1 мікроорганізми використовуються в промисловому виробництві. Промислове використання мікроорганізмів

Широке поширення мікроорганізмів свідчить про їхню величезну роль у природі. За їх участю відбувається розкладання різних органічних речовин у ґрунтах та водоймах, вони зумовлюють кругообіг речовин та енергії в природі; від їхньої діяльності залежить родючість ґрунтів, формування кам'яного вугілля, нафти, багатьох інших корисних копалин. Мікроорганізми беруть участь у вивітрюванні гірських порід та інших природних процесах.

Багато мікроорганізмів використовують у промисловому та сільськогосподарському виробництві. Так, хлібопечення, виготовлення кисломолочних продуктів, виноробство, отримання вітамінів, ферментів, харчових та кормових білків, органічних кислот та багатьох речовин, що застосовуються у сільському господарстві, промисловості та медицині, засновані на діяльності різноманітних мікроорганізмів. Особливо важливе використання мікроорганізмів у рослинництві та тваринництві. Від них залежить збагачення ґрунту азотом, боротьба зі шкідниками сільськогосподарських культур за допомогою мікробних препаратів, правильне приготування та зберігання кормів, створення кормового білка, антибіотиків та речовин мікробного походження для годування тварин.

Мікроорганізми надають позитивний вплив на процеси розкладання речовин неприродного походження - ксенобіотиків, штучно синтезованих, що потрапляють у ґрунти та водойми та забруднюють їх.

Поряд з корисними мікроорганізмами існує велика група про хвороботворних, або патогенних, мікроорганізмів, що викликають різноманітні хвороби сільськогосподарських тварин, рослин, комах і людини. Внаслідок їх життєдіяльності виникають епідемії заразних хвороб людини та тварин, що позначається на розвитку економіки та продуктивних сил суспільства.

Останні наукові дані не тільки суттєво розширили уявлення про ґрунтові мікроорганізми та процеси, що викликаються ними у навколишньому середовищі, а й дозволили створити нові галузі у промисловості та сільськогосподарському виробництві. Наприклад, відкрито антибіотики, що виділяються ґрунтовими мікроорганізмами, і показано можливість їх використання для лікування людини, тварин і рослин, а також при зберіганні сільськогосподарських продуктів. Виявлено здатність ґрунтових мікроорганізмів утворювати біологічно активні речовини: вітаміни, амінокислоти, стимулятори росту рослин – ростові речовини тощо. Знайдено шляхи використання білка мікроорганізмів для годування сільськогосподарських тварин. Виділено мікробні препарати, що посилюють надходження у ґрунт азоту з повітря.

Відкриття нових методів отримання спадково змінених форм корисних мікроорганізмів дозволило ширше застосовувати мікроорганізми у сільськогосподарському та промисловому виробництві, а також у медицині. Особливо перспективним є розвиток генної, або генетичної, інженерії. Її досягнення забезпечили розвиток біотехнології, поява високопродуктивних мікроорганізмів, що синтезують білки, ферменти, вітаміни, антибіотики, ростові речовини та інші необхідні для тваринництва та рослинництва продукти.

З мікроорганізмами людство стикалося завжди, тисячоліття навіть не здогадуючись про це. З давніх-давен люди спостерігали бродіння тіста, готували спиртні напої, сквашували молоко, робили сири, переносили різні захворювання, у тому числі епідемічні. Свідченням останнього в біблійних книгах є вказівка ​​про повальну хворобу (ймовірно, чуму) з рекомендаціями спалювати трупи та робити обмивання.

Однак до середини минулого століття навіть ніхто не уявляв, що різного роду бродильні процеси та захворювання можуть бути наслідком діяльності мізерно малих істот.

У попередніх розділах ви вже познайомилися з деякими прийомами роботи з мікроорганізмамиі мали можливість випробувати ці прийоми досвідом. При переході від масштабу лабораторії до промислового масштабу біотехнологи повинні вирішувати безліч проблем, що стосуються різних галузей науки, включаючи біоінженерію, хімію та біологію. При прийнятті рішень у сфері промислового виробництва бактерій важливо враховувати як економічні, соціальні, і етичні аспекти. У цьому розділі ми торкнемося деяких практичних сторін великомасштабного виробництва, а наступних розділах розглянемо конкретні приклади мікробіологічного виробництва та пов'язані з нею проблеми.

Використання мікроорганізміву промисловому виробництві можливе з таких причин:
1) мікроорганізми мають прості поживні потреби;
2) у ферментерах (великих судинах, у яких ростуть мікроорганізми) можна дуже точно контролювати умови зростання;
3) мікроорганізми відрізняються високими швидкостями зростання;
4) реакції можна проводити за більш низьких температур, ніж на звичайних хімічних заводах; відповідно зменшується плата за енергію;
5) мікроорганізми забезпечують більш високий вихід продукту та більш високу його специфічність, ніж звичайне хімічне виробництво;
6) можна використовувати та виробляти широкий спектр хімічних сполук;
7) можна виробляти деякі складні хімічні сполуки, такі як гормони та антибіотики, які важко отримати іншими методами, а також специфічні ізомери (такі як L-амінокіс-лоти);
8) генетика мікроорганізмів щодо проста, і методи генетичних маніпуляцій із нею постійно розвиваються.

Однак необхідність застосування особливих методів, таких як методи стерилізаціїі складні методи поділу може спричинити суттєве підвищення технічних вимог до процесу.

Скринінг

Ми знаємо, що для мікроорганізмівхарактерно величезне розмаїття хімічних реакцій, які можуть здійснювати, і продуктів, що вони утворюють. Однак лише невелика частина їхнього потенціалу використовується в промисловому виробництві. Комерційними компаніями, що особливо виробляють лікарські препарати, ведеться постійний пошук мікроорганізмів, які можуть виявитися корисними. В надії відкрити нові комерційно важливі продукти або більш ефективні способи отримання наявних продуктів збирають і культивують мікроорганізми з усього світу, з різних місць проживання. Найчастіше це суто емпірична робота тому, що істотну роль будь-якому відкритті грає випадок. Перевірка мікроорганізмів у такий спосіб називається скринінгом. Хороший приклад – це постійний скринінг, який проводиться з метою виявлення нових антибіотиків. Перший антибіотик було відкрито 1928 р. Олександром Флемінгом і названо пеніциліном за назвою гриба РепкШшт, який його виробляє. Природні антибіотики - це хімічні речовини, що синтезуються мікроорганізмами і вбивають інші мікроорганізми або пригнічують їх зростання. Починаючи з 1928 р. з мікроорганізмів було виділено понад 5000 різних антибіотиків, включаючи ряд різних пеніцилінів, що трохи відрізняються за структурою та активністю. Більшість виявлених антибіотиків непридатна для медичних цілей, головним чином через їх високу токсичність. Однак представники роду Streptomyces виявились надзвичайно багатим джерелом різних антибіотиків, включаючи стрептоміцин.

Антибіотикивикористовуються для лікування бактеріальних або грибкових захворювань людини та свійських тварин. Деякі їх пригнічують також зростання ракових пухлин. Очевидно, антибіотики є продуктами вторинного метаболізму. При систематичному скринінгу завжди є надія знайти нові «чудо-ліки» або мікроорганізм, який продукує відомий антибіотик, але з покращеними властивостями.

Головною ланкою біотехнологічного процесу, що визначає всю його сутність, є біологічний об'єкт, здатний здійснювати певну модифікацію вихідної сировини та утворювати той чи інший необхідний продукт. Як такі об'єкти біотехнології можуть виступати клітини мікроорганізмів, тварин і рослин, трансгенні тварини та рослини, а також багатокомпонентні ферментні системи клітин та окремі ферменти.

Основою більшості сучасних біотехнологічних виробництв досі є мікробний синтез, тобто синтез різноманітних біологічно активних речовин за допомогою мікроорганізмів. На жаль, об'єкти рослинного та тваринного походження через низку причин ще не знайшли такого широкого застосування.

Незалежно від природи об'єкта, первинним етапом розробки будь-якого біотехнологічного процесу є отримання чистих культур організмів (якщо це мікроби), клітин чи тканин (якщо це складніші організми – рослини чи тварини). Багато етапів подальших маніпуляцій з останніми (тобто з клітинами рослин або тварин), по суті, є принципами та методами, що використовуються в мікробіологічних виробництвах. І культури мікробних клітин, і культури тканин рослин та тварин з методичної точки зору практично не відрізняються від культур мікроорганізмів.

Світ мікроорганізмів дуже різноманітний. В даний час

відносно добре охарактеризовано (або відомо) понад 100 тисяч різних видів. Це насамперед прокаріоти (бактерії, актиноміцети, рикетсії, ціанобактерії) та частина еукаріотів (дріжджі, нитчасті гриби, деякі найпростіші та водорості). При такому великому розмаїтті мікроорганізмів дуже важливою, а найчастіше й складною, проблемою є правильний вибір саме організму, здатний забезпечити отримання необхідного продукту, т. е. служити промисловим цілям. Мікроорганізми діляться на промислові та непромислові, це ті мікроорганізми, які використовуються у промисловому виробництві – промислові, а ті, що не використовуються – непромислові.

Основою промислового виробництва є нечисленні, але глибоко вивчені групи мікроорганізмів, що є модельними об'єктами при дослідженнях фундаментальних життєвих процесів. Решта мікроорганізмів генетиками, молекулярними біологами і генними інженерами не вивчалися зовсім чи вивчалися дуже обмеженою мірою. До перших відносяться кишкова паличка (E. coli), сінна паличка (Bac. subtilis) і пекарські дріжджі (S. cerevisiae).

У багатьох біотехнологічних процесах використовується обмежена кількість мікроорганізмів, які класифікуються як GRAS (“generally recognized as safe” зазвичай вважаються безпечними). До таких мікроорганізмів відносять бактерії Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, інші види бацил та лактобацил, види Streptomyces. Сюди також відносять види грибів Aspergillus, Penicillium, Mucor, Rhizopus і дріжджів Saccharomyces та ін.

Мікробіологічна промисловість сьогодні використовує тисячі штамів із сотень видів мікроорганізмів, які первинно були виділені з природних джерел на підставі їх корисних властивостей, а потім (здебільшого) покращені за допомогою різних методів. У зв'язку з розширенням виробництва та асортименту продукції в мікробіологічну промисловість залучаються все нові і нові представники світу мікробів. Слід усвідомлювати, що в найближчому майбутньому жоден з них не буде вивчений так само, як E.coli і Bac.subtilis. І причина цього дуже проста – колосальна трудомісткість і висока вартість таких досліджень.

Найчастіше біотехнологічними об'єктами є:

Бактерії та ціанобактерії;

Водорості;

Найпростіші;

Культури клітин рослин та тварин;

Рослини – нижчі (анабена-азолла) та вищі – ряскові.

Субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК).

Бактерії та ціанобактерії

Біотехнологічні функції мікробів різноманітні.

Оцтовокислі бактерії, пологи Gluconobacter та Acetobacter.

Грамнегативні бактерії, що перетворюють етанол на оцтову кислоту, а оцтову кислоту на вуглекислий газ і воду.

Представники роду Bacillus - B.subtilis B.thuringiensis використовуються для отримання пробіотиків, речовин, які мають антибіотичну дію на інші мікроорганізми, а також на комах (B.thuringiensis). Належать до грампозитивних бактерій, що утворюють ендоспори.

B.subtilis – суворий аероб, а B.thuringiensis може жити і в анаеробних умовах.

Анаеробні, що утворюють суперечки бактерії, представлені родом Clostridium. C.acetobutylicum зброджує цукру в ацетон, етанол, ізопропанол та n-бутанол (ацетобутанолове бродіння), інші види можуть також зброджувати крохмаль, пектин та різні азотовмісні сполуки.

До молочнокислих бактерій відносяться представники пологів Lactobacillus, Leuconostoc і Streptococcus, які не утворюють суперечки, грампозитивні та нечутливі до кисню.

Гетероферментативні бактерії роду Leuconostoc перетворюють вуглеводи на молочну кислоту, етанол та вуглекислий газ.

Гомоферментативні бактерії Streptococcus роду продукують тільки молочну кислоту.

Представники роду Lactobacillus дають поряд із молочною кислотою низку різноманітних продуктів.

Представник роду Corynebacterium, нерухомі грампозитивні клітини С.glutamicum є джерелом лізину і глютамату натрію.

Інші види коринебактерій використовуються для мікробного вилуговування руд та утилізації гірничорудних відходів.

Широко використовується така властивість деяких бактерій, як діазотрофністьтобто здатність до фіксації атмосферного азоту.

Виділяють 2 групи діазотрофів:

Симбіонти: без кореневих бульбочок (в основному лишайники), з кореневими бульбочками (бобові);

Вільноживучі: гетеротрофи (азотобактер, клостридіум, метилобактер), автотрофи (хлоробіум, родоспірилум і амебобактер).

Бактерії також використовують у генноинженерных цілях.

Ціанобактерії мають здатність до азотфіксації, що робить їх досить перспективними продуцентами білка. У цитоплазмі клітин відкладається препарат, близький до глікогену.

Такі представники ціанобактерій, як ніс, спіруліна, триходесміум їстівні і безпосередньо вживаються в їжу. Ність утворює на безплідних землях скоринки, які набрякають при зволоженні. У Японії місцеве населення використовує в їжу пласти носка, що утворюються на схилах вулкана і називає їх ячмінним хлібом Тенг (Тенгу - добрий гірський дух).

Спіруліна (Spirulina platensis) походить з Африки – району озера Чад.

Spirulina maxima росте у водах Тескоко озера в Мексиці. Ще ацтеки збирали її з поверхні озер та вживали в їжу.

Зі спіруліни робили галети, що являли собою висушену масу спіруліни.

Аналіз показав, що у спіруліні міститься 65% білків (більше, ніж у соєвих бобах), 19% вуглеводів, 6% пігментів, 4% ліпідів, 3% волокон та 3% золи. Для білків характерний збалансований вміст амінокислот. Клітинна стінка цієї водорості добре перетравлюється.

Спіруліну можна культивувати у відкритих ставках або замкнутій системі з поліетиленових труб. Врожайність дуже висока: одержують до 20 г сухої маси водорості з 1 м 2 на день, це вище, ніж вихід пшениці, приблизно в 10 разів.

Вітчизняна фармацевтична промисловість випускає препарат Сплат на основі ціанобактерії Spirulina platensis. Він містить комплекс вітамінів і мікроелементів і застосовується як загальнозміцнюючий та імуностимулюючий засіб

Escherichia coli

Escherichia coli– один із найбільш вивчених організмів. За останні п'ятдесят років вдалося отримати вичерпну інформацію про генетику, молекулярну біологію, біохімію, фізіологію та загальну біологію Escherichia coli. Це грамнегативна, рухлива поличка завдовжки менше 10 мкм. Середовищем її проживання є кишечник людини і тварин, але вона також може мешкати у ґрунті та у воді. Зазвичай, кишкова паличка не патогенна, але за певних умов може викликати захворювання людини та тварин.

Завдяки здатності розмножуватися простим розподілом на середовищах, що містять тільки іони Na ​​+ , K + , Mg 2+ , Ca 2+ ,NH 4 + , Cl - , HPO 4 2- та SO 4 2- , мікроелементи та джерело вуглецю (наприклад, глюкозу ), E. coliстала улюбленим об'єктом наукових досліджень про.

При культивуванні E. coliна збагачених рідких живильних середовищах, що містять амінокислоти, вітаміни, солі, мікроелементи та джерело вуглецю, час генерації (тобто час між формуванням бактерії та її наступним поділом) у логарифмічній фазі росту при температурі 37°С становить приблизно 22 хв.

E. coliможна культивувати як в аеробних (у присутності кисню), так і в анаеробних (без кисню) умовах. Однак для оптимальної продукції рекомбінантних білків E. coliзазвичай вирощують в аеробних умовах.

Якщо метою культивування бактерій у лабораторії є синтез та виділення певного білка, то культури вирощують на складних рідких живильних середовищах у колбах. Для підтримки потрібної температури та забезпечення достатньої аерації культурального середовища колби поміщають у водяну баню або кімнату, що термостатується, і безперервно струшують. Такої аерації достатньо для розмноження клітин, але не завжди для синтезу певного білка.

Зростання клітинної маси та продукція білка лімітуються не вмістом у живильному середовищі джерел вуглецю або азоту, а вмістом розчиненого кисню: при 20°С воно дорівнює приблизно дев'яти мільйонним часткам. Це особливо важливо при промисловому отриманні рекомбінантних білків. Для забезпечення умов, оптимальних для максимальної продукції білків, конструюють спеціальні ферментери та створюють системи аерації.

Для кожного живого організму існує певний температурний інтервал, оптимальний для його зростання та розмноження. За дуже високих температур відбувається денатурація білків і руйнування інших важливих клітинних компонентів, що веде до загибелі клітини. При низьких температурах біологічні процеси суттєво уповільнюються або зупиняються внаслідок структурних змін, які зазнають білкових молекул.

Виходячи з температурного режиму, який віддають перевагу тим чи іншим мікроорганізмам, їх можна підрозділити на термофіли (від 45 до 90°С і вище), мезофіли (від 10 до 47 °С) і психрофіли (від -5 до 35 °С). мікроорганізми, що активно розмножуються лише у певному діапазоні температур, можуть бути корисним інструментом для вирішення різних біотехнологічних завдань. Наприклад, термофіли часто є джерелом генів, що кодують термостабільні ферменти, які застосовуються в промислових або в лабораторних процесах, а генетично видозмінені психротрофи використовують для біодеградації токсичних відходів, що містяться в грунті та воді, при знижених температурах.

Крім E. coliУ молекулярній біотехнології використовують безліч інших мікроорганізмів (табл. 1). Їх можна розділити на дві групи: мікроорганізми як джерела специфічних генів та мікроорганізми, створені генноінженерними методами для вирішення певних завдань. До специфічних генів відноситься, наприклад, ген, що кодує термостабільну ДНК-полімеразу, яка використовується в широко застосовуваної полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Цей ген був виділений з термофільних бактерій і клонований у E. coli. до другої групи мікроорганізмів відносяться, наприклад, різні штами Corynebacterium glutamicum, які були генетично модифіковані для підвищення продукції промислово важливих амінокислот.

Таблиця 1. Деякі генетично модифіковані мікроорганізми, що використовуються у біотехнології.

На сучасному етапі виникає проблема розробки стратегії та тактики досліджень, які б з розумною витратою праці витягти з потенціалу нових мікроорганізмів усе найбільш цінне при створенні промислово важливих штамів-продуцентів, придатних до використання в біотехнологічних процесах. Класичний підхід полягає у виділенні потрібного мікроорганізму із природних умов.

1. З природних місць проживання гаданого продуцента відбирають зразки матеріалу (беруть проби матеріалу) і виробляють посів в елективне середовище, що забезпечує переважний розвиток мікроорганізму, що цікавить, тобто отримують так звані накопичувальні культури.

2. Наступним етапом є виділення чистої культури з подальшим диференціально-діагностичним вивченням ізольованого мікроорганізму та, у разі потреби, орієнтовним визначенням його продукційної здатності.

Існує й інший шлях підбору мікроорганізмів-продуцентів – це вибір потрібного виду з наявних колекцій добре вивчених та досконало охарактеризованих мікроорганізмів. У цьому, звісно, ​​усувається необхідність виконання низки трудомістких операцій.

Головним критерієм під час виборів біотехнологічного об'єкта (у разі мікроорганізму-продуцента) є здатність синтезувати цільової продукт. Однак крім цього, в технології самого процесу можуть закладатися додаткові вимоги, які часом бувають дуже важливими, щоб не сказати вирішальними. Загалом мікроорганізми повинні:

Володіти високою швидкістю зростання;

1.Одноклітинні організми, як правило, характеризуються більш високими швидкостями росту та синтетичних процесів, ніж вищі організми. Проте це притаманне не всім мікроорганізмам. Існують такі з них (наприклад, оліготрофні), які ростуть вкрай повільно, проте вони становлять відомий інтерес, оскільки здатні продукувати різні дуже цінні речовини.

Утилізувати необхідні для їхньої життєдіяльності дешеві субстрати;

2. Особливу увагу як об'єкти біотехнологічних розробок представляють фотосинтезуючі мікроорганізми, що використовують у своїй життєдіяльності енергію сонячного світла. Частина з них (ціанобактерії та фотосинтезуючі еукаріоти) як джерело вуглецю утилізують СО2, а деякі представники ціанобактерій, до всього сказаного, мають здатність засвоювати атмосферний азот (тобто є вкрай невибагливими до поживних речовин).

Фотосинтезуючі мікроорганізми є перспективними як продуценти аміаку, водню, білка та ряду органічних сполук. Проте пpогpecка в їх використанні внаслідок обмеженості фундаментальних знань про їхню генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми життєдіяльності, очевидно, слід очікувати не в найближчому майбутньому.

Бути резистентними до сторонньої мікрофлори, тобто мати високу конкурентоспроможність.

3. Певна увага приділяється таким об'єктам біотехнології, як термофільні мікроорганізми, що ростуть при 60-80 ° С. Ця їх властивість є практично непереборною перешкодою для розвитку сторонньої мікрофлори при відносно не стерильному культивуванні, тобто є надійним захистом від забруднень. Серед термофілів виявлено продуценти спиртів, амінокислот, ферментів, молекулярного водню. Крім того, швидкість їх зростання та метаболічна активність у 1,5–2 рази вища, ніж у мезофілів. Ферменти, які синтезуються термофілами, характеризуються підвищеною стійкістю до нагрівання, деяким окислювачам, детергентам, органічним розчинникам та іншим несприятливим факторам. У той самий час вони мало активні за нормальних температур. Так, протеази одного з представників термофільних мікроорганізмів при 200 ° С в 100 разів менш активні, ніж при 750 ° С. Останнє є дуже важливою властивістю для деяких промислових виробництв.

Все перераховане вище забезпечує значне зниження витрат на виробництво цільового продукту.

Селекція

Невід'ємним компонентом у процесі створення найбільш цінних та активних продуцентів, тобто при підборі об'єктів у біотехнології є їх селекція. А генеральним шляхом селекції є свідоме конструювання геномів кожному етапі відбору потрібного продуцента. У розвитку мікробних технологій свого часу відіграли (та й зараз ще продовжують грати) дуже важливу роль методи, що базуються на селекції спонтанно виникаючих змінених варіантів, що характеризуються необхідними корисними ознаками. За таких методів зазвичай використовується ступінчаста селекція: кожному етапі відбору з популяції мікроорганізмів відбираються найактивніші варіанти (спонтанні мутанти), у тому числі наступному етапі відбирають нові, ефективніші штами.

p align="justify"> Процес селекції найбільш ефективних продуцентів значно прискорюється при використанні методу індукованого мутагенезу.

Як мутагенних впливів застосовуються УФ, рентгенівське та гамма-випромінювання, певні хімічні речовини та ін. Однак і цей прийом також не позбавлений недоліків, головним з яких є його трудомісткість та відсутність відомостей про характер змін, оскільки експериментатор веде відбір за кінцевим результатом.

Таким чином, тенденцією сьогоднішнього дня є свідоме конструювання штамів мікроорганізмів із заданими властивостями на основі фундаментальних знань про генетичну організацію та молекулярно-біологічні механізми здійснення основних функцій організму.

Селекція мікроорганізмів для мікробіологічної промисловості та створення нових штамів часто спрямовані на посилення їхньої продукційної спроможності, тобто. утворення того чи іншого продукту. Вирішення цих завдань тією чи іншою мірою пов'язане зі зміною регуляторних процесів у клітині.

Зміни швидкості біохімічних реакцій у бактерій можуть здійснюватися принаймні двома шляхами. Один з них дуже швидкий (що реалізується протягом секунд або хвилин) полягає у зміні каталітичної активності індивідуальних молекул ферменту. Другий, повільніший (реалізується протягом багатьох хвилин), полягає у зміні швидкостей синтезу ферментів. В обох механізмах використовується єдиний принцип управління системами - принцип зворотного зв'язку, хоча існують і простіші механізми регуляції активності метаболізму клітини. Найпростіший спосіб регуляції будь-якого метаболічного шляху ґрунтується на доступності субстрату чи наявності ферменту. Зниження кількості субстрату (його концентрації у середовищі) призводить до зниження швидкості потоку конкретної речовини через метаболічний шлях. З іншого боку, збільшення концентрації субстрату призводить до стимулювання метаболічного шляху. Тому, незалежно від якихось інших факторів, наявність (доступність) субстрату слід розглядати як потенційний механізм будь-якого метаболічного шляху. Іноді ефективним засобом підвищення виходу цільового продукту є збільшення концентрації у клітині певного попередника.

Найбільш поширеним способом регуляції активності метаболічних реакцій у клітині є регуляція за типом ретроінгібування.

Біосинтез багатьох первинних метаболітів характеризується тим, що з підвищення концентрації кінцевого продукту даного біосинтетичного шляху пригнічується активність однієї з перших ферментів цього шляху. Вперше про наявність такого регуляторного механізму було повідомлено в 1953 р. A. Novik та L. Szillard, які досліджували біосинтез триптофану клітинами E. coli. Заключний етап біосинтезу даної ароматичної амінокислоти складається з кількох стадій, що каталізуються індивідуальними ферментами.

Вказаними авторами було виявлено, що в одного з мутантів E. coli з порушеним біосинтезом триптофану додавання даної амінокислоти (що є кінцевим продуктом цього біосинтетичного шляху) різко гальмує накопичення одного з попередників – індолу гліцерофосфату в клітинах. Вже тоді було висловлено припущення, що триптофан пригнічує активність якогось ферменту, що каталізує утворення індолу гліцерофосфату. Це було підтверджено.

Сучасна біотехнологія спирається досягнення природознавства, техніки, технології, біохімії, мікробіології, молекулярної біології, генетики. Біологічні методи використовуються у боротьбі із забрудненням навколишнього середовища та шкідниками рослинних та тварин організмів. До досягнень біотехнології можна віднести застосування іммобілізованих ферментів, отримання синтетичних вакцин, використання клітинної технології в племінній справі.

Широкого поширення набули гібридоми та продуковані ними моноклональні антитіла, що використовуються як діагностичні та лікувальні препарати.

Бактерії, гриби, водорості, лишайники, віруси, найпростіші життя людей відіграють значну роль. З давніх-давен люди використовували їх у процесах хлібопечення, приготування вина та пива, в різних виробництвах. В даний час у зв'язку з проблемами отримання цінних білкових речовин, збільшення родючості ґрунтів, очищення навколишнього середовища від забруднювачів, отримання біопрепаратів та іншими цілями та завданнями діапазон вивчення та використання мікроорганізмів значно розширився. Мікроорганізми допомагають людям у виробництві ефективних поживних білкових речовин та біологічного газу. Їх використовують при застосуванні біотехнічних методів очищення повітря та стічних вод, при використанні біологічних методів знищення сільськогосподарських шкідників, при отриманні лікувальних препаратів, при знищенні сировини.

Деякі види бактерій використовуються для регенерації цінних метаболітів та ліків, їх використовують з метою вирішення проблем біологічного саморегулювання та біосинтезу, очищення водойм.

Мікроорганізми, і перш за все бактерії, – класичний об'єкт для вирішення загальних питань генетики, біохімії, біофізики, космічної біології. Бактерії широко використовуються під час вирішення багатьох проблем біотехнології.

Мікробіологічні реакції завдяки своїй специфічності широко використовуються в процесах хімічних перетворень сполук біологічно активних природних сполук. Відомо близько 20 типів хімічних реакцій, які здійснюють мікроорганізми. Багато хто з них (гідроліз, відновлення, окислення, синтез тощо) з успіхом використовуються у фармацевтичній хімії. Під час проведення цих реакцій застосовуються різні види бактерій, актиноміцетів, дріжджоподібних грибів та інших мікроорганізмів.

Створено біотехнологічну промисловість для отримання антибіотиків, ферментів, інтерферону, органічних кислот та інших метаболітів, продуцентами яких є багато мікроорганізмів.

Деякі гриби пологів Aspergillus і Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) здатні гідролізувати серцеві глюкозиди, ксилозиди та рамнозиди, а також глікозиди, що містять як кінцевий цукор глюкозу, галактозу або арабінозу. За допомогою A.terreus одержують нікотинову кислоту.

У фармації мікробіологічні трансформації застосовуються для одержання фізіологічно більш активних речовин чи напівфабрикатів, синтез яких суто хімічним шляхом досягається з великими труднощами чи взагалі неможливий.

Мікробіологічні реакції використовуються щодо метаболізму лікарських речовин, механізму їх дії, а також для з'ясування природи та дії ферментів.

Продуцентами біологічно активних речовин є багато найпростіших. Зокрема, найпростіші жуйних тварин, що мешкають в рубці, виробляють фермент целюлазу, що сприяє розкладанню клітковини (целюлози).

Найпростіші є продуцентами не тільки ферментів, а й гістонів, серотоніну, ліпополісахаридів, ліпополіпептидоглюканів, амінокислот, метаболітів, що застосовуються в медицині та ветеринарії, харчовій та текстильній промисловостях. Вони є одним із об'єктів, що застосовуються в біотехнології.

Збудник американського трипаносомозу Trypanosoma cruzi є продуцентом протипухлинного препарату круцину та його аналога – трипанози. Ці препарати мають цитотоксичну дію на клітини злоякісних утворень.

Продуцентами антибластомних інгібіторів є також Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti та Astasia longa.

Препарат асталізид, що продукується Astasia longa, має не тільки антибластомну дію, але й антибактеріальну (щодо E.coli та Pseudomonas aeruginosa), а також і антипротозойну (проти Leischmania).

Найпростіші використовуються для отримання поліненасичених жирних кислот, полісахаридів, гістонів, серотоніну, ферментів, глюканів для застосування в медицині, а також у харчовій та текстильній промисловості.

Herpetomonas sp. І Crithidia fasciculate продукують полісахариди, що захищають тварин від Trpanosoma cruzi.

Оскільки біомаса найпростіших містить до 50% білка, найпростіші вільноживучі використовуються як джерело кормового білка для тварин.

Ферментні препарати Aspergillus oryzae використовуються у пивоварній промисловості, а ферменти A.niger використовуються при виробництві та освітленні плодовоягідних соків та лимонної кислоти. Випікання хлібобулочних виробів покращується при використанні ферментів A.oryzae та A.awamori. При виробництві лимонної кислоти, оцту, кормових та хлібопекарських виробів виробничі показники покращуються при застосуванні у технологічному процесі Aspergillus niger та актиноміцетів. Застосування очищених препаратів пектинази з міцелію A.niger при отриманні соків сприяє збільшенню їх виходу, зниженню в'язкості та збільшенню освітлення.

Бактеріальні ферменти (Bac.subtilis) використовують для збереження свіжості кондитерських виробів і там, де небажаний глибокий розпад білкових речовин. Використання ферментних препаратів з Bac.subtilis у кондитерському та хлібобулочному виробництві сприяє покращенню якості та уповільненню процесу червстлення виробів. Ферменти

Bac.mesentericus активізують депелювання шкіряної сировини.

Мікроорганізми широко використовуються в харчовій та бродильній промисловості.

У молочній промисловості широко використовуються молочні дріжджі. З їхньою допомогою готують кумис, кефір. Ферментами цих мікроорганізмів молочний цукор розкладається до спирту та вуглекислоти, у результаті покращується смак продукту і підвищується його засвоюваність організмом. При отриманні молочнокислих продуктів у молочній промисловості широко використовуються дріжджі, які не зброджують молочний цукор і не розкладають білки та жир. Вони сприяють збереженню олії та збільшенню життєздатності молочнокислих бактерій. Плівчасті дріжджі (мікодерма) сприяють дозріванню молочнокислих сирів.

Гриби Penicillum roqueforti використовують при виробництві сиру Рокфор, а гриби Penicillum camemberi - в процесі дозрівання закусочного сиру.

У текстильній промисловості широко використовується пектинове бродіння, що забезпечується ферментною активністю Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектинове бродіння лежить в основі початкової обробки волокнистих рослин льону, конопель та інших рослин, що використовуються для виготовлення пряжі та тканин.

Практично всі природні сполуки розкладаються бактеріями, завдяки їхній біохімічній активності, е тільки в окисних реакціях за участю кисню, а й анаеробно з такими акцепторами електрона, як нітрат, сульфат, сірка, вуглекислий газ. Бактерії беруть участь у циклах всіх біологічно важливих елементів та забезпечують кругообіг речовин у біосфері. Багато ключових реакцій круговороту речовин (наприклад, нітрифікація, денітрифікація, азотфіксація, окислення та відновлення сірки) здійснюються бактеріями. Роль бактерій у процесах деструкції є визначальною.

Багато видів і різновиди дріжджів мають здатність зброджувати різні вуглеводи з утворенням спирту та інших продуктів. Вони широко використовуються в пивоварній, виноробній промисловості та хлібопеченні. Типовими представниками таких дріжджів є Saccharomyces cerevisial, S. ellipsoides.

Багато мікроорганізмів, у тому числі дріжджоподібні та деякі види мікроскопічних грибів, здавна використовувалися при перетворенні різних субстратів для отримання різних видів харчових продуктів. Наприклад, використання дріжджів для одержання з борошна пористого хліба, використання грибів пологів Rhisopus, Aspergillus для ферментації рису та сої, отримання молочно-кислих продуктів за допомогою молочно-кислих бактерій, дріжджів та ін.

Ауксотрофні мутанти Candida guillermondii використовуються для вивчення флавіногенезу. Гіфальні гриби добре засвоюють вуглеці нафти, парафіну, n-гекасдекану, дизельного палива.

Для різного ступеня очищення цих речовин використовують види пологів Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Для утилізації жирних кислот використовують штами Penicillium, а жирні вторинні спирти краще переробляються в присутності штамів Penicillium і Trichoderma.

Види грибів Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria використовуються при утилізації парафінів, парафінової олії, дизельного палива, ароматичних вуглеводнів, багатоатомних спиртів, жирних кислот.

Penicillium vitale використовується для отримання очищеного препарату глюкозооксидази, що інгібує розвиток патогенних дерматоміцетів Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Промислове використання мікроорганізмів для отримання нових харчових продуктів сприяло створенню таких видів промисловості як хлібопекарська та молочна, виробництво антибіотиків, вітамінів, амінокислот, спиртів, органічних кислот та ін.

Використання в харчовій промисловості справжніх молочнокислих бактерій (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis та ін.) або їх комбінацій з дріжджами дозволяє отримувати не тільки молочнокислі, а й спипртомолочнокислі та кисневовочні продукти. До них відносяться кисле молоко, мацони, ряженка, сметана, сир, квашена капуста, квашені огірки та помідори, сири, кефір, кисле хлібне тісто, хлібний квас, кумис та інші продукти. Для приготування кислого молока і сиру застосовують Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготуванні олії використовують ароматизуючі бактерії та молочнокислі стрептококи Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Помилкові молочнокислі бактерії (E.coli commune, Bact. Lactis aerogenes та ін.) беруть участь у процесах силосування зелених кормів.

Серед метаболітів мікробної клітини особливе місце посідають речовини нуклеотидної природи, які є проміжними продуктами у процесі біологічного окиснення. Ці речовини є дуже важливою сировиною для синтезу похідних нуклеїнових кислот, цінних лікарських препаратів антимікробної та антибластомної дії та інших біологічно активних речовин для мікробіологічної промисловості та сільського господарства.

Мікробіологічний синтез в основі своєї реакції, що протікають в живих клітинах. Для здійснення такого синтезу використовуються бактерії здатні здійснювати фосфорилювання пуринових та піримідинових основ, їх нуклеозидів або синтетичних аналогів низькомолекулярних компонентів нуклеїнових кислот.

Такі здібності мають E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Мікроорганізми можуть бути використані при видобутку вугілля з руд. Літотрофні бактерії (Thiobacillus ferrooxidous) окислюють сірчанокисле закисне залізо до сірчанокислого окисного заліза. Сірчанокисле окисне залізо у свою чергу окислює чотиривалентний уран, внаслідок чого уран у вигляді сульфатних комплексів випадає в розчин. З розчину уран витягується методами гідрометалургії.

Крім урану з розчинів можуть вилуговуватися й інші метали, у тому числі і золото. Бактеріальне вилуговування металів за рахунок окислення сульфідів, що містяться в руді, дозволяє вести видобуток металів з бідних забалансованих руд.

Дуже вигідним та енергетично економічним шляхом перетворення органічної речовини на паливо є метаногенез за участю багатокомпонентної мікробної системи. Метанутворюючі бактерії спільно з ацетоногенною мікрофлорою здійснюють перетворення органічних речовин на суміш мета і вуглекислоти.

Мікроорганізми можна використовувати не тільки для одержання газоподібного палива, а й для підвищення видобутку нафти.

Мікроорганізми можуть утворювати поверхнево - активні речовини, що знижують поверхневий натяг на кордоні між нафтою і водою, що витісняє її. Витискаючі властивості води посилюються зі збільшенням в'язкості, що досягається застосуванням бактеріального слизу, що складається з полісахаридів.

При існуючих методах розробки нафтових родовищ витягується трохи більше половини геологічних запасів нафти. За допомогою мікроорганізмів можна забезпечити вимивання нафти із пластів та звільнення її з бітумінозних сланців.

Бактерії, що окислюють метан, поміщені в нафтовий шар, розкладають нафту і сприяють утворенню газів (метану, водню, азоту) і вуглекислоти. У міру накопичення газів збільшується їх тиск на нафту і, крім того, нафта стає менш в'язкою. В результаті нафту зі свердловини починає бити фонтаном.

Необхідно пам'ятати про те, що застосування мікроорганізмів у будь-яких умовах, у тому числі і в геологічних, вимагає створення сприятливих умов для складної мікробної системи.

Застосування мікробіологічного методу з метою підвищення видобутку нафти багато в чому залежить від геологічної обстановки. Розвиток відновлювальних сульфати бактерій у пласті може призвести до надмірної освіти сірководню та корозії обладнання, а замість збільшення пористості можливе заклеювання пір бактеріями та їх слизом.

Бактерії сприяють вилуговування металів зі старих шахт, з яких вибрано руду, і з відвалів. У промисловості використовують процеси мікробіологічного вилуговування при отриманні міді, цинку, нікелю, кобальту.

У зоні гірничих виробок за рахунок окислення мікроорганізмами сполук сірки у шахтах утворюються та накопичуються кислі шахтні води. Сірчана кислота має руйнівну дію на матеріали, споруди, довкілля, несе із собою метали. Очистити воду, видалити сульфати та метали, зробити реакцію лужною можна за допомогою бактерій, що відновлюють сульфати.

Для очищення вод металургійних виробництв може бути використане біогенне утворення сірководню. Анаеробні фотосинтезуючі бактерії зумовлюють глибоке розкладання органічних речовин.

Знайдено штами бактерій, здатні переробляти пластмасові вироби.

Внесення надлишкових антропогенних речовин веде до порушення природної рівноваги, що встановилася.

На початкових етапах розвитку промисловості було досить розсіяти забруднюючі речовини у водотоках, у тому числі вони видалялися шляхом природного самоочищення. Газоподібні речовини розсіювали у повітрі через високі труби.

Нині знищення відходів зросло дуже серйозну проблему.

В очисних системах при очищенні вод від органічних речовин використовується біологічний метод із застосуванням системи змішаної мікрофлори (аеробні бактерії, водорості, найпростіші, бактеріофаги, гриби), активного мулу, біоплівки, речовин, що окислюють.

Представники мікробної суміші сприяють інтенсифікації природних процесів очищення води. Але при цьому слід пам'ятати, що умовою сталої роботи мікробної спільноти є сталість складу навколишнього середовища

Бактерії, представники фіто- та зоопланктону використовуються для обробки стічних вод з метою підтримки якості поверхневих та ґрунтових вод. Біологічна очистка стічних вод може поводитися на різних рівнях – перед спуском їх у водойму, у поверхневих водах, в ґрунтових водах при процесах самоочищення.

Мікроорганізми широко використовуються для очищення біологічним методом вод морів від нафтопродуктів.

Процес повинен забезпечуватися надходженням кисню у достатній кількості за постійної температури.

Однією із завдань біотехнології є розробка технології отримання за допомогою мікроорганізмів білка з різних видів рослинних субстратів, з метану та очищеного водню, із суміші водню та окису вуглецю, з важких вуглеводнів нафти за допомогою метилотрофних дріжджів або бактерій, Candida tropicalis, метаноакисляючих інших бактерій.

Використання активних штамів видів мікроскопічних грибів сприяє збагаченню білками та амінокислотами таких кормів як комбікорм, жом, висівки. Для цієї мети використовують селекціоновані нетоксичні види термо- і мезофільних мікроміцетів Fusarium sp., Thirlavia sp., а також деякі види вищих грибів.

Ще одним прикладом промислового використання грибів у біотехнології можна назвати культивування ентомопатогенних видів грибів, зокрема Beanvtria bassiana та Entomophthora thaxteriana для приготування препаратів «боверину» та «афедину», що застосовуються для боротьби з фітопатогенними попелицями.

Селекціоновані штами природного гіперсинтетика каротину гриба Blakeslee trispora використовують при промисловому одержанні каротину, що має важливе значення у процесах росту та розвитку тварин, підвищення їх стійкості до захворювань.

Селекціоновані штами Trichoderma viride використовують при промисловому отриманні га їх основі препарату триходерміну для боротьби з фітопатогенними грибами, особливо при вирощуванні рослин в умовах закритого ґрунту (фузаріоз огірків, хвороб квіткових рослин).

Фосфобактерин, отриманий із Baccilus megathrtium, є ефективним засобом підвищення врожайності кормового буряка, капусти, картоплі, кукурудзи. Під впливом цього препарату підвищується вміст розчинного фосфору в ризосферному грунті, а також фосфору та азоту у зеленій масі.

Найважливішою умовою високої продуктивності бобових рослин є покращення синтезу азотних речовин бобовими рослинами за рахунок азоту повітря. Велику роль у засвоєнні атмосферного азоту рослинами грають бульбочкові мікроби з пологів Rhizobium, Eubacteriales, Actinomycetales, Mycobacteriales, види Azotobacter chroococcum, Clostridium pasterianum.

З клітин Clostridium pasterianum, Rhodospirillum rubrum, Bac.polymixa, бактерій пологів Chromatium та Klebsiella отримані азотфіксуючі препарати, що сприяють засвоєнню азоту повітря рослинами.

У сільському господарстві з метою підвищення врожайності використовуються бактеріальні добрива, такі як азотобактерін (готується з азотобактера), нітрагін (з бульбочкових бактерій), фосфобактерин (з Bac. Megatherium).

У сільському господарстві використовуються добрива та пестициди. Потрапляючи в природні умови, ці речовин негативно впливають на природні взаємини в біоценозах, а в кінцевому підсумку по кормовому ланцюжку ці речовини негативно впливають на здоров'я людей. Позитивну роль у руйнуванні цих речовин у воді грають аеробні та анаеробні мікроорганізми.

У сільське господарство застосовується біологічний захист рослин від шкідників. З цією метою використовуються різні організми – бактерії, гриби, віруси, найпростіші, птахи, ссавці та інші організми.

Ідея мікробіологічного методу боротьби із шкідливими комахами вперше була висунута Мечниковим у 1879 році.

У наші дні виготовляють мікробіологічні препарати, що знищують багатьох шкідливих комах.

За допомогою ентеробактеріну можна боротися майже з усіма гусеницями метеликів. Серед шкідників плодово – ягідних рослин – яблунева моль, глід, золотоокість, кільчастий шовкопряд, листовійки та ін.

Вірусний препарат вирин дуже ефективний проти гусениць, що ушкоджують лісові деревини.

Ґрунтові мікроорганізми є однією з найбільших екологічних груп. Вони відіграють важливу роль у мінералізації органічних речовин та утворенні гумусу. У сільському господарстві ґрунтові мікроорганізми використовуються для виробництва добрив.

Деякі види ґрунтових мікроорганізмів - бактерії, гриби (в основному аскоміцети), найпростіші вступають у складні об'єднання (асоціації) з водоростями, що є компонентами біоценозів як води, так і ґрунту.

Водорості, як активні компоненти ґрунтової мікрофлори, відіграють важливу роль у біологічному кругообігу зольних елементів.

Водорості поряд з іншими мікроорганізмами використовуються у біотехнології.

З понад 100 тис. відомих мікроорганізмів у промисловості застосовуються лише кілька сотень видів, оскільки промисловий штам повинен відповідати ряду суворих вимог:

1) зростати на дешевих субстратах;

2) мати високу швидкість зростання або давати високий вихід продукту за короткий час;

3) проявляти синтетичну активність у бік бажаного продукту; утворення побічних продуктів має бути низьким;

4) бути стабільним щодо продуктивності та вимог умов культивування;

5) бути стійким до фагових та інших типів інфекцій;

6) бути нешкідливим для людей та навколишнього середовища;

7) бажані термофільні, ацидофільні (або алкофільні) штами, оскільки з ними легше підтримувати стерильність у виробництві;

8) інтерес представляють анаеробні штами, оскільки аеробні створюють труднощі при культивуванні - вимагають аерування;

9) продукт, що утворюється, повинен мати економічну цінність і легко виділятися.

На практиці застосовуються штами чотирьох груп мікроорганізмів:

– дріжджі;

– міцеліальні гриби (цвілі);

– бактерії;

- Аскоміцети.

Термін «дріжджі» у сенсі немає таксономічного значення. Це одноклітинні еукаріоти, що належать до трьох класів: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

До аскоміцетів відносять, перш за все, Saccharomyces cerevisiae, певні штами якого використовуються в пивоварінні, виноробстві, виробництві хліба, етилового спирту.

Аскоміцети Saccharomyces lipolytica деградують вуглеводні нафти і використовуються для отримання білкової маси.

Дейтероміцет Candida utilis використовують як джерело білка та вітамінів та вирощують на нехарчовій сировині: сульфітних лугах, гідролізатах деревини та рідких вуглеводнях.

Дейтероміцет Trichosporon cutaneum окислює багато органічних сполук, у тому числі токсичних (наприклад, фенол), і використовується при переробці стоків.

Міцеліальні гриби використовують:

– в отриманні органічних кислот: лимонної (Aspergillus niger), глюконової (Aspergillus niger), ітаконової (Aspergillus terreus), фурмарової (Rhizopus chrysogenum);

– в отриманні антибіотиків (пеніциліну та цефалоспорину);

– у виробництві спеціальних видів сирів: камамберу (Penicillium camamberti), рокфору (Penicillium roqueforti);

- Викликають гідроліз в твердих середовищах: в рисовому крохмалі при отриманні саке, в соєвих бобах при отриманні темпеха, місо.

Корисні бактерії належать до еубактерій.

Промислове застосування з давніх-давен мають молочнокислі бактерії пологів Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.

Оцтовокислі бактерії пологів Acetobater, Gluconobacter перетворюють етанол на оцтову кислоту.

Бактерії роду Bacillus використовуються для виробництва шкідливих комах токсинів, а також для синтезу антибіотиків і амінокислот.

Бактерії роду Corynebacterium застосовуються для виробництва амінокислот.

З актиноміцетів найбільш представницькими є роди Streptomyces і Micromonospora, які використовуються як продуценти антибіотиків. При зростанні на твердих середовищах актиноміцети утворюють тонкий міцелій з повітряними гіфами, які диференціюються в конідіоспор.

В даний час за допомогою мікроорганізмів синтезують такі сполуки:

- алкалоїди,

– амінокислоти,

- антибіотики,

- антиметаболіти,

- Антиоксиданти,

- білки,

- Вітаміни,

- Гербіциди,

- інгібітори ферментів,

- інсектициди,

- іонофори,

- коферменти,

- Ліпіди,

- нуклеїнові кислоти,

- нуклеотиди та нуклеозиди,

- окислювачі,

- Органічні кислоти,

- пігменти,

- поверхнево активні речовини,

- полісахариди,

- протиглистові агенти,

- Протипухлинні агенти,

- Розчинники,

- ростові гормони рослин,

- цукру,

– стерини та перетворені речовини,

- фактори транспорту заліза,

– фармакологічні речовини,

- ферменти,

- емульгатори.

2 ВИРОБНИЦТВО БІЛКІВ ОДНОКЛІТИННИХ

ОРГАНІЗМІВ

^

2.1 Доцільність використання мікроорганізмів для

виробництва білка

Відповідно до норм харчування людина повинна щодня отримувати з їжею від 60 до 120 г повноцінного білка.

Для підтримки життєвих функцій організму, побудови клітин та тканин необхідний постійний синтез різних білкових сполук. Якщо рослини та більшість мікроорганізмів здатні синтезувати всі амінокислоти з вуглекислого газу, води, аміаку та мінеральних солей, то людина та тварини не можуть синтезувати деякі амінокислоти (валін, лейцин, ізолейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан та фенілаланін). Ці амінокислоти називаються незамінними. Вони мають надходити з їжею. Їх недолік викликає тяжкі захворювання людини та знижує продуктивність сільськогосподарських тварин.

Нині світовий дефіцит білка становить близько 15 млн.т. Найбільш перспективним є мікробіологічний синтез. Якщо для великої рогатої худоби потрібно 2 місяці для подвоєння білкової маси, для свиней – 1,5 місяці, для курчат – 1 місяць, то для бактерій та дріжджів – від 1 до 6 годин. Світове виробництво харчових білкових продуктів з допомогою мікробного синтезу становить понад 15 тис. т на рік.

Розглянемо приклад: час подвоєння кишкової палички становить 20 хв, тоді через 20 хв із однієї клітини утворюється дві дочірніх, через 40 хв – чотири «онуки», через 60 хв – вісім «правнучок», через 80 хв – 16 «праправнучок». Через 10 год 40 хв з однієї бактерії буде утворено понад 6 млрд. бактерій, що відповідає населенню Землі, а через 44 год з однієї бактерії масою 110 -12 г утворюється біомаса в кількості 61024 г, що відповідає масі Землі.

Використання різних мікроорганізмів як джерела білка і вітамінів обумовлено такими факторами:

А) можливістю використання для культивування мікроорганізмів різноманітних хімічних сполук, зокрема відходів виробництв;

Б) щодо нескладної технології виробництва мікроорганізмів, яке може здійснюватися цілий рік; можливістю його автоматизації;

В) високим вмістом білка (до 60...70%) та вітамінів, а також вуглеводів, ліпідів у мікробіальних препаратах;

Г) підвищеним вмістом незамінних амінокислот, порівняно з рослинними білками;

Д) можливістю спрямованого генетичного впливу на хімічний склад мікроорганізмів з метою вдосконалення білкової та вітамінної цінності продукту.

Для промислового виробництва харчових продуктів на основі мікроорганізмів потрібні ретельні медико-біологічні дослідження. Такі продукти повинні пройти всебічну перевірку для виявлення канцерогенної, мутагенної, ембріотропної дії на організм людини та тварин. Токсикологічні дослідження, засвоюваність продуктів мікробного синтезу – основні критерії доцільності технології виробництва.

Для отримання білків використовуються дріжджі, бактерії, водорості та міцеліальні гриби.

Перевагою дріжджів перед іншими мікроорганізмами є їхня технологічність: стійкість до інфекцій, легкість відокремлення від середовища завдяки великим розмірам клітин. Вони здатні накопичувати до 60% білка, багатого лізином, треоніном, валіном та лейцином (цих амінокислот мало в рослинних кормах). Масова частка нуклеїнових кислот становить до 10%, що шкідливо діє організм. В результаті їх гідролізу утворюється багато пуринових основ, що перетворюються потім на сечову кислоту та її солі, які є причиною сечокам'яної хвороби, остеохондрозу та інших захворювань. Оптимальна норма добавок дріжджової маси до корму сільськогосподарських тварин становить від 5 до 10 % від сухих речовин. Дріжджі застосовуються для харчових та кормових цілей.

Перевагами бактерій є висока швидкість росту та здатність синтезувати до 80 % білка. Отриманий білок містить багато дефіцитних амінокислот: метіоніну та цистеїну. Недоліками є невеликі розміри клітин та низька їх концентрація в культуральному середовищі, що ускладнює процес виділення. У деяких бактеріальних ліпідах можуть бути токсини. Масова частка нуклеїнових кислот до 16%. Використовуються лише для кормових цілей.

Перевагами водоростей є високий вміст повноцінного за амінокислотним складом білка, що накопичується в кількості 65%, легке виділення водоростей із культурального середовища, низький вміст нуклеїнових кислот – 4% (для порівняння – у вищих рослин 1…2%). Водорості використовуються для харчових та кормових цілей.

Міцеліальні гриби традиційно використовуються в якості харчового продукту в країнах Африки, в Індії, Індонезії, Китаї та ін. кишечнику тварин. Масова частка нуклеїнових кислот становить 25%.

З 1985 р. мікробіальний білок використовується в харчовій промисловості для виготовлення різних продуктів і напівфабрикатів.

У виробництві харчових продуктів розглядаються три основні форми використання мікробного білка:

1) цілісна маса (без руйнування клітинних стінок);

2) частково очищена біомаса (передбачається руйнування клітинних стінок та видалення небажаних компонентів);

3) виділені із біомаси білки (ізоляти).

ВООЗ (Всесвітня організація охорони здоров'я) зробила висновок, що білок мікроорганізмів можна використовувати в продуктах харчування, але допустима кількість нуклеїнових кислот, що вводяться разом із білком у дієту дорослої людини, не повинна перевищувати 2 г на добу. Введення мікробіального білка не викликає негативних наслідків, але трапляється прояв алергічних реакцій, шлункові захворювання тощо.