Объекты биотехнологии

   Содержание: 

1. Бактерии  и цианобактерии
2. Использование грибов в биотехнологии
3. Простейшие в биотехнологии
4. Водоросли
5. Растения в биотехнологии
6. Список литературы

   3

   5 

   6

   8

   10

   12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Объекты биотехнологии и  их биотехнологические функции. 

   Биотехнологические  объекты находятся на разных ступенях организации:

   а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);

   б) бактерии и цианобактерии;

   в) грибы;

   г) водоросли;

   д) простейшие;

   е) культуры клеток растений и животных;

   ж) растения – низшие (анабена-азолла) и высшие – рясковые. 

   Бактерии  и цианобактерии

   Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько  сотен видов. Биотехнологические функции  бактерий разнообразны. Бактерии используются при производстве: - пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter suboxidans), молочнокислых  напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.; - микробных  инсектицидов (Bacillus thuringiensis); - белка (Methylomonas); - витаминов (Clostridium - рибофлавин); - растворителей  и органических кислот; - биогаза  и фотоводорода.

   Полезные  бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные  бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в  углекислый газ и воду. Род Bacillus относится  к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры  и имеют перитрихиальное жгутикование. B.subtilis - строгий аэроб, а B.thuringiensis может  жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. C.acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n-бутанол (ацетобутаноловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

   К молочнокислым бактериям относятся  представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны  к кислороду. Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями  рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных  продуктов.

   К бактериям рода Corynebacterium, неподвижные  грамположительные клетки которых  не образуют эндоспор, относятся патогенные (C.diphtheriae, C.tuberculosis) и непатогенные почвенные  виды, имеющие промышленное значение. С.glutamicum служит источником лизина и  улучшающих вкус нуклеотидов. Коринебактерии хотя и считаются факультативными  анаэробами, лучше растут аэробно. Бактерии используются для микробного выщелачивания  руд и утилизации горнорудных  отходов.

   Широко  используется такое свойство некоторых  бактерий, как диазотрофность, то есть способность к фиксации атмосферного азота.

   Выделяют 2 большие группы диазотрофов:

   - симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер - лишайники, азоспириллум - лишайники, анабена – лишайники,  азолла), с корневым клубеньками  (бобовые – ризобии, ольха,  лох, облепиха – актиномицеты);

   - свободноживущие: гетеротрофы (азотобактер,  клостридиум, метилобактер), автотрофы  (хлоробиум, родоспириллум и амебобактер).

   Микробные клетки используют для трансформации  веществ.

   Бактерии  также широко используются в генноинженерных  манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробактерии).

   Производственные  штаммы микроорганизмов должны соответствовать  определенным требованиям: способность  к росту на дешевых питательных  средах, высокая скорость роста и  образования целевого продукта, минимальное  образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и  целевого продукта для человека и  окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в  промышленности проходят длительные испытания  на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством  продуцента является устойчивость к  инфекции, что важно для поддержания  стерильности, и фагоустойчивость.

   Все цианобактерии обладают способностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водоросль. Нити из более или менее округлых клеток, содержат гетероцисты и иногда крупные споры, по всей длине нить одинаковой толщины. В цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену  запасной продукт - анабенин. Такие  представители цианобактерий, как  носток, спирулина, триходесмиум съедобны и непосредственно употребляются  в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают  при увлажнении. В Японии местное  население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана  и называет их ячменным хлебом Тенгу (Тенгу - добрый горный дух).

   Свое  шествие спирулина (Spirulina platensis) начала из Африки — население района озера  Чад давно употребляет ее в  пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться спирулина, но иного вида (Spirulina maxima) — воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности  озер и употребляли в пищу слизистую  массу сине-зеленой водоросли  спирулины. Впервые галеты "текуитлатл" упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S.maxima. В 1964 году бельгийский ботаник  Ж.Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное  население изготовляло из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что  в ней содержится 65% белков (больше, чем в соевых бобах), 19% углеводов, 6% пигментов, 4% липидов, 3% волокон и 3% золы. Для белков этой водоросли  характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Как  озеро Тескоко, так и водоемы  района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах спирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99 % общего количества водорослей. Растет спирулина в щелочной среде при  рН вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли  в сутки, и эта продукция рассылается  в США, Японию, Канаду. В других странах  спирулину культивируют обычно в  искусственных водоемах или специальных  емкостях. Спирулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли  с 1 м2 в день, а расчеты на год  показали, что она превысит выход  пшеницы примерно в 10 раз.

   Преимущества  спирулины по сравнению с другими  съедобными водорослями не только в  простоте культивирования, но и в  несложности сбора биомассы, высушивания  ее, например, под солнцем. В ряде стран выращивают спирулину вида Spirulina platensis. Недавно было показано, что в клетках спирулины, помимо ценного белка, углеводов, липидов, витаминов, в значительных количествах  запасается, например, такое ценное вещество, как поли-b-оксибутират. Отечественная  фармацевтическая промышленность выпускает  препарат «Сплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство. 

   Использование грибов в биотехнологии

   Биотехнологические  функции грибов разнообразны. Их используют для получения таких продуктов, как:

• антибиотики (пенициллы, цефалоспорины);
• гиббереллины и цитокинины (фузариум и ботритис);
• каротиноиды (н-р, астаксантин, придающий мякоти лососевых рыб красно-оранжевый оттенок вырабатывают Rhaffia rhodozima, которых добавляют в корм на рыбозаводах);
• белок (Candida, Saccharomyces lipolitica);
• сыры типа рокфор и камамбер (пенициллы);
• соевый соус (Aspergillus oryzae).

   К грибам относятся дрожжи и плесени.

   Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из сыворотки. Saccharomycopsis lipolytica деградирует углеводороды и употребляется для получения белковой массы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Candida utilis растет в сульфитных сточных водах (отходы бумажной промышленности). Trichosporon cutaneum, окисляющий многочисленные органические соединения, включая некоторые токсичные (например, фенол), играет важную роль в системах аэробной переработки стоков. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин - каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розоватый цвет. Промышленные дрожжи обычно не размножаются половым путем, не образуют спор и полиплоидны. Последним объясняется их сила и способность адаптироваться к изменениям среды культивирования (в норме ядро клетки S.cerevisiae содержит 17 или 34 хромосомы, т.е. клетки либо гаплоидны, либо диплоидны).

   Плесени вызывают многочисленные превращения  в твердых средах, которые происходят пред брожением. Их наличием объясняется  гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищи, употребляемой  в азиатских странах. Пищевые  продукты на основе сброженных плесневыми грибами Rhizopus oligosporus соевых бобов или пшеницы содержат в 5 - 7 раз больше таких витаминов, как рибофлавин, никотиновая кислота) и отличаются повышенным в несколько раз содержанием белка. Плесени также продуцируют ферменты, используемые в промышленности (амилазы, пектиназы и т.д.), органические кислоты и антибиотики. Их применяют и в производстве сыров, например, камамбера и рокфора.

   Искусственное выращивание грибов способно внести и иной, не менее важный вклад  в дело обеспечения продовольствием  возрастающего населения земного  шара. Люди употребляют грибы в  пищу с глубокой древности. Поэтому  сделать грибы такой же управляемой  сельскохозяйственной культурой, как  зерновые злаки, овощи, фрукты, давно  уже стало актуальной задачей. Наиболее легко поддаются искусственному выращиванию древоразрушающие грибы. Это связано с особенностями  их биологии, которые стали нам  известны и понятны только сейчас. Их способность легко расти и  плодоносить использовали с древнейших времен.

   Искусственное разведение древоразрушающих грибов получило довольно широкое распространение. Мицелий съедобных грибов можно  выращивают на жидких средах, например на молочной сыворотке и др., в  специальных ферментерах, в так  называемой глубинной культуре. Это  полностью механизированный и автоматизированный процесс. Так, в Институте микробиологии Академии наук БССР разработаны и апробированы в опытном производстве способы получения белковых грибных препаратов даедалина и пантегрина из мицелия древоразрушающих грибов дедалеопсиса бугристого и пилолистника тигрового, с высоким содержанием белка и биологически активных веществ. По содержанию белка 1 кг этих препаратов эквивалентен 2 кг мяса. По биологической ценности белок этих препаратов не уступает растительным и приближается к животным белкам. Перевариваемость белков данных препаратов составляет свыше 80 %. В основе этого способа получения пищевого белка лежат полученные микологами данные о том, что плодовые тела грибов и их грибница близки по своему химическому составу и пищевой ценности. Грибные белковые препараты даедалин и пантегрин рекомендованы в качестве пищевых добавок после соответствующего медицинского контроля. Исследования в этом направлении продолжаются.