Мікроорганізми в біотехнології

 

     ЗМІСТ

ВСТУП                                                                                                                 3

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ                                                                                        4

1. Історія  біотехнології                                                                                     4
2. Мікроорганізми – об’єкт біотехнології                                                       6
3. Основні речовини отримані з використанням мікроорганізмів               8

    3.1 Амінокислоти                                                                                        8

         3.1.1 Продуценти амінокислот                                                          9

    3.2 Органічні кислоти                                                                                12

         3.2.1 Продуценти органічних  кислот                                               13

         3.2.2 Продуценти лимонної  кислоти                                                14

         3.2.3 Продуценти молочної  кислоти                                                15

    3.3 Вітаміни                                                                                                16

         3.3.1 Продуценти вітамінів                                                               17

    3.4 Антибіотики                                                                                         19

         3.4.1 Продуценти антибіотиків                                                         20

         3.4.2 Продуценти пеніциліну та граміцидину                                 21

    3.5 Ферменти                                                                                              23

         3.5.1 Продуценти ферментів                                                             24

    3.6 Ліпіди                                                                                                    25

    3.7 Полісахариди                                                                                        27

    3.8 Мікробний білок                                                                                  28

    3.9 Інші синтетичні речовини, отримані  на основі мікроорганізмів    29

4 Генетична  інженерія                                                                                       31

ВИСНОВКИ                                                                                                       33

ЛІТЕРАТУРА                                                                                                     34 

 

     ВСТУП 
 

    Промислова  біотехнологія – це наука про  найважливіші мікробіологічні процеси  і їх практичне застосування для отримання індустріальним способом цінних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів [1].

    Мікробіологічний  синтез виступає як складова і найважливіша частина сучасної біотехнології. Практично  всі основні досягнення біотехнології отримані прямо чи опосередковано при участі мікроорганізмів чи продуктів їх обміну [2].

    Багато  мікроорганізмів володіють помітними  перевагами перед рослинними і тваринними об’єктами , цим і визначається діапазон використання мікроорганізмів в  різних галузях виробничої діяльності людини [3].Успіхи біологічних і інженерних наук дозволяють створити високопродуктивні процеси мікробіологічного виробництва ряду харчових і кормових продуктів, медикаментів та органічних речовин [4].

    В наші дні людина не тільки використовує продукти життєдіяльності організмів, але й управляє внутрішньоклітинними процесами, здійснює направлену модифікацію властивостей організмів, тому впровадження біотехнології з використанням мікроорганізмів веде до створення екологічно чистих технологій в різних сферах людської діяльності, включаючи раціональніше використання природних ресурсів і створення замкнутих виробничих циклів [3].

    Дана  робота розглядає мікроорганізми як об’єкт біотехнології, а саме основних продуцентів промисловоцінних речовин та речовин, що використовуються людиною в різних галузях народного господарства, промисловості та медицині. 
 

    ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ 
 

    1 ІСТОРІЯ БІОТЕХНОЛОГІЇ 
 

    Біотехнологія виникла в давнину (приблизно 6000 – 5000 р до н. е.), коли людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопеченні, готуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві тощо. Цей перший етап розвитку біотехнології був суто емпіричний і продовжував залишатися таким, не дивлячись на вдосконалення технологічних процесів і розширення сфер використання біотехнологічних прийомів, але лише завдяки роботам Луї Пастера в середині 19 століття, що доказали зв'язок процесів шумування з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одержала наукову основу. [1,2]

    У 40-50-ті роки 20 ст., коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості. [1]

    З цієї миті почався другий науковий етап традиційної  біотехнології. У цей період отримані і виділені ферменти, відкрито багато мікроорганізмів; розроблені способи їх вирощування в масових кількостях,  отримані культури тваринних і рослинних клітин і розроблені способи штучного їх культивування, в результаті вивчення фізіології, біохімії і генетики мікробних і тваринних клітин отримано багато продуктів мікробіологічного синтезу, необхідних для медицини, сільського господарства і промисловості.[1,2]

    У 60-70-ті р. 20 ст. почала бурхливо розвиватися  клітинна інженерія. Зі створенням у 1972 групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК in vitro формально пов'язане народження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси.[3] Ці два напрямки визначили образ нової біотехнології, що має мало загального з тією примітивною біотехнологією, що людина використовувала протягом тисячоріч. [4]

    Показово, що в 1970-ті рр. одержав поширення  і самий термін біотехнологія. З цього часу біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією, мікробіологією. За стислий період свого розвитку (25-30 років) сучасна біотехнологія не тільки домоглася істотних успіхів, але і продемонструвала необмежені можливості використання організмів і біологічних процесів у різноманітних галузях виробництва і народного господарства.[1,5] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 МІКРООРГАНІЗМИ – ОБЄКТ БІОТЕХНОЛОГІЇ 
 

    Мікроорганізми – бактерії, дріжджі і міциліальні гриби – це дивовижно ідеальні творіння природи. Мікробна клітина в змозі жити і розмножуватись , використовуючи в якості джерела харчування часто тільки один єдиний органічний субстрат і мінеральні солі. Бактерії можуть жити в аеробних і анаеробних умовах при температурах, близьких до 0 і +80⁰ С [2]. З другої сторони, такі, форми, як ендоспори, що утворюються рядом бактерій, у деяких видів зберігають властивість проростати навіть після кип’ятіння на протязі 1 – 2 год. У деяких видів бактерій (наприклад, Clostridium botulinum) спори не гинуть при короткочасному підвищенні температури до 160 – 180⁰ С [1]. Досконалий, точно регулюємий метаболізм мікробної клітини дозволяє їй рости і ділитись з великою швидкістю. Так, ділення бактерії  Escherichia coli (кишечка паличка) при рості на повноцінному середовищі проходить кожні 15 хв [6].

    Багато  мікроорганізмів зберігають життєздатність в умовах глибокого вакууму, деякі  організми витримують високі дози ультрафіолетового  чи іонізуючого випромінювання. Ріст мікроорганізмів залежить від активної кислотності (рН) середовища [1]. Так, наприклад штами Acinetobacter sp. B – 7005 та мутант 1НГ є ауксотрофами по пантотеновій кислоті. При культивуванні бактерій на середовищі з етанолом без пантотенату кальцію спостерігали зниження рівня біомаси в 3 рази, запобігти цьому вдалось шляхом внесення ацетату в середовище з етанолом,що запобігає зниженню рН до 4,55 – 4,85 [7]. Для більшості мікроорганізмів оптимум рН близько 7,0, тобто сприятливе нейтральна середовище [1].

    Мікроорганізми  мають високе відношення площі поверхні до об’єму клітини, що забезпечує їм високу швидкість обмінних процесів. Також  для мікроорганізмів характерна пластичність метаболізму, тобто швидка адаптація до оточуючого середовища [6].

    Вся життєдіяльність, всі механізми  мікроорганізму запрограмовані на безперервний ріст і ділення до тих пір, поки оточуюче середовище забезпечує хоча би мінімальні для цього умови. Важливо  відмітити, що всі процеси в бактеріальній  клітині підкоряються строгим правилам економії і ні один із первинних метаболітів не утворюється понад строго необхідних для росту кількостях. Якщо порівняти клітину з машиною, то це дуже досконала машина, що має коефіцієнт корисної дії до 70% [1,6.8].

    Мікроорганізми є найпоширенішою групою живих організмів на планеті, вони займають всі екологічні ніші [6].

    Перечислені унікальні властивості мікробної  клітини роблять можливим ефективне  використання мікроорганізмів в  господарській діяльності людини.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 ОСНОВНІ РЕЧОВИНИ, ОТРИМАНІ З  ВИКОРИСТАННЯМ МІКРООРГАНІЗМІВ 
 

    3.1 Амінокислоти 
 

    В живих клітинах синтезується багато макромолекул (білків, нуклеїнових  кислот, полісахаридів), які відіграють роль структурних компонентів, біокаталізаторів, гормонів, рецепторів чи хранилищ генетичної інформації.

    Амінокислоти  являються будівельними блоками  пептидів і білків та визначають їх біологічні властивості, виконують  ряд інших важливих функцій [9].

    В природі існує близько 300 амінокислот, але в склад природних білків входять лише 20: аланін, аргінін, аспарагін, аспарагінова кислота, цистеїн, гліцин, глутамінова кислота, гістидин, глутамін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, оксипролін, пролін, серин, тирозин, треонін, триптофан і валін.  Вісім амінокислот тваринний організм не може синтезувати, їх називають незамінними: фенілаланін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан, валін. Ці амінокислоти повинні постійно надходити з їжею в організм. Нестача однієї з цих амінокислот може стати фактором, що лімітує ріст і розвиток організму [4].

    В останні роки амінокислоти широко використовуються в народному господарстві, особливе значення вони мають для збалансованого білкового харчування. Деякі харчові  і кормові продукти не містять  в своєму складі необхідної кількості незамінних амінокислот (лізин) і для ліквідації можливого дисбалансу їх використовують в чистому вигляді або вводять в склад комбінованих кормів, які випускаються промислово [1]. Препарати амінокислот використовуються також в харчовій промисловості і кулінаріїї в медицині [4]. Вони також використовуються при виготовленні ряду полімерних матеріалів, деяких спеціальних волокон, харчових плівок. Ряд амінокислот або їх похідних мають пестицидну дію [1].   
 

    3.1.1 Продуценти амінокислот 
 

    Мікробіологічний синтез – досить перспективний і економічно вигідний спосіб отримання багатьох амінокислот. В процесі культивування продуцентів амінокислот безпосередньо синтезуються L- амінокислоти. Одна з важливих задач мікробіологічного синтезу амінокислот – отримання високоактивних штамів – продуцентів, частково, з використанням генної інженерії [1].