohacovacie kultúry.

2. Ďalším krokom je izolácia čistej kultúry s ďalším diferenciálne diagnostickým štúdiom izolovaného mikroorganizmu a v prípade potreby približným stanovením jeho produkčnej schopnosti.

Existuje aj iný spôsob výberu produkčných mikroorganizmov - to je výber požadovaného druhu z dostupných zbierok dobre preštudovaných a dôkladne charakterizovaných mikroorganizmov. Tým samozrejme odpadá nutnosť vykonávať množstvo prác náročných na prácu.

Hlavným kritériom pre výber biotechnologického objektu (v našom prípade producentského mikroorganizmu) je schopnosť syntetizovať cieľový produkt. Okrem toho však samotná technológia procesu môže obsahovať ďalšie požiadavky, ktoré sú niekedy veľmi, veľmi dôležité, nie rozhodujúce. Vo všeobecnosti by mikroorganizmy mali:

Majú vysokú mieru rastu;

1. Jednobunkové organizmy sa spravidla vyznačujú vyššou rýchlosťou rastu a syntetickými procesmi ako vyššie organizmy. To však neplatí pre všetky mikroorganizmy. Niektoré z nich (napríklad oligotrofné), ktoré rastú extrémne pomaly, sú však zaujímavé, pretože sú schopné produkovať rôzne veľmi cenné látky.

Zlikvidujte lacné substráty potrebné pre ich životnosť;

2. Osobitnú pozornosť ako objekt biotechnologického vývoja predstavujú fotosyntetické mikroorganizmy, ktoré vo svojom živote využívajú energiu slnečného žiarenia. Niektoré z nich (sinice a fotosyntetické eukaryoty) využívajú CO2 ako zdroj uhlíka a niektorí zástupcovia siníc okrem všetkého uvedeného majú schopnosť asimilovať vzdušný dusík (t.j. sú mimoriadne nenároční na živiny).

Fotosyntetické mikroorganizmy sú sľubné ako producenti amoniaku, vodíka, bielkovín a množstva organických zlúčenín. Pokrok v ich používaní v dôsledku obmedzených základných znalostí o ich genetickej organizácii a molekulárno-biologických mechanizmoch vitálnej aktivity by sa však zrejme v blízkej budúcnosti nemal očakávať.

Byť odolný voči cudzej mikroflóre, t. j. byť vysoko konkurencieschopný.

3. Určitá pozornosť sa venuje takým predmetom biotechnológie, ako sú teplomilné mikroorganizmy rastúce pri 60–80 °C. Táto ich vlastnosť je takmer neprekonateľnou prekážkou rozvoja cudzej mikroflóry pri relatívne nesterilnej kultivácii, t.j. je spoľahlivou ochranou. proti znečisteniu. Medzi termofilmi boli nájdení výrobcovia alkoholov, aminokyselín, enzýmov a molekulárneho vodíka. Okrem toho je ich rýchlosť rastu a metabolická aktivita 1,5–2 krát vyššia ako u mezofilov. Enzýmy syntetizované termofilmi sa vyznačujú zvýšenou odolnosťou voči teplu, niektorým oxidačným činidlám, detergentom, organickým rozpúšťadlám a iným nepriaznivým faktorom. Zároveň nie sú pri bežných teplotách príliš aktívne. Proteázy jedného zo zástupcov termofilných mikroorganizmov sú teda 100-krát menej aktívne pri 200 C ako pri 750 C. Posledne menovaná je veľmi dôležitá vlastnosť pre niektoré priemyselné výroby.

Všetky vyššie uvedené poskytujú významné zníženie nákladov na výrobu cieľového produktu.

Výber

Neoddeliteľnou súčasťou v procese vytvárania najhodnotnejších a najaktívnejších výrobcov, t. j. pri výbere objektov v biotechnológiách, je ich výber. A všeobecným spôsobom výberu je vedomá konštrukcia genómov v každej fáze výberu požadovaného producenta. Vo vývoji mikrobiálnych technológií svojho času zohrávali (a stále zohrávajú) veľmi dôležitú úlohu metódy založené na selekcii spontánne sa vyskytujúcich modifikovaných variantov charakterizovaných potrebnými úžitkovými vlastnosťami. Pri takýchto metódach sa zvyčajne používa postupná selekcia: v každom štádiu selekcie sa z populácie mikroorganizmov vyberú najaktívnejšie varianty (spontánne mutanty), z ktorých sa v ďalšom štádiu vyberú nové, účinnejšie kmene.

Proces selekcie najefektívnejších producentov sa výrazne urýchľuje pri použití metódy indukovanej mutagenézy.

Ako mutagénne účinky sa využíva UV, röntgenové a gama žiarenie, niektoré chemikálie a pod. experimentátor vyberá podľa konečného výsledku.

Dnešným trendom je teda vedomé navrhovanie kmeňov mikroorganizmov s požadovanými vlastnosťami na základe základných znalostí genetickej organizácie a molekulárno-biologických mechanizmov realizácie hlavných funkcií organizmu.

Výber mikroorganizmov pre mikrobiologický priemysel a vytváranie nových kmeňov sú často zamerané na zvýšenie ich produkčnej kapacity, t.j. tvorba konkrétneho produktu. Riešenie týchto problémov je v tej či onej miere spojené so zmenou regulačných procesov v bunke.

Zmeny v rýchlosti biochemických reakcií v baktériách sa môžu vyskytnúť najmenej dvoma spôsobmi. Jedným z nich je veľmi rýchly (realizovaný v priebehu niekoľkých sekúnd alebo minút) je zmena katalytickej aktivity jednotlivých molekúl enzýmu. Druhý, pomalší (realizovaný v priebehu mnohých minút), spočíva v zmene rýchlosti syntézy enzýmov. Oba mechanizmy využívajú jeden princíp riadenia systému – princíp spätnej väzby, aj keď existujú aj jednoduchšie mechanizmy na reguláciu aktivity bunkového metabolizmu. Najjednoduchší spôsob regulácie akejkoľvek metabolickej dráhy je založený na dostupnosti substrátu alebo prítomnosti enzýmu. Zníženie množstva substrátu (jeho koncentrácie v médiu) vedie k zníženiu rýchlosti toku konkrétnej látky danou metabolickou cestou. Na druhej strane zvýšenie koncentrácie substrátu vedie k stimulácii metabolickej dráhy. Preto, bez ohľadu na akékoľvek iné faktory, prítomnosť (dostupnosť) substrátu treba považovať za potenciálny mechanizmus akejkoľvek metabolickej dráhy. Niekedy je účinným prostriedkom na zvýšenie výťažku cieľového produktu zvýšenie koncentrácie konkrétneho prekurzora v bunke.

Najbežnejším spôsobom regulácie aktivity metabolických reakcií v bunke je regulácia podľa typu retroinhibície.

Biosyntéza mnohých primárnych metabolitov je charakteristická tým, že so zvýšením koncentrácie konečného produktu tejto biosyntetickej dráhy je inhibovaná aktivita jedného z prvých enzýmov tejto dráhy. Prítomnosť takéhoto regulačného mechanizmu prvýkrát opísali v roku 1953 A. Novik a L. Szillard, ktorí študovali biosyntézu tryptofánu bunkami E. coli. Konečný krok biosyntézy danej aromatickej aminokyseliny pozostáva z niekoľkých stupňov katalyzovaných jednotlivými enzýmami.

Títo autori zistili, že v jednom z mutantov E. coli s narušenou biosyntézou tryptofánu pridanie tejto aminokyseliny (ktorá je konečným produktom tejto biosyntetickej dráhy) prudko inhibuje akumuláciu jedného z prekurzorov, indolglycerofosfátu, v bunkách. Už vtedy sa predpokladalo, že tryptofán inhibuje aktivitu niektorých enzýmov, ktoré katalyzujú tvorbu indolglycerofosfátu. Toto sa potvrdilo.

Moderná biotechnológia je založená na úspechoch prírodných vied, inžinierstva, technológie, biochémie, mikrobiológie, molekulárnej biológie a genetiky. Biologické metódy sa využívajú v boji proti znečisťovaniu životného prostredia a škodcom rastlinných a živočíšnych organizmov. K výdobytkom biotechnológie možno zaradiť aj využitie imobilizovaných enzýmov, výrobu syntetických vakcín, využitie bunkovej technológie v šľachtiteľstve.

Hybridómy a nimi produkované monoklonálne protilátky sú široko používané ako diagnostické a terapeutické činidlá.

Baktérie, huby, riasy, lišajníky, vírusy, prvoky zohrávajú v živote ľudí významnú úlohu. Od staroveku ich ľudia používali pri pečení, výrobe vína a piva a v rôznych priemyselných odvetviach. V súčasnosti, v súvislosti s problémami získavania cenných bielkovinových látok, zvyšovania úrodnosti pôdy, čistenia životného prostredia od škodlivín, získavania biologických preparátov a ďalších cieľov a zámerov, sa výrazne rozšíril okruh štúdia a využitia mikroorganizmov. Mikroorganizmy pomáhajú ľuďom pri produkcii účinných proteínových živín a bioplynu. Používajú sa pri aplikácii biotechnických metód čistenia ovzdušia a odpadových vôd, pri využívaní biologických metód na ničenie poľnohospodárskych škodcov, pri výrobe liečivých prípravkov, pri ničení odpadových materiálov.

Niektoré druhy baktérií sa používajú na regeneráciu cenných metabolitov a liečiv, na riešenie problémov biologickej samoregulácie a biosyntézy a na čistenie vodných plôch.

Mikroorganizmy a predovšetkým baktérie sú klasickým objektom na riešenie všeobecných problémov genetiky, biochémie, biofyziky a vesmírnej biológie. Baktérie sú široko používané pri riešení mnohých problémov v biotechnológiách.

Mikrobiologické reakcie sú vďaka svojej vysokej špecifickosti široko používané v procesoch chemických premien zlúčenín biologicky aktívnych prírodných zlúčenín. Existuje asi 20 typov chemických reakcií, ktoré vykonávajú mikroorganizmy. Mnohé z nich (hydrolýza, redukcia, oxidácia, syntéza atď.) sa úspešne využívajú vo farmaceutickej chémii. Pri vytváraní týchto reakcií sa používajú rôzne typy baktérií, aktinomycét, kvasinkových húb a iných mikroorganizmov.

Bol vytvorený biotechnologický priemysel na výrobu antibiotík, enzýmov, interferónu, organických kyselín a iných metabolitov produkovaných mnohými mikroorganizmami.

Niektoré huby rodov Aspergillus a Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) sú schopné hydrolyzovať srdcové glukozidy, xylozidy a ramnozidy, ako aj glykozidy obsahujúce glukózu, galaktózu alebo arabinózu ako konečný cukor . Pomocou A.terreus sa získava kyselina nikotínová.

Vo farmácii sa mikrobiologickými premenami získavajú fyziologicky účinnejšie látky alebo polotovary, ktorých syntéza čisto chemickou cestou sa dosahuje len veľmi ťažko alebo nie je možná vôbec.

Mikrobiologické reakcie sa využívajú pri štúdiu metabolizmu liečivých látok, mechanizmu ich účinku, ako aj na objasnenie podstaty a pôsobenia enzýmov.

Producentmi biologicky aktívnych látok sú mnohé prvoky. Najmä prvoky, ktoré žijú v bachore prežúvavcov, produkujú enzým celulázu, ktorý podporuje rozklad vlákniny (celulózy).

Protozoá sú producentmi nielen enzýmov, ale aj histónov, serotonínu, lipopolysacharidov, lipopolypeptidoglukánov, aminokyselín, metabolitov používaných v medicíne a veterinárnej medicíne, potravinárstve a textilnom priemysle. Sú jedným z predmetov používaných v biotechnológiách.

Pôvodca juhoamerickej trypanosomiázy, Trypanosoma cruzi, je výrobcom protirakovinového lieku crucínu a jeho analógu, trypanózy. Tieto lieky majú cytotoxický účinok na bunky malígnych nádorov.

Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti a Astasia longa sú tiež výrobcami antiblastómových inhibítorov.

Liek astalizid, produkovaný Astasia longa, má nielen antiblastómový účinok, ale aj antibakteriálny (proti E. coli a Pseudomonas aeruginosa), ako aj antiprotozoálny (proti Leischmanii).

Najjednoduchšie sa používajú na získanie polynenasýtených mastných kyselín, polysacharidov, histónov, serotonínu, enzýmov, glukánov pre využitie v medicíne, ale aj v potravinárskom a textilnom priemysle.

Herpetomonas sp. A Crithidia fasciculate produkujú polysacharidy, ktoré chránia zvieratá pred Trpanosoma cruzi.

Keďže biomasa prvokov obsahuje až 50 % bielkovín, voľne žijúce prvoky sa používajú ako zdroj kŕmnych bielkovín pre zvieratá.

Enzýmové prípravky Aspergillus oryzae sa používajú v pivovarníctve, zatiaľ čo enzýmy A.niger sa používajú pri výrobe a čírení ovocných štiav a kyseliny citrónovej. Pečenie pečiva sa zlepšuje použitím enzýmov A.oryzae a A.awamori. Pri výrobe kyseliny citrónovej, octu, krmív a pekárenských výrobkov sa výkonnostné ukazovatele zlepšujú, keď sa v technologickom procese používajú Aspergillus niger a aktinomycéty. Použitie čistených pektinázových prípravkov z mycélia A. niger pri výrobe štiav pomáha zvýšiť ich výťažnosť, znížiť viskozitu a zvýšiť čírenie.

Bakteriálne enzýmy (Bac.subtilis) sa používajú na zachovanie čerstvosti cukrárskych výrobkov a tam, kde je nežiaduce hlboké štiepenie bielkovinových látok. Použitie enzýmových prípravkov z Bac.subtilis v cukrárskom a pekárenskom priemysle zlepšuje kvalitu a spomaľuje proces zatuchnutých výrobkov. Enzýmy

Bac.mesentericus aktivujú depelling surových koží.

Mikroorganizmy sú široko používané v potravinárskom a fermentačnom priemysle.

Mliečne kvasnice sú široko používané v mliekarenskom priemysle. S ich pomocou pripravte koumiss, kefír. Enzýmy týchto mikroorganizmov rozkladajú mliečny cukor na alkohol a oxid uhličitý, v dôsledku čoho sa zlepšuje chuť produktu a zvyšuje sa jeho stráviteľnosť pre telo. Pri získavaní produktov kyseliny mliečnej v mliekarenskom priemysle sa hojne využíva droždie, ktoré nekvasí mliečny cukor a nerozkladá bielkoviny a tuk. Prispievajú k zachovaniu oleja a zvyšujú životaschopnosť baktérií mliečneho kvasenia. Filmové kvasinky (mykoderma) prispievajú k zreniu mliečnych syrov.

Huby Penicillum roqueforti sa používajú pri výrobe syra Roquefort a huby Penicillum Camemberi sa používajú v procese zrenia pochutín.

V textilnom priemysle sa široko používa fermentácia pektínu, ktorú zabezpečuje enzymatická aktivita Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Fermentácia pektínu je základom počiatočného spracovania vláknitého ľanu, konope a iných rastlín používaných na výrobu priadze a tkanín.

Takmer všetky prírodné zlúčeniny sú rozložené baktériami v dôsledku ich biochemickej aktivity nielen v oxidačných reakciách s kyslíkom, ale aj anaeróbne s takými akceptormi elektrónov, ako sú dusičnany, sírany, síra, oxid uhličitý. Baktérie sa zúčastňujú cyklov všetkých biologicky dôležitých prvkov a zabezpečujú obeh látok v biosfére. Mnohé kľúčové reakcie kolobehu hmoty (napríklad nitrifikácia, denitrifikácia, fixácia dusíka, oxidácia a redukcia síry) vykonávajú baktérie. Úloha baktérií v procesoch ničenia je rozhodujúca.

Mnohé druhy a odrody kvasníc majú schopnosť fermentovať rôzne sacharidy za vzniku alkoholu a iných produktov. Sú široko používané v pivovarníctve, vinárstve a pekárenskom priemysle. Typickými predstaviteľmi takýchto kvasiniek sú Saccharomyces cerevisial, S. ellipsoides.

Mnoho mikroorganizmov, vrátane kvasiniek a niektorých druhov mikroskopických húb, sa už dlho používa na transformáciu rôznych substrátov na získanie rôznych typov potravinových produktov. Napríklad využitie droždia na výrobu pórovitého chleba z múky, využitie húb rodov Rhisopus, Aspergillus na fermentáciu ryže a sóje, výroba produktov mliečneho kvasenia pomocou baktérií mliečneho kvasenia, kvasníc atď.

Auxotrofné mutanty Candida guillermondii sa používajú na štúdium flavinogenézy. Hyfálne huby sú schopné asimilovať uhľovodíky z ropy, parafínu, n-hexadekánu a motorovej nafty.

Na rôzny stupeň čistenia týchto látok sa používajú druhy rodov Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Kmene Penicillium sa používajú na využitie mastných kyselín a mastné sekundárne alkoholy sa lepšie spracovávajú v prítomnosti kmeňov Penicillium a Trichoderma.

Druhy húb Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria sa používajú pri likvidácii parafínov, parafínového oleja, motorovej nafty, aromatických uhľovodíkov, viacsýtnych alkoholov, mastných kyselín.

Penicillium vitale sa používa na získanie purifikovaného glukózooxidázového prípravku, ktorý inhibuje vývoj patogénnych dermatomycét Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Priemyselné využitie mikroorganizmov na získanie nových potravinárskych produktov prispelo k vytvoreniu takých priemyselných odvetví, ako je pekárstvo a mliekarenstvo, výroba antibiotík, vitamínov, aminokyselín, alkoholov, organických kyselín atď.

Použitie pravých baktérií mliečneho kvasenia (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis atď.) alebo ich kombinácií s kvasinkami v potravinárskom priemysle umožňuje získať nielen kyselinu mliečnu, ale aj kyselinu mliečnu a kyslé zeleninové produkty. Patria sem kyslé mlieko, matsoni, fermentované pečené mlieko, kyslá smotana, tvaroh, kyslá kapusta, nakladané uhorky a paradajky, syry, kefír, kyslé chlebové cesto, chlebový kvas, koumiss a ďalšie produkty. Na prípravu kyslého mlieka a tvarohu sa používajú Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

Pri príprave oleja sa používajú aromatické baktérie a mliečne streptokoky Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Na procesoch silážovania zeleného krmiva sa podieľajú falošné baktérie mliečneho kvasenia (E. coli commune, Bact. Lactis aerogenes a i.).

Medzi metabolitmi mikrobiálnej bunky majú osobitné miesto látky nukleotidovej povahy, ktoré sú medziproduktmi v procese biologickej oxidácie. Tieto látky sú veľmi dôležitou surovinou pre syntézu derivátov nukleových kyselín, cenných antimikrobiálnych a antiblastómových liečiv a ďalších biologicky aktívnych látok pre mikrobiologický priemysel a poľnohospodárstvo.

Mikrobiologická syntéza v podstate predstavuje reakcie, ktoré prebiehajú v živých bunkách. Na uskutočnenie takejto syntézy sa používajú baktérie, ktoré sú schopné fosforylovať purínové a pyrimidínové bázy, ich nukleozidy alebo syntetické analógy nízkomolekulárnych zložiek nukleových kyselín.

Takéto schopnosti majú E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, gény B.ammonia, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Mikroorganizmy sa dajú využiť aj pri ťažbe uhlia z rúd. Litotrofné baktérie (Thiobacillus ferrooxidous) oxidujú síran železnatý na síran železnatý. Síranový oxid železa zasa oxiduje štvormocný urán, v dôsledku čoho sa urán vo forme síranových komplexov vyzráža do roztoku. Urán sa z roztoku získava hydrometalurgickými metódami.

Okrem uránu sa z roztokov dajú vylúhovať aj ďalšie kovy vrátane zlata. Bakteriálne vylúhovanie kovov v dôsledku oxidácie sulfidov obsiahnutých v rude umožňuje extrahovať kovy z nedostatočne vyvážených rúd.

Veľmi výnosným a energeticky efektívnym spôsobom premeny organickej hmoty na palivo je metanogenéza za účasti viaczložkového mikrobiálneho systému. Metánotvorné baktérie spolu s acetonogénnou mikroflórou premieňajú organické látky na zmes metánu a oxidu uhličitého.

Mikroorganizmy sa dajú využiť nielen na výrobu plynných palív, ale aj na zvýšenie produkcie ropy.

Mikroorganizmy môžu vytvárať povrchovo aktívne látky, ktoré znižujú povrchové napätie na rozhraní medzi olejom a vodou, čím ho vytláčajú. Vytesňovacie vlastnosti vody sa zvyšujú so zvyšujúcou sa viskozitou, čo sa dosahuje použitím bakteriálneho hlienu, pozostávajúceho z polysacharidov.

Pri existujúcich metódach rozvoja ropných polí sa nevyťaží viac ako polovica geologických zásob ropy. Pomocou mikroorganizmov je možné zabezpečiť vymývanie ropy z nádrží a jej uvoľňovanie z bridlice.

Metán-oxidujúce baktérie umiestnené v olejovej vrstve rozkladajú ropu a prispievajú k tvorbe plynov (metán, vodík, dusík) a oxidu uhličitého. Pri hromadení plynov sa zvyšuje ich tlak na olej a navyše sa olej stáva menej viskóznym. V dôsledku toho začne ropa z vrtu vytekať.

Je potrebné mať na pamäti, že použitie mikroorganizmov v akýchkoľvek podmienkach, vrátane geologických, si vyžaduje vytvorenie priaznivých podmienok pre komplexný mikrobiálny systém.

Použitie mikrobiologickej metódy na zvýšenie produkcie ropy do značnej miery závisí od geologickej situácie. Vývoj baktérií redukujúcich sírany vo formácii môže viesť k nadmernej produkcii sírovodíka a korózii zariadení a namiesto zvýšenia pórovitosti môžu baktérie a ich sliz upchávať póry.

Baktérie prispievajú k vylúhovaniu kovov zo starých baní, z ktorých sa vyberá ruda, a zo skládok. V priemysle sa na získanie medi, zinku, niklu a kobaltu používajú procesy mikrobiologického lúhovania.

V zóne banských diel v dôsledku oxidácie zlúčenín síry mikroorganizmami v baniach vznikajú a akumulujú sa kyslé banské vody. Kyselina sírová má deštruktívny vplyv na materiály, štruktúry, životné prostredie a nesie so sebou kovy. Môžete vyčistiť vodu, odstrániť sírany a kovy, urobiť reakciu alkalickou pomocou baktérií redukujúcich sírany.

Biogénna tvorba sírovodíka sa môže použiť na čistenie vôd hutníckeho priemyslu. Anaeróbne fotosyntetické baktérie spôsobujú hlboký rozklad organickej hmoty.

Boli nájdené bakteriálne kmene schopné spracovávať plastové výrobky.

Zavedenie nadbytočných antropogénnych látok vedie k narušeniu vytvorenej prirodzenej rovnováhy.

V počiatočných fázach rozvoja priemyslu stačilo rozptýliť škodliviny vo vodných tokoch, z ktorých sa odstránili prirodzeným samočistením. Plynné látky sa vo vzduchu rozptyľovali vysokými potrubiami.

V súčasnosti sa likvidácia odpadu stala veľmi vážnym problémom.

V čistiacich systémoch sa pri čistení vody od organických látok využíva biologická metóda využívajúca systém zmiešanej mikroflóry (aeróbne baktérie, riasy, prvoky, bakteriofágy, huby), aktivovaného kalu, biofilmu, oxidujúcich prichádzajúcich látok.

Zástupcovia mikrobiálnej zmesi prispievajú k zintenzívneniu prirodzených procesov čistenia vody. Treba však pripomenúť, že podmienkou stabilného fungovania mikrobiálneho spoločenstva je stálosť zloženia prostredia.

Baktérie, fytoplanktón a zooplanktón sa používajú na čistenie odpadových vôd, aby sa zachovala kvalita povrchových a podzemných vôd. Biologické čistenie odpadových vôd sa môže vykonávať na rôznych úrovniach – pred ich vypustením do nádrže, v samotných povrchových vodách, v podzemných vodách počas samočistiacich procesov.

Mikroorganizmy sú široko používané pri biologickom čistení morských vôd od ropných produktov.

Proces musí byť zabezpečený prísunom kyslíka v dostatočnom množstve pri konštantnej teplote.

Jednou z úloh biotechnológie je vývoj technológie na získavanie bielkovín pomocou mikroorganizmov z rôznych druhov rastlinných substrátov, z metánu a čisteného vodíka, zo zmesi vodíka a oxidu uhoľnatého, z uhľovodíkov z ťažkého oleja pomocou metylotrofných kvasiniek alebo baktérií, Candida tropicalis, baktérie oxidujúce metán a rozkladajúce celulózu a iné mikróby.

Použitie aktívnych kmeňov druhov mikroskopických húb prispieva k obohateniu takých krmív, ako sú zmiešané krmivo, dužina, otruby s bielkovinami a aminokyselinami. Na tento účel sa využívajú vybrané netoxické rýchlorastúce druhy termo- a mezofilných mikromycét Fusarium sp., Thirlavia sp., ako aj niektoré druhy vyšších húb.

Ďalším príkladom priemyselného využitia húb v biotechnológii je pestovanie entomopatogénnych druhov húb, najmä Beanvtria bassiana a Entomophthora thaxteriana na prípravu prípravkov "boverine" a "afedín" používaných na boj proti fytopatogénnym voškám.

Vybrané kmene prírodného hypersyntetického karoténu huby Blakeslee trispora sa používajú pri priemyselnej výrobe karoténu, ktorý je dôležitý v procesoch rastu a vývoja zvierat, zvyšuje ich odolnosť voči chorobám.

Vybrané kmene Trichoderma viride sa používajú pri priemyselnej výrobe trichodermínového prípravku na ich báze na boj proti fytopatogénnym hubám, najmä pri pestovaní rastlín v skleníkových podmienkach (uhorky Fusarium, choroby kvitnúcich rastlín).

Fosfobacterin, získaný z Baccilus megathrtium, je účinným prostriedkom na zvýšenie úrody kŕmnej repy, kapusty, zemiakov a kukurice. Pod vplyvom tohto lieku sa zvyšuje obsah rozpustného fosforu v pôde rizosféry, ako aj fosforu a dusíka v zelenej hmote.

Najdôležitejšou podmienkou vysokej produktivity strukovín je zlepšenie syntézy dusíkatých látok strukovinami na úkor vzdušného dusíka. Pri asimilácii vzdušného dusíka rastlinami zohrávajú významnú úlohu nodulové mikróby z rodov Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, druhy Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum.

Z buniek Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, baktérií rodov Chromatium a Klebsiella boli získané prípravky viažuce dusík, ktoré podporujú asimiláciu dusíka zo vzduchu rastlinami.

V poľnohospodárstve sa na zvýšenie produktivity používajú bakteriálne hnojivá ako Azotobacterin (pripravený z Azotobacter), Nitragin (z nodulových baktérií), Phosphobacterin (z Bac. Megatherium).

Poľnohospodárstvo používa hnojivá a pesticídy. Keď sa tieto látky dostanú do prírodného prostredia, majú negatívny vplyv na prirodzené vzťahy v biocenózach a v konečnom dôsledku aj pozdĺž potravinového reťazca majú negatívny vplyv na ľudské zdravie. Pozitívnu úlohu pri ničení týchto látok vo vode zohrávajú aeróbne a anaeróbne mikroorganizmy.

V poľnohospodárstve sa využíva biologická ochrana rastlín pred škodcami. Na tento účel sa využívajú rôzne organizmy – baktérie, huby, vírusy, prvoky, vtáky, cicavce a iné organizmy.

Myšlienku mikrobiologickej metódy kontroly škodcov prvýkrát predložil Mechnikov v roku 1879.

V súčasnosti sa vyrábajú mikrobiologické prípravky, ktoré ničia množstvo škodlivého hmyzu.

Pomocou enterobakterinu môžete bojovať takmer so všetkými húsenicami motýľov. Medzi škodcami ovocných a bobuľovitých rastlín patrí jabloň, hloh, čipka, priadka morušová, listové červy atď.

Vírusový liek virín je veľmi účinný proti húseniciam, ktoré poškodzujú lesné dreviny.

Pôdne mikroorganizmy sú jednou z najväčších ekologických skupín. Zohrávajú dôležitú úlohu pri mineralizácii organickej hmoty a tvorbe humusu. V poľnohospodárstve sa pôdne mikroorganizmy využívajú na výrobu hnojív.

Niektoré druhy pôdnych mikroorganizmov - baktérie, huby (hlavne askomycéty), prvoky vstupujú do zložitých asociácií (asociácií) s riasami, ktoré sú zložkami vodných aj pôdnych biocenóz.

Riasy ako aktívne zložky pôdnej mikroflóry zohrávajú dôležitú úlohu v biologickom cykle prvkov popola.

Riasy sa spolu s ďalšími mikroorganizmami využívajú v biotechnológiách.

Z viac ako 100 tisíc známych mikroorganizmov sa v priemysle používa len niekoľko stoviek druhov, pretože priemyselný kmeň musí spĺňať množstvo prísnych požiadaviek:

1) pestovať na lacných substrátoch;

2) majú vysokú rýchlosť rastu alebo poskytujú vysoký výťažok produktu v krátkom čase;

3) vykazujú syntetickú aktivitu voči požadovanému produktu; tvorba vedľajších produktov by mala byť nízka;

4) byť stabilný vo vzťahu k produktivite a požiadavkám kultivačných podmienok;

5) byť odolný voči fágom a iným typom infekcií;

6) byť neškodný pre ľudí a životné prostredie;

7) termofilné, acidofilné (alebo alkofilné) kmene sú žiaduce, pretože je ľahšie udržať sterilitu pri výrobe;

8) anaeróbne kmene sú zaujímavé, pretože aeróbne kmene spôsobujú ťažkosti pri kultivácii - vyžadujú prevzdušňovanie;

9) výsledný produkt musí mať ekonomickú hodnotu a musí sa ľahko izolovať.

V praxi sa používajú kmene štyroch skupín mikroorganizmov:

- kvasnice;

- vláknité huby (plesne);

- baktérie;

- askomycéty.

Výraz "droždie" v užšom zmysle nemá taxonomický význam. Sú to jednobunkové eukaryoty patriace do troch tried: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

Medzi ascomycety patria predovšetkým Saccharomyces cerevisiae, ktorých niektoré kmene sa používajú v pivovarníctve, vinárstve, výrobe chleba a etylalkohole.

Ascomycetes Saccharomyces lipolytica degradujú ropné uhľovodíky a používajú sa na získanie proteínovej hmoty.

Deuteromycete Candida utilis sa používa ako zdroj bielkovín a vitamínov a pestuje sa na nepotravinárskych surovinách: sulfitové lúhy, hydrolyzáty dreva a tekuté uhľovodíky.

Deuteromycéta Trichosporon cutaneum oxiduje mnohé organické zlúčeniny vrátane toxických (napríklad fenol) a používa sa pri čistení odpadových vôd.

Mycéliové huby používajú:

– pri získavaní organických kyselín: citrónová (Aspergillus niger), glukónová (Aspergillus niger), itakónová (Aspergillus terreus), furmarová (Rhizopus chrysogenum);

- pri získavaní antibiotík (penicilín a cefalosporín);

– pri výrobe špeciálnych druhov syrov: Camembert (Penicillium camamberti), Roquefort (Penicillium roqueforti);

- spôsobiť hydrolýzu v pevných médiách: v ryžovom škrobe pri získavaní saké, v sójových bôboch pri získavaní tempehu, miso.

Užitočné baktérie sa nazývajú eubaktérie.

Baktérie mliečneho kvasenia rodov Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus sa už dlho priemyselne využívajú.

Octové baktérie rodov Acetobater, Gluconobacter premieňajú etanol na kyselinu octovú.

Baktérie rodu Bacillus sa používajú na produkciu toxínov, ktoré sú škodlivé pre hmyz, ako aj na syntézu antibiotík a aminokyselín.

Na produkciu aminokyselín sa používajú baktérie rodu Corynebacterium.

Z aktinomycét sú najreprezentatívnejšie rody Streptomyces a Micromonospora, ktoré sa využívajú ako výrobcovia antibiotík. Aktinomycéty pri pestovaní na pevných pôdach vytvárajú tenké mycélium so vzdušnými hýfami, ktoré sa diferencujú na reťazce konídiospór.

V súčasnosti sa pomocou mikroorganizmov syntetizujú tieto zlúčeniny:

- alkaloidy,

- aminokyseliny,

- antibiotiká,

- antimetabolity,

- antioxidanty,

- bielkoviny,

- vitamíny,

- herbicídy,

- inhibítory enzýmov,

- insekticídy,

- ionofóry,

- koenzýmy

- lipidy,

- nukleové kyseliny,

- nukleotidy a nukleozidy

- oxidanty,

- organické kyseliny

- pigmenty,

- povrchovo aktívne látky,

- polysacharidy,

- antihelmintiká,

- protirakovinové látky,

- rozpúšťadlá,

- rastové hormóny rastlín

- cukor,

- steroly a premenené látky,

- faktory transportu železa,

- farmaceutické látky

- enzýmy

- emulgátory.

2 PRODUKCIA JEDNOBUNKOVÝCH PROTEÍNOV

ORGANIZMY

^

2.1 Uskutočniteľnosť použitia mikroorganizmov na

produkciu bielkovín

V súlade s normami výživy by mal človek prijať 60 až 120 g kompletných bielkovín denne s jedlom.

Na udržanie životných funkcií tela, budovania buniek a tkanív je potrebná neustála syntéza rôznych proteínových zlúčenín. Ak sú rastliny a väčšina mikroorganizmov schopné syntetizovať všetky aminokyseliny z oxidu uhličitého, vody, amoniaku a minerálnych solí, potom ľudia a zvieratá nedokážu syntetizovať niektoré aminokyseliny (valín, leucín, izoleucín, lyzín, metionín, treonín, tryptofán a fenylalanín). Tieto aminokyseliny sa nazývajú esenciálne. Musia pochádzať z potravy. Ich nedostatok spôsobuje u ľudí ťažké choroby a znižuje úžitkovosť hospodárskych zvierat.

V súčasnosti je svetový deficit bielkovín asi 15 miliónov ton. Najsľubnejšia mikrobiologická syntéza. Ak pre hovädzí dobytok trvá zdvojnásobenie bielkovinovej hmoty 2 mesiace, pre ošípané - 1,5 mesiaca, pre kurčatá - 1 mesiac, potom pre baktérie a kvasinky - od 1 do 6 hodín. Svetová produkcia potravinových proteínových produktov vďaka mikrobiálnej syntéze je viac ako 15 tisíc ton ročne.

Zoberme si príklad: čas zdvojnásobenia Escherichia coli je 20 minút, potom sa po 20 minútach z jednej bunky vytvoria dve dcérske bunky, po 40 minútach štyri „vnučky“, po 60 minútach osem „pravnučiek“, po 80 minútach - 16 „pra-pravnučiek“. Po 10 hodinách a 40 minútach sa z jednej baktérie vytvorí viac ako 6 miliárd baktérií, čo zodpovedá populácii Zeme a po 44 hodinách sa z jednej baktérie s hmotnosťou 1 10 -12 g vytvorí biomasa v množstve 6 10 24 g, čo zodpovedá hmotnosti Zeme.

Použitie rôznych mikroorganizmov ako zdrojov bielkovín a vitamínov je spôsobené nasledujúcimi faktormi:

A) možnosť použitia rôznych chemických zlúčenín na kultiváciu mikroorganizmov vrátane odpadu z výroby;

B) relatívne jednoduchá technológia na produkciu mikroorganizmov, ktorú možno vykonávať počas celého roka; možnosť jeho automatizácie;

C) vysoký obsah bielkovín (až 60...70%) a vitamínov, ako aj sacharidov, lipidov v mikrobiálnych prípravkoch;

D) vysoký obsah esenciálnych aminokyselín v porovnaní s rastlinnými bielkovinami;

E) možnosť priameho genetického ovplyvnenia chemického zloženia mikroorganizmov s cieľom zlepšiť bielkovinovú a vitamínovú hodnotu produktu.

Pre priemyselnú výrobu potravinárskych výrobkov na báze mikroorganizmov je potrebný starostlivý biomedicínsky výskum. Takéto výrobky sa musia podrobiť komplexnému testovaniu na zistenie karcinogénnych, mutagénnych a embryotropných účinkov na ľudí a zvieratá. Toxikologické štúdie, stráviteľnosť produktov mikrobiálnej syntézy sú hlavnými kritériami pre vhodnosť technológie ich výroby.

Na výrobu bielkovín sa používajú kvasinky, baktérie, riasy a vláknité huby.

Výhodou kvasiniek oproti iným mikroorganizmom je ich vyrobiteľnosť: odolnosť voči infekciám, ľahká separácia z média vďaka veľkej veľkosti buniek. Sú schopné akumulovať až 60% bielkovín bohatých na lyzín, treonín, valín a leucín (týchto aminokyselín je v rastlinnej potrave málo). Hmotnostný podiel nukleových kyselín je až 10%, čo má škodlivý vplyv na organizmus. V dôsledku ich hydrolýzy vzniká veľa purínových báz, ktoré sa následne menia na kyselinu močovú a jej soli, ktoré sú príčinou urolitiázy, osteochondrózy a iných ochorení. Optimálna miera pridávania kvasnicovej hmoty do krmiva hospodárskych zvierat je od 5 do 10 % sušiny. Kvasnice sa používajú na potravinárske a kŕmne účely.

Výhodou baktérií je vysoká rýchlosť rastu a schopnosť syntetizovať až 80 % bielkovín. Výsledný proteín obsahuje veľa nedostatočných aminokyselín: metionín a cysteín. Nevýhodou je malá veľkosť buniek a ich nízka koncentrácia v kultivačnom médiu, čo komplikuje proces izolácie. Niektoré bakteriálne lipidy môžu obsahovať toxíny. Hmotnostný podiel nukleových kyselín do 16 %. Používa sa len na kŕmne účely.

Výhodou rias je vysoký obsah proteínu, ktorý je kompletný z hľadiska zloženia aminokyselín, kumuluje sa v množstve 65%, ľahká izolácia rias z kultivačného média, nízky obsah nukleových kyselín - 4% (pre porovnanie - vo vyšších rastlinách 1 ... 2 %). Riasy sa používajú na potravinárske a kŕmne účely.

Svalové huby sa tradične používajú ako potravinový produkt v afrických krajinách, v Indii, Indonézii, Číne atď.Akumulujú až 50% bielkovín, ktoré sa zložením aminokyselín približujú bielkovinám živočíšneho pôvodu, sú bohaté na vitamíny skupiny B. Bunkové steny sú tenké a ľahko stráviteľné v gastrointestinálnom trakte.črevný trakt zvierat. Hmotnostný podiel nukleových kyselín je 2,5 %.

Od roku 1985 sa mikrobiálny proteín používa v potravinárskom priemysle na výrobu rôznych produktov a polotovarov.

Pri výrobe potravín sa zvažujú tri hlavné použitia mikrobiálneho proteínu:

1) celá hmota (bez deštrukcie bunkových stien);

2) čiastočne vyčistená biomasa (predpokladá sa zničenie bunkových stien a odstránenie nežiaducich zložiek);

3) proteíny izolované z biomasy (izoláty).

WHO (Svetová zdravotnícka organizácia) dospela k záveru, že proteín mikroorganizmov sa môže používať v potravinách, ale prípustné množstvo nukleových kyselín zavedených s proteínom do stravy dospelého človeka by nemalo presiahnuť 2 g denne. Zavedenie mikrobiálneho proteínu nespôsobuje negatívne dôsledky, ale vyskytujú sa alergické reakcie, ochorenia žalúdka atď.