Біотехнологічний процес має кілька основних елементів, серед яких біологічний агент і продуцент. Кожна біотехнологія починається з використання біологічного агента. Кількість даних агентів розширюється з кожним днем, але, незважаючи на це частіше використовується мікробна клітина. Клітини мікроорганізмів виділяють з різних джерел, і далі за допомогою різних методів покращують і модифікують. При відборі необхідно враховувати, щоб мікробна клітина або її популяція зберігали свої фізико-хімічні властивості при ферментації.
Біотехнології: розвиток і методи
Продуценти, які використовуються в промисловості, повинні бути стійкими до різних несприятливих дій і володіти не впливають по відношенню до людини і екосистемам.
Технології мікробних клітин, які використовуються в промисловості, грунтуються на застосуванні гетеротрофов. Однак незабаром вони поступляться автотрофам і організмам, які розвиваються і не в сприятливих умовах.
Найважливішим компонентом біотехнологічної промисловості виступає біооб'єкт, який перетворює вихідна сировина в готовий продукт. Ці об'єкти можуть бути різного походження, в тому числі бути і трансгенними.
Багато виробництв грунтуються на мікробному синтезі. По ряду причин рослини, тварини як продуценти в порівнянні з мікроорганізмами використовуються рідше.
На початку біотехнологічного процесу виділяються чисті культури продуцента. З певної точки зору рослинні і тваринні культури не відрізняються від клітин мікроорганізмів, однак мікроорганізми більш зручні й економічні, в цьому їх переваги. Сьогодні вивчено з великою точністю близько 100 тисяч видів мікроорганізмів. Найчастіше це прокаріоти, такі як бактерії і актиноміцети, рідше еукаріоти, такі як дріжджі, водорості і т.п.
При такому розмаїтті мікроорганізмів виникає проблема вибору певного виду, штаму, який дасть можливість отримати кінцевий продукт, який використовується в промисловості. З великої кількості організмів, які є в природі, для біотехнологічних процесів використовується тільки невелика частина. Для позначення продуцента використовується бінарна номенклатура, яка включає назву роду і виду на латині і номер штаму.
Продуценти, які використовуються в біотехнології, є одноклітинними або багатоклітинними організмами, які можуть складатися з однакових клітин або являти собою складні клітинні системи.
У промисловості використовують 3 види штамів:
2. Отримані в результаті мутагенезу.
3. Штами, отримані за допомогою генної інженерії.
Штами, які використовуються в промисловості, повинні:
1. Бути нешкідливими для людини і навколишнього середовища.
2. Володіти великою швидкістю накопичення біомаси і в той же час бути економічно вигідними.
3. Мінімальна кількість побічних продуктів.
4. Висока стабільність і стійкість до культивування.
5. Вони не повинні мати токсичністю.
6. Бути стійкими до сторонньої мікрофлори.
7. Володіти здатністю зростання на недорогих субстратах.
За сукупністю цих властивостей оцінюється корисність даного продуцента.
Бактерії в біотехнологіях
Є одним з найбільш часто використовуваних мікроорганізмів в якості продуцентів. Це пов'язано з їх особливостями, по-перше, до швидкого розмноження (поділ кожні 30-60 хвилин); по-друге, обсяг переробляється ними біомаси може перевищувати їх власну масу в 40 разів.
У більшості випадків їх особливості не реалізуються через дії пригнічують чинників. Найважливішими властивостями бактерій, як було вже вище сказано, є їх швидке розмноження і це використовується при виробництві білка і різних БАВ.
Бактерії є універсальними з біохімічної точки зору, це дає їм можливість засвоєння будь-яких поживних речовин. Також вони можуть вибирати необхідні для них речовини з суміші, що обумовлює їх гарне пристосування до мінливих чинників навколишнього середовища.
Стосовно наявності або відсутності кисню бактерії ділять на 3 групи. Найчастіше бактерії-продуценти, які використовуються в біотехнології, є облігатними аеробами, це означає, що їх культивування відбувається при наявності кисню. Ті бактерії, які культивуються при нестачі кисню - мікроаерофіли, процес в даному випадку називається мікроаеробним. Факультативні анаероби - такі мікроорганізми, чиє життя протікає в безкисневих умовах, але які можуть жити і при наявності в середовищі кисню. Прикладом аеротолерантнимі бактерій є метанобразующие бактерії.
У більшості випадків бактерії культивуються на складних середовищах, до складу яких включені різні речовини (вітаміни, амінокислоти і т.п.) забезпечують їх ріст. Ті продуценти, яким для життєдіяльності необхідні фактори росту, називаються ауксотрофамі, а ті, які не потребують їх - прототрофамі. Велика частина продуцентів може рости і на штучних середовищах, в яких джерелом вуглецю виступає одна речовина.
Як продуцентів застосовуються архебактерии. Вони існують в умовах з високими концентраціями речовин і температури. Серед них виділяють галобактеріі, які відрізняються незвичністю середовищ зростання. Вони можуть рости в середовищах, що містять до 30% хлориду натрію, на висушеної солоної риби, шкірі - це все пов'язано з тим, що в їх складі присутні білки, які можуть здійснювати свої механізми тільки при великих концентраціях хлориду натрію.
Як продуцентів застосовуються актиноміцети - це грампозитивні бактерії, які здатні до утворення міцелію. Незважаючи на зовнішню схожість з грибами, вони на відміну від них є прокариотами, здатні до утворення ниток. Актиноміцети здатні продукувати різні антибіотики, що володіють великим колом біологічних дій (тетрациклін, Актіноміцини і ін.).
Бактерії виступають як продуценти при виробництві самих різних лікарських препаратів, це і антибіотики, і амінокислоти, і вітаміни і т.п. При цьому виділяють 2 основні способи їх використання. Перший заснований на накопиченні бактеріальної маси, а другий на синтезі метаболітів і їх накопиченні в середовищі. Також на основі бактеріальної біомаси готують різні вакцини і бактеріофаги для діагностики ряду захворювань.
Бактерії широко використовуються як продуценти для отримання білка, це пов'язано з рядом переваг, характерних для даних продуцентів:
- середовище може включати відходи виробництв;
- висока біологічна цінність;
- швидкі реакції білкового синтезу;
- легкість при культивуванні навіть в великомасштабних виробництвах;
- простота в зміні хімічного складу під дією селекційних методів.
Всього в якості продуцентів в біотехнології і медицині використовується 30 видів бактерій. При їх культивуванні використовуються природний газ, а також низькомолекулярні одноатомні спирти як джерела вуглецю.
Гриби і водорості в біотехнологіях
Гриби також знайшли широке застосування в якості продуцентів. Це частково пов'язано з їх схожістю за деякими ознаками з тваринами і рослинами. Однак відмінностей і переваг з ними у них набагато більше. Як продуцентів використовуються різні мікроміцети, прикладом яких служать дріжджі, так і макроміцети, тобто гриби, які мають плодові тіла.
Гриби відрізняються від бактерій великим діаметром і більш високу стійкість до фагів. Однак вони поступаються бактеріям в швидкості росту.
Дріжджі - найбільш часто застосовуються гриби і єдині, які використовуються в промисловості. Вони широко використовуються у виробництві вина і пива, також при отриманні технічного спирту та багатоатомних спиртів, таких як гліцерин.
Для виробництва спиртного використовуються в основному сахароміцети і кандиди, які в якості джерела органічних речовин використовують найчастіше гексози, проте їх можна культивувати і на низькомолекулярних одноатомних спиртах. При культивуванні дріжджів необхідно дотримуватися оптимальні значення температури і водневого показника (найбільш оптимальна температура для них лежить в межах 30 градусів).
Міцелійобразующіе гриби здатні синтезувати більше 1200 антибіотиків. Найбільш важливими для клінічної медицини є пеніциліни, які в свою чергу синтезуються грибами роду пеніцилін і певними видами Аспергилл. Найважливішим продуцентом для виробництва антибіотиків є P. Chrysogenium. В період його існування утворюються різні форми пеніцилінів, які відрізняються один від одного будовою антибиотической молекули, а також колом своєї дії.
Однак при отриманні антибіотиків на основі мікроміцетів є один істотний недолік - це біомаса, яка представлена міцелієм. Це досить сильно ускладнює весь механізм дії ферментеров і тягне за собою зміну властивостей культуральної рідини.
У зв'язку з цим широке поширення набуло штучне вирощування макроміцетов, тобто утворюють плодові тіла. Встановлено, що гриби мають великий виходом білка в порівнянні з яловичиною і рибою. Це позначається на високу потребу в штучному синтезі грибів в необхідних кількостях і їх використанні в якості біологічних добавок. Однак, незважаючи на все це, гриби є низькокалорійним продуктом і не можуть, входить в раціон людини, яка веде активний спосіб життя, тому що НЕ будуть покривати його фізіологічні витрати.
Водорості застосовуються не тільки в їжу, але використовуються для виробництва йоду, агар-агар, який використовується як ущільнювач при приготуванні ряду поживних середовищ. Також широке застосування водорості знайшли в якості харчових добавок, вітамінних комплексів, в якості сировини для отримання поживних середовищ при культивуванні не тільки МО, але і рослинних і тваринних клітин.
Будь-біотехнологічний процес починається з відбору продуцентів, без наявності яких неможливе одержання кінцевого продукту. В наш час є широке розмаїття живих об'єктів, які можна застосовувати як продуценти. Можуть застосовуватися як прості (одноклітинні), так і складні (багатоклітинні) системи, їх вибір залежить від цілей даного процесу і його цільового продукту.