Продукты микробного синтеза

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА БИОХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРОДУКТЫ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА

УФА 2013

Содержание

Введение

1. Микробиологический синтез

1.1 Способность микроорганизмов к синтезу

2. Разнообразие ферментных систем микроорганизмов

2.1 Этапы микробиологического синтеза

2.2 Продукты микробного синтеза

2.3 Микробиологическая трансформация органических соединений

Заключение

Список использованной литературы

микроорганизм бактерия синтез ферментный

Введение

Ферменты вообще и в первую очередь ферменты микробного происхождения в последнее время приобретают все большее значение в различных областях промышленности, сельского хозяйства и медицины. Ассортимент ферментных препаратов, выпускаемых микробиологической промышленностью, быстро расширяется. Это связано с рядом преимуществ микробных ферментов по сравнению с ферментами из других источников. Масштабы их производства практически не лимитированы, для их получения может быть использовано достаточно дешевое сырье. Содержание нужного фермента в получаемом при ферментации продукте значительно выше, чем в растительном или животном материале.

В России и за рубежом большое внимание уделяется изучению биосинтеза практически важных гидролитических ферментов, таких как декстраназы, глюканазы, амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, - применяющихся в медицинской практике, пищевой и легкой промышленности, бытовой химии и сельском хозяйстве. Эти биокатализаторы белковой природы играют важную роль в разработке теоретических основ молекулярной биологии. Поэтому очевидно, что изыскание различных путей получения максимального интересующего исследователя фермента является одной из важнейших задач современной ферментологии.

Синтез ферментов и других белков - это сложный и многоэтапный процесс, который может регулироваться различными механизмами и на разных уровнях: транскрипционном, посттранскрипционном, трансляционном, посттрансляционным.

1. Микробиологический синтез

Микробиологический синтез - промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, кормовых дрожжей), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Иногда к микробиологический синтез относят также промышленные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток.

В микробиологическом синтезе сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения. в результате которого также образуются различные продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, органические кислоты и др.), но преимущественно в результате ферментативного распада органических веществ. Значительная часть продуктов, образующихся в ходе микробного синтеза, обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность для народного хозяйства.

К микробиному синтезу относят широкий круг процессов.

1. Накопление микробной массы для использования её:

а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам;

б) как источника получения белков, липидов, ферментов, токсинов, витаминов, антибиотиков;

в) для борьбы с паразитами животных и растений;

г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений.

2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п.

1.1 Способность микроорганизмов к синтезу

Микробный синтез осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (например, коферментом А и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов -- их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10 мг/мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин B₂ -- до 1--2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответстветствующих метаболитов путём микробного синтеза. При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём Мутанты -- штаммы, у которых сверхсинтез -- следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов. Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100--150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина; мутантные штаммы используются при производстве как этого, так и др. антибиотиков.

2. Разнообразие ферментных систем микроорганизмов

В процессе микробного синтеза получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Так, для синтеза белков, нуклеиновых кислот и др. метаболитов клетки могут использовать в зависимости от особенностей культуры разные неорганические источники азота, а из соединений углерода -- различные углеводы, органические кислоты (в т. ч. уксусную кислоту), жидкие, твёрдые или газообразные углеводороды и др. Определённые виды, способные к Хемосинтезу или Фотосинтезу, в качестве источника углерода могут усваивать углекислый газ.

Таким образом, подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём микробного синтеза желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают микробный синтез весьма эффективным способом производства многих соединений; часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.

Некоторые продукты микробного синтеза давно использовались человеком (например, пекарские дрожжи), но широкое промышленное применение получил начиная с 40--50-х гг. 20 в. Прогресс в этой области связан прежде всего с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью. Освоение в промышленных масштабах производства пенициллина привело к решению многих микробиологических, технологических и инженерных задач. Это, наряду с расширением производства дрожжей как белково-витаминных добавок к кормам, послужило основой для развития промышленного синтеза. Так, в частности, были созданы специальные аппараты -- ферментёры, с помощью которых можно вести технологический процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабжённые устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.

2.1 Этапы микробиологического синтеза

Технологически современный процесс микробиологического синтеза состоит из ряда последовательных этапов (операций). Главные из них:

1. подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;

2. подготовка питательной среды;

3. выращивание посевного материала4

4. культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез, часто называемый ферментацией (например, ферментация антибиотиков);

5. фильтрация и отделение биомассы;

6. выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо;

7. сушка.

Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди других технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др. Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный -- с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов микробного синтеза. Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи).

Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов синтеза, и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом -- с выводом продукта в конце процесса. В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды -- т. е. поверхностным способом.

2.2 Продукты микробного синтеза

Антибиотики -- один из первых продуктов микробиологического синтеза, которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются Актиномицеты, некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Антибиотические препараты, употребляемые преимущественно в медицине, отличаются высокой степенью чистоты. На корм животным чаще идёт концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащий значительное количество др. продуктов обмена веществ продуцента, в том числе витамины, аминокислоты, нуклеотиды и т.п. Некоторые антибиотики (фитобактериомицин, трихотецин, полимиксин) используются как средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом микробиологического синтеза производят в основном витамин B₁₂, а частично и витамин B₂ и его коферментную форму -- флавинадениндинуклеотид (ФАД), каротиноиды, эргостерин. Кроме того, развивается производство разных др. соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин B₁₂ получают практически только путём микробиологического синтеза. Основными продуцентами при этом служат пропионовокислые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента). Многие микроорганизмы способны к сверхсинтезу витамина B₂ с активным выделением его в среду, но в качестве промышленных продуцентов употребляют наиболее активные культуры, главным образом грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii. Помимо свободного витамина, при помощи Е. ashbyii получают также ФАД. в-каротин -- провитамин витамина А, получаемый также другими способами (извлечение из моркови и др. объектов, химический синтез), образуется наряду с другими каротиноидами многими микроорганизмами и содержится в клетках, придавая биомассе характерную окраску от жёлтой до красных тонов; однако наибольший практический интерес представляет культура Blakeslea trispora -- самый активный синтетик, которым и пользуются в основном в качестве продуцента при промышленном биосинтезе. Эргостерин -- провитамин витамина D₂ -- содержится в клетках многих дрожжей; основным источником его промышленного получения служат пекарские дрожжи. Однако уже имеются дрожжевые культуры со значительно более высоким уровнем накопления эргостерина. Комплекс витаминов и коферментов синтезируется, кроме того, в процессе развития дрожжей и накапливается в дрожжевой биомассе, которая привлекает всё более пристальное внимание как источник этих соединений.

Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в народном хозяйстве, особенно в пищевой промышленности. Продуцентами ферментов -- протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, каталазы -- служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значительными технологическими трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в промышленности используют комплексные препараты, содержащие, например, протеазы и липазы, протеазы и амилазы.

Аминокислоты. Наблюдаемый во многих странах недостаток ряда аминокислот в рационах человека и кормах животных вызвал промышленное их получение, в том числе и методом микробиологического синтеза. Существенное преимущество микробиологического синтеза аминокислот перед химическим методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот наиболее важны Лизин и Глутаминовая кислота. Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для производства используются преимущественно мутанты-ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением её в среду.

Нуклеотиды. Широкое развитие микробиологического синтеза нуклеотидов, в частности инозиновой, гуаниловой и др. кислот, получил в Японии, где они используются главным образом как добавки к специфическим продуктам восточной кухни. В будущем нуклеотиды приобретут, вероятно, более важное значение в качестве регуляторов многих энзиматических и гормональных процессов в животном организме. Накопление нуклеотидов происходит преимущественно в культуральной жидкости, т. е. вне клеток продуцентов. Для нуклеотидов, как и аминокислот, используются биохимические мутанты с выраженным сверхсинтезом нужного соединения.

Белок и белково-витаминные препараты. Особое значение как источник белка имеет микробная биомасса. Производство такой биомассы на дешёвом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего белкового дефицита в питании человека и животных. Наиболее интенсивное развитие получили промышленные методы синтеза так называемых кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Кормовые дрожжи содержат значительном количество белка (до 50--55%), в состав которого входят незаменимые аминокислоты, например лизин, Триптофан, Метионин; они богаты витаминами, многими микроэлементами. Для выращивания кормовых дрожжей использовали преимущественно дешёвое углеводное сырьё -- гидролизаты отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительных материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т.д. Ныне в крупных промышленных масштабах организуется производство дрожжей на углеводородах (налканах, газойле, различных фракциях нефти). Большие запасы этого сырья позволяют планировать крупнотоннажное производство микробной биомассы. Для получения белково-витаминной биомассы изучается также возможность применения бактерий. Многие бактерии хорошо растут на углеводородах, в частности газообразных (например, на метане), а также на др. источниках углерода (например, на метаноле и уксусной кислоте). Углеводороды и их производные привлекают внимание и как сырьё для микробиологического синтеза отдельных физиологически активных соединений (аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.д.).

К числу продуктов микробного синтеза следует отнести и некоторые средства защиты растений: бактериальные энтомопатогенные препараты (например, энтобактерин, инсектин, дендробациллин), вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение. Указанное действие вызывают своеобразные «белковые кристаллы» -- носители токсичности, расположенные в микробных клетках.

Методом микробиологического синтеза получают также многие бактериальные удобрения.

2.3 Микробиологическая трансформация органических соединений

К частному случаю микробиологического синтеза относится микробиологическая трансформация органических соединений. За счёт высокой активности специфических энзиматических систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органического соединения, не меняя его основной структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определённых положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидроксилирования, в результате чего меняется физиологическая активность исходного стероидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов -- носителей специфических ферментных систем -- метод микробиологической трансформации получает всё большее распространение.

Микробиологический синтез использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к "сверхсинтезу" - избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки. Такие микроорганизмы выделяют из природных источников или получают их мутантные штаммы (напр., мутантные штаммы плесневых грибов продуцируют пенициллин в 100-150 раз быстрее, чем природные). В качестве продуцентов находят применение культуры, полученные методами генетической инженерии, в которых функционирует чужеродный для них ген. например: в бактерии кишечной палочки (Escherichia соli)-ген гормона роста человека.

Ферментацию проводят в специальных реакторах (ферментерах), снабженных устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха. Управление процессом может осуществляться с помощью ЭВМ. Наиболее удобно ферментацию осуществлять непрерывным способом - при постоянной подаче питательной среды и выводе продуктов микробиологического синтеза. Так производят, например, кормовые дрожжи. Однако большинство метаболитов получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса.

Для выделения и очистки веществ, получаемых с использованием микробиологического синтеза, используют экстракцию из водной фазы органическими растворителями при различных значениях рН, хроматографические методы (в том числе ионообменную хроматографию), кристаллизацию, осаждение. При выделении продуктов белковой природы (ферменты, токсины) предварительно осаждают белки сульфатом аммония или органическими растворителями. Многие операции по выделению проводят на холоде вследствие нестабильности некоторых продуктов обмена веществ.

Заключение

Таким образом, подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём микробного синтеза желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают микробный синтез весьма эффективным способом производства многих соединений; часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.

Изучение ферментов, обнаруживаемых у бактерий, представляет большой интерес для микробиологической промышленности. Изучение особенностей обмена веществ патогенных бактерий необходимо прежде всего для понимания механизмов, с помощью которых они реализуют свою патогенность, т. е. для выяснения сущности патогенеза инфекционных заболеваний. Изучение биохимических свойств бактерий широко используется как для их систематики и классификации, так и для идентификации, т. е. для диагностики.

Список использованной литературы

1. Безбородов А.М., Биосинтез биологически активных веществ микроорганизмами, Л., 1969;

2. Уэбб Ф., Биохимическая технология и микробиологический синтез, пер. с англ., М., 1969;

3. Ахрем А.А., Титов Ю.А., Стероиды и микроорганизмы, М., 1970;

4. «Журнал Всес. химического общества им. Д.И. Менделеева», 1972, т. 17, № 5 (номер посвящен промышленной микробиологии); «Прикладная биохимия и микробиология» (с 1965)

Размещено на Allbest.ru