Biotechnology 3. Мікроорганізми основні об'єкти промислової біотехнології

Мікроорганізми основні

біотехнології

промислової

Промислова біотехнологія

Тема 3. Промислова біотехнологія

Мікроорганізми основні об'єкти промислової біотехнології

1. Мікроорганізми – об'єкти біотехнології

2. Систематика промислових мікроорганізмів

3. Продукти ферментації та метаболізму мікроорганізмів

• Біотехнологічні продукти первинного метаболізму

• Біотехнологічні продукти вторинного метаболізму

Промислова біотехнологія –це застосування біотехнології для

промислової обробки та виробництва різних важливих продуктів

(хімічних речовин, матеріалів, палива, тощо). Це включає практику

використання мікроорганізмів/компонентів мікроорганізмів, таких як

ферменти, або інших

Чому для отримання органічних продуктів використовувати

мікроорганізми а не хімічні реакції in vitro?

найвідомішою/найстарішою/найпоширенішою

Гліколіз (Шлях ЕмбденаМеєргофаПарнаса) –складний анаеробний процес перетворення глюкози в піруват з утворенням АТФ (аденозинтрифо сфату) та НАДН (відновленого нікотинамідаденін динуклеотиду) за участі 10 різних ензимів, інших органічних молекул

Мікроорганізми були присутні на Землі 3,5–4 мільярди років тому і з тих пір

еволюціонували та поширювалися в усі можливі середовища існування.

Промислові мікроорганізми – бактерії, архибактерії, гриби, найпростіші, що використовуються в виробництві комерційно значимих продуктів в

промислових масштабах

Промисловий мікроорганізм

ферментація Цільовий продукт

Мікробний біокаталіз — використання мікробних ензимів (біокаталізаторів) для

сприяння або каталізу певних хімічних реакцій. Біокаталіз передбачає

застосування цілих мікробних клітин, іммобілізованих клітин , клітинних

екстрактів, очищених або іммобілізованих мікробних ензимів. Мікробний біосинтез — утворення органічних сполук живими мікроорганізмами. При біосинтезі прості

попередників,

ферментів, кофакторів та хімічної енергії. Природні продукти / мікробні метаболіти можна використовувати:

1. застосувати природний продукт/продукт бродіння безпосередньо в медицині, сільському господарстві чи будь-яких інших сферах;

2. використання його як вихідний матеріал для подальшої хімічної або

мікробіологічної модифікації (дериватизація);

3. мікробні метаболіти можуть бути використані як сполуки для хімічного

синтезу нових аналогів або як шаблони для дизайну нових ліків.

Тема 3. Промислова біотехнологія

Мікроорганізми основні об'єкти промислової біотехнології

1. Мікроорганізми – об'єкти біотехнології

2. Систематика промислових мікроорганізмів

3. Продукти ферментації та метаболізму мікроорганізмів

• Біотехнологічні продукти первинного метаболізму

• Біотехнологічні продукти вторинного метаболізму

Actinobacteria:

Мікроорганізми – об'єкти біотехнології

Бактерії (Грам позитивні, Грам негативні): оцтову кислоту (Gluconobacter suboxidans), молочнокислі продукти (Lactobacillus, Leuconostoc) інсектициди (Bacillus thuringiensis), гербуциди (Methylomonas), вітаміни (Clostridium – Riboflavinum); антибіотики (Actinobactria) переробка відходів, виробництво добрив, розчинників, органічних кислот, біогазу та фотоводню, здатність фіксувати атмосферний азот.

Гриби: гібереліни та цитотоксини (Fusarium and Botrytis cinerea), каротеноїди (астаксантин для рибництва продукується Phaffia rhodozima), протеїн (Candida, Saccharomyces lipolitica); сири типу рокфор і камамбер (Penicills); соєвий соус (Aspergillus oryzae)

Водорості: виробництво протеїнів, кормів для тварин (Chlorella і Scenedesmus)

Найпростіші: кормовий протеїн (Euglena) Архибактерії широко не використовуються в біотехнологічних виробництвах. Проте, їхня здатність до росту в екстремальних умовах (при температурах 100⁰С та екстремальних значеннях рН, концентрації солей) може надати переваги їх подальшого

використання в промисловості, де надзвичайні фізіологічні властивості Archaea нададуть перевагу над можливими сторонніми мікроорганізмами.

Pfu полімераза – продукт екстремофіла гіпертермофіла

Pyrococcus furiosus використовується в ПЛР оптимум дії

при 100 °C

Pyrococcus furiosus

мікроорганізмів

1. Швидший ріст мікроорганізми в порівнянні з рослинами і тваринами (розмножуються шляхом подвійного поділу). З мікроорганізмів біотехнологічні

продукти можна отримати за кілька днів, тоді як з тварин або рослин – за кілька місяців(років).

2. Невелика потреба в просторі для росту мікроорганізмів. 100 000-літровий

ферментер можна розмістити на 90 квадратних метрах простору, тоді як для

отримання еквівалентної кількості продукту рослини чи тварини потребують

кілька гектарів землі.

3. На мікроорганізми не впливає мінливість погоди, що є суттєвим фактором впливу

на сільськогосподарське виробництво, особливо на ріст та розвиток рослин.

4. Мікроорганізми не уражаються хворобами рослин і тварин, проте можуть

заражатися фагами чи іншими патогенними мікроорганізмами.

5. Немає чіткого межа між ядром і цитоплазмою, ДНК не створюють хромосом, що полегшує біотехнологічні та генно-інженерні маніпуляції

6. Більшість прокаріотів не створюють міжклітинних органел, оточених мембраною, що полегшує їх розділення від кінцевого продукту та його подальше очищення

Тема 3. Промислова біотехнологія

Мікроорганізми основні об'єкти промислової біотехнології

1. Мікроорганізми – об'єкти біотехнології

2. Систематика промислових мікроорганізмів

3. Продукти ферментації та метаболізму мікроорганізмів

• Біотехнологічні продукти первинного метаболізму

• Біотехнологічні продукти вторинного метаболізму

Мікроорганізми – продуценти важливих продуктів та основа

мікробіологічних виробництв:

Продуктів:

• Вино • Пиво

• Квас • Йогурт

• Сири

• Інші кисломолочні

продукти

Соєвий соус

Метаболітів:

• Етанол

• Бутанол

• Ацетон

• Ізопропанол

• Гліцерин

• Органічні кислоти (оцтова, лимонна, молочна та ін.)

• Амінокислоти

• Антибіотики

• Вітаміни

• Ензими

• Алкалоїди

• Каротиноїди

• Інгібітори ферментів

• Гербіциди та інсектициди

• Ліпіди

• Нуклеотиди, нуклеозиди, нуклеїнові кислоти

• ПАР

• Пігменти

• …

Мікробної біомаси:

• Як харчової та кормової добавки

• Як добрива (бактеріїазотфіксатори)

• Як джерела інсектицидів, токсинів для с/г шкідників

• Як антагоніста фітопатогенної мікрофлори

• Для виробництва вакцин

• Препаратів бактеріофагів, проти патогенних бактерій

• Препаратів для нормалізації мікрофлори кишечника людини

• …

Продукти мікробного ферментації

та метаболізму: Первинні метаболіти — низькомолекулярні сполуки необхідні для росту мікробів є будівельними блоками макромолекул або беруть участь у синтезі коферментів: амінокислоти, органічні кислоти, пуринові та піримідинові

нуклеотиди, вітаміни та ін. Вихідні штами для промислових процесів є природними з порушенням регуляції синтезу цих метаболітів тому утворюють їх надлишок. Вторинні метаболіти – це низькомолекулярні сполуки, що утворюються на пізніх стадіях розвитку культури, за хімічною будовою належать до різних груп сполук та не потрібні для росту мікроорганізмів. До їх складу входять антибіотики, алкалоїди, гормони росту рослин, токсини та пігменти. Ензими – органічні каталізатори білкової або РНК природи, що утворюються в мікроорганізмах, що прискорюють біохімічні реакції як in vivo, так і in vitro. Клітинна біомаса – цілісні клітини живих чи інактивованих мікроорганізмів для подальшого використання в якості кормових додатків чи подальшого

біотехнологічного виробництва (дріжджі, спіруліна, хлорела, …)

Первинні метаболіти — це невеликі

хімічні сполуки, які безпосередньо

беруть участь у рості, розвитку та

розмноженні живих організмів.

1. утворюються у фазі росту внаслідок

енергетичного обміну та є основними компонентами правильного росту.

2. продукуються в невеликих кількостях, їх екстракція утруднена.

3. є ключовими компонентами для

підтримки нормальних фізіологічних функцій в організмі.

4. до первинних метаболітів відносять етанол, молочну кислоту, нуклеотиди, вітаміни та деякі амінокислоти.

5. У промисловій мікробіології етанол є найпоширенішим первинним

метаболітом, який виробляється у великих масштабах шляхом бродіння, амінокислоти, такі як L-лізин і Lглутамат, лимонна кислота виробляються у великих масштабах.

Вторинні метаболіти — це невеликі

органічні сполуки, що утворюються

шляхом модифікації первинних

метаболітів.

1. утворюються в стаціонарній фазі

росту.

2. утворюються у великій кількості їх

екстракція є легкою.

3. не відіграють ролі в рості, розвитку

або розмноженні мікроорганізмів, важливі у екологічних функціях, таких як захисні механізми.

4. токсини, гібереліни, алкалоїди, антибіотики, біополімери є

прикладами вторинних метаболітів.

5. Атропін (антагоніст ацетилхолінових рецепторів) і антибіотики, (еритроміцин і бацитрацин) є комерційно важливими вторинними метаболітами, які виробляються у великих масштабах.

Первинні метаболіти – це важливі

центральні сполуки, необхідні для підтримки процесу росту, формування

форми, структури та каркасів клітин та

здійснення фізико-хімічних процесів в

організмі. Надмірна продукція первинних метаболітів є

важливим завданням для

промисловості.

первинного біосинтезу

Вітаміни — синтезуються в надлишку мікроорганізмами з використанням

хімічних компонентів культурального середовища, накопичуються в

культурах, та виділяються із них. Комерційно для виробництва вітамінів

використовують

такі мікроорганізми:

• Blakeslea trispora –

• Ashbya gossrypii

• Gluconobacter oxidans

• Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Pseudomonas denitrificans і

Streptomyces olivaceous – вітамін B12

Амінокислоти — мікробна

ферментація глюкози, ацетату і сахарози різними мікроорганізмами

використовується

для синтезу d- і l-аланіну, l-глутамінової кислоту, l-лейцин, l-лізин і l-треонін.

• Microbacterium ammoniaphilum (глюкоза → d- і l-аланін)

• Micrococcus glutamicus (глюкоза → l-глутамінова кислота)

• Brevibacterium lactofermentum (глюкоза → l-лейцин)

• Brevibacterium flavum (ацетат → l-лізин)

• Escherichia coli K12 (глюкоза → l-треонін)

• Corynebacteria glutamicum (l-глутамат і l-лізин).

Продукти первинного біосинтезу

Етанол — виробляється шляхом спиртового анаеробного бродіння

вуглеводів через піруват і ацетальдегід для промислових, лабораторних

і

паливних цілях (розчинник, екстрагент і антифриз). Етанол є основою

розчинників, барвників, фармацевтичних препаратів, мийних засобів,

пестицидів, вибухових речовин, смол, пластифікаторів, гальмівних

рідин, сечовиноформальдегідних смол та присадок до бензину.

Ацетон-бутанол — виробляється Clostridium acetobutylicum в

анаеробних умовах. Різні штами C. acetobutylicum використовують різні

субстрати (картопля, патока, кукурудза тощо), крохмаль розщеплюється до глюкози, яка метаболізується з утворенням ацетону, бутанолу, етанолу тощо. Штами розроблені для отримання максимально

можливого співвідношення бутанолу до ацетону і етанолу.

кислоти — є або кінцевими продуктами гліколізу (молочна кислота, пропіонова кислота), або продуктами неповного окислення цукрів (лимонна кислота, ітаконова кислота та глюконова кислота) видами Penicillium і Aspergillus.

• оцтова кислота використовується

дослідженнях.

• фумарова кислота використовується в смолах.

• солі кальцію, заліза і калію глюконової кислоти використовуються в медицині, а також в миючих засобах.

• молочна кислота використовується в харчовій промисловості (наприклад, для приготування фруктових екстрактів, сиропу та солінь), для фарбування, дублення, декальцинації шкіри, пластмас, а також у

медицині як лактати кальцію та заліза

• лимонна кислота використовується в харчовій промисловості (наприклад, приготування фруктових напоїв, кондитерських виробів, джемів, желе, консервованих фруктів, цукерок, вин, тощо), у фармації (для переливання

крові, створення шипучих продуктів), у косметиці (в’яжучі лосьйони, шампуні та рідини для фіксації волосся), у промисловості (гальванічні

покриття, для дублення шкіри, чищення труб, реактивації старих нафтових свердловин, тощо).

Тема 3. Промислова біотехнологія

Мікроорганізми основні об'єкти промислової біотехнології

1. Мікроорганізми – об'єкти біотехнології

2. Систематика промислових мікроорганізмів

3. Продукти ферментації та метаболізму мікроорганізмів

• Біотехнологічні продукти первинного метаболізму

• Біотехнологічні продукти вторинного метаболізму

Мікроорганізми основні

біотехнології

промислової