Курс лекций по биотехнологии - часть 32

 

  Главная      Учебники - Разные     

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание   ..  30  31  32  33   ..

 

 

Курс лекций по биотехнологии - часть 32

 

 

 

249

оптимальная  концентрация  ростовых  факторов.  Эта  величина  не  является 

постоянной.  Она  может  варьировать  в  зависимости  от  сырья,  аэрационных 

возможностей аппаратуры, температуры культивирования. 

Процессы  биосинтеза  аминокислот  являются  энергоёмкими,  в  связи  с  чем 

ферментация при получении аминокислот обязательно должна проводиться в 

аэробных  условиях  при  интенсивной  аэрации  и      перемешивании, 

обеспечивающих скорость растворения кислорода 3-7 г/л в час.  

После  того,  как  в  ферментере  образовалась,  синтезирующая  аминокислоту 

активная  биомасса,  необходимо  создать  такие  условия,  при  которых  клетки 

микроорганизмов «работали» бы как можно дольше. В процессе биосинтеза 

по различным причинам они теряют свою жизнеспособность и для продления 

активного участка ферментации применяет различные методы. В частности, 

для ауксотрофных продуцентов аминокислот (например, продуцента лизина) 

продолжительность  биосинтеза  и  выход  целевой  аминокислоты  могут  быть 

увеличены,  если  по  ходу  ферментации  в  питательные  среды  вносить 

подпитки, содержащие источники углерода в смеси с источниками ростовых 

факторов (белковыми гидролизатами).  

Синтез  целевой  аминокислоты  может  прекращаться  из-за  воздействия  на 

продуцент  токсичных  метаболитов  синтезируемых  самим  же  продуцентом. 

Примером сказанному может служить биосинтез

 

фенилаланина продуцентом 

Bacillus subtilis.  Бациллярные  продуценты  в  процессе  роста  на  средах  с 

углеводами  синтезируют  ацетоин  и  бутандиол - вещества  необходимые 

клеткам  для  образования  спор.  При  этом  клетки  начинают  лизировать, 

спороваться  и  прекращают  вырабатывать  фенилаланин.  Избежать  накопле-

ния побочных примесей удается, если процесс ферментации ведут в условиях 

лимита  по  источнику  углерода.  Раствор  сахара,  служащий  для  этого 

продуцента  источником  углерода,  подают  в  среду  с  постоянной  скоростью, 

но  меньшей,  чем  скорость  его  утилизации  культурой.  Вследствие  этого  в 

культуральной среде поддерживается очень низкая «фоновая» концентрация 

 

250

источника  углерода  и  весь  подаваемый  сахар  расходуется  на  синтез 

фенилаланина.  В  результате, рабочий  цикл  ферментации возрастает  в 1,5-2 

раза,  а  доля  примесей  снижается  (не  только  ацетоина,  но  и  побочных 

аминокислот).  При  этом  выход  фенилаланина  и  конверсия  источника 

углерода в целевую аминокислоту увеличивается почти в 2 раза.  

Эффективность  использования  субстрата  при  биосинтезе  целевой 

аминокислоты  зависит  также  от  продуктивности  биомассы.  Если  синтез 

aминокислоты  разобщен  с  ростом  биомассы  (как  у  продуцента  лизина),  то 

эффективность  использования  субстрата  будет  тем  выше,

 

чем  дольше 

культура  будет  работать  после  остановки  роста.  Если  же  синтез  идет 

параллельно росту (как у продуцента треонина), то продуктивность биомассы 

можно увеличить, перераспределив потоки субстратов внутри клетки, то есть 

расширяя 

поток 

предшественников 

на 

биосинтез 

аминокислоты, 

одновременно сужая все остальные потоки. Однако, не всегда этого удается 

достичь  с  помощью  таких  технологических  приемов,  как  в  примере  с 

продуцентом фенилаланина. Для этой цели наиболее действенными являются 

методы  генетической  инженерии -  введение  в  клетку  микроорганизма 

многокопийных  гибридных  плазмид,  содержащих  гены  контролирующие 

биосинтез  аминокислоты,  что  приводит  к  увеличению  количества 

соответствующих  ферментов  в  клетке.  У  генноинженерных  продуцентов 

ферментативная  система  действует  наподобие  «вакуумного  насоса» 

мобилизующего все pecypcы  клетки на образование целевой аминокислоты, 

в  ущерб  росту  биомассы  и  синтезу  других  клеточных  компонентов.  При 

введении  гибридных  плазмид,  побочные  примеси,  как  правило, 

автоматически исчезают, при этом продуктивность биомассы и коэффициент 

использования субстрата существенно возрастают.  
8.4.   Пробиотики 

   Пробиотики - это живые организмы и/или вещества микробного или иного 

происхождения,  оказывающие  при  естественном  способе  введения 

 

251

благоприятные  эффекты  на  физиологические  функции,  а  также 

биохимические  и  поведенческие  реакции  организма  хозяина,  путем 

оптимизации его микробиологического статуса. 

   Термин  организмы  симбионты  происходит  от  слова  симбиоз - совместное 
проживание организмов разных видов в одной и той же экологической нише. 
Симбиоз  многоклеточных  организмов  с  одноклеточными - это  древнейшее 
явление  в  эволюции.  Оно  возникло  в  тот  момент,  когда  появились  
многоклеточные  организмы.  Известно,  что  в  соответствии  с  научными 
представлениями,  жизнь  на  Земле  возникла  около 3-4 миллиардов  лет  тому 
назад  в  силу  естественных причин. При  этом  первыми живыми существами 
были  микроорганизмы.  По  некоторым  данным  их  эволюция  продолжалась 
почти  целый  миллиард  лет.  Именно  за  это  время  сформировалось  все 
многообразие биохимических реакций, которые лежат в основе центрального 
метаболизма всех живых существ.  
Многоклеточные организмы возникли на основе одноклеточных  в мировом 
океане  (в  одной  и  той  же  экологической  нише)  и  симбиоз  многоклеточных 
организмов  с  одноклеточными  наблюдался  с  самого  начала  их 
возникновения.  Известно,  что  в  процессе  эволюции  у  многоклеточных 
организмов 

сформировались 

как 

механизмы 

обеспечивающие 

переменчивость  внутренней  среды,  так - и  типы  взаимодействия 
многоклеточных    организмов  с  одноклеточными.  На  сегодняшний  день 
известны следующие формы симбиоза: 

1.  Мутуализм - взаимовыгодный симбиоз 
2.  Паразитизм - один  из  партнеров  получает  одностороннюю  выгоду  за 

счет другого 

3.  Комменсализм - один из партнеров получает одностороннюю выгоду, 

не нанося при этом никакого ущерба другому организму 

4.  Нейтрализм - партнеры не оказывают заметного влияния друг на друга 

Все эти формы симбиоза наблюдаются в том случае, когда рассматривается 
симбиоз  одноклеточных  микроорганизмов  с  многоклеточными.  Когда 
говорят  конкретно  о  симбиозе  человека  с  микроорганизмами,  то  имеют 
ввиду,  что  кожные  покровы,  слизистые  оболочки  и  полости  человеческого 
тела,  сообщающиеся  с  внешней  средой,  заселены  огромным  количеством 

 

252

микроорганизмов симбионтов. Желудочно-кишечный тракт - от полости рта 
до прямой кишки; органы дыхания - от носоглотки до альвеол; влагалище у 
женщин.  Особенно  много  микроорганизмов  в  толстом  кишечнике,  где  
насчитывается до 20 родов и более 100 видов микроорганизмов, обладающих 
огромной 

метаболической 

 

активностью. 

По 

этой 

активности 

микроорганизмы  толстого  кишечника  сравнивают  иногда  с  печенью,  где 
метаболическая  активность  считается  наивысшей.  Естественно,  что 
микроорганизмы  толстого  кишечника  оказывают  существенное  влияние  на 
физиологию человека (рис.17).  
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Рис. 17.              Функции симбионтной микрофлоры 
 

 

Симбионтная     микрофлора

участвует в процессе 
переваривания пищи 

участвует в питании 
организма человека

 

обеспечивает неспецифическую 
резистентность макроорганизма 

обеспечивает колонизационную 
резистентность макроорганизма 

предотвращает воздействие 
онкогенных факторов  на 
организм человека 

 

253

Микрофлора толстого кишечника участвует в процессе переваривания пищи 

-  попадающие  туда  белки,  углеводы  и  другие  компоненты  пищи 

расщепляются 

ферментами, 

продуцируемыми 

микроорганизмами 

симбионтами.  Они  также  способны  продуцировать  ферменты,  так 

называемые  целлюлазы, - комплекс  ферментов,  который  позволяет 

расщеплять клетчатку. Для человека эта функция симбионтной микрофлоры 

играет небольшую роль, в тоже время у некоторых организмов (травоядные и 

жвачные  животные)  усвоение  клетчатки  осуществляется  только  благодаря 

микроорганизмам 

симбионтам. 

Кроме 

перечисленных 

субстратов, 

микроорганизмы  толстого  кишечника  могут  осуществлять  гидролиз 

(способствовать  усвоению)  других  компонентов  пищи.  В  частности, 

молочнокислые  бактерии  расщепляют  лактозу  до  молочной  кислоты. 

Микроорганизмы симбионты способны также расщеплять некоторые другие 

попадающие  с  пищей  соединения.  Например,  они  могут  восстанавливать 

нитраты  до  нитритов  и  далее – катализировать  последние.  Нитриты  могут 

обладать  мутагенными  и аутогенными (онкогенными) свойствами, поэтому 

нейтрализуя  их,  микроорганизмы  предотвращают  воздействие  этих 

потенциально  активных    аутогенных  (онкогенных)  факторов    на  организм 

человека.  С  другой  стороны,  следует  отметить,  что  некоторые 

микроорганизмы  симбионты  могут,  наоборот,  активировать  некоторые 

проканцерогенные вещества.  

Далее,  микроорганизмы  симбионты  обеспечивают  организм  человека 

некоторыми  питательными  веществами,  например,  витаминами  (витамин  К, 

витамины  группы  В,  в  меньшей  степени  каротиноиды  и  другие 

жирорастворимые 

витамины). 

Кроме 

витаминов, 

они 

способны 

продуцировать  органические  кислоты  (молочную,  уксусную,  янтарную, 

муравьиную),  которые  всасываются  и  усваиваются  макроорганизмом. 

Некоторые  из  этих  микроорганизмов    могут  продуцировать  незаменимые 

аминокислоты, в частности, лизин, триптофан, треонин.  Одновременно 

 

254

микроорганизмы  симбионты  обеспечивают  утилизацию  микроэлементов, 

образуя  комплексы,  которые  более  эффективно  всасываются  в  кишечнике. 

Это особенно важно, когда этих микроэлементов в пище недостаточно.  

Также  симбионтная  микрофлора  является  стимулятором  неспецифического 

иммунитета  (антигенным  стимулятором)  и  обеспечивает  неспецифическую 

резистентность макроорганизма.  

И  последнее,  заселив  желудочно-кишечный  тракт  (так  называемая 

резидентная  микрофлора),  микроорганизмы  симбионты  препятствует 

поселению  здесь  посторонних  микроорганизмов, в том числе  и патогенных. 

В  окружающей  среде  существует  огромное  количество  микроорганизмов, 

которые нашли бы в кишечнике человека благоприятные условия для своего 

развития. Здесь – и обилие питательных веществ, и постоянная температура, 

и  влажность  и  т.д.  Однако,  патогенные  микроорганизмы  (гнилостные,  а 

также    продуцирующие  различные  токсины  и  токсические  соединения,  

например, Clastridium butulinum) не  размножаются  в  кишечнике  человека. 

Почему  этого  не  происходит?  Потому,  что  экологическая  ниша  занята 

микроорганизмами  симбионтами,  которые  препятствуют  поселению  здесь 

посторонней микрофлоры. 

Функции  симбионтной  микрофлоры,  в  основном,  были  установлены  в 

течение  прошлого  века.  Главную  роль  здесь  сыграли  эксперименты  на 

стерильных  животных  (гнотобионтах).  Гнотобиология - это  область 

биологии, которая занимается изучением стерильных животных, в организм 

которых вводят  тот  или  иной  микроорганизм.  А затем - исследуют  влияние 

микрофлоры  на  жизнедеятельность  организма  животных  и  птиц.  Например, 

для  того,  чтобы  получить  стерильного  цыпленка,  куриное  яйцо  тщательно 

обрабатывают антисептиками, убивая все микроорганизмы на поверхности и 

в  порах  скорлупы  и  помещают  его  в  термостат.  Через 21 день  вылупляется 

цыпленок,  которого  помещают  в  стерильную  камеру,  куда  подается 

стерильный  воздух;  кормят  стерильной  пищей  и  поят  стерильной  водой.  И 

 

255

наблюдают,  сравнивая  этого  цыпленка  с  тем,  который  живет  в  обычных 

условиях и питается обычной пищей. 

Стерильных  животных  также  можно  получать  кесаревым  сечением. 

Например,  беременной  свинье  делают  кесарево  сечение;  затем  половину 

поросят  помещают  в  стерильные  условия,  а  половину  в  обычные  и 

сравнивают. На основании подобных опытов было установлено: 

1.  Стерильные  животные  живут  несколько  дольше,  чем  нестерильные. (В 

начале прошлого века  И.И.Мечников выдвинул гипотезу о том, что одна из 

причин  старения - это  отравление  организма  человека  гнилостной 

микрофлорой, обитающей в толстом кишечнике. Идея Мечникова о том, что 

существуют  гнилостные  микроорганизмы,  с  которыми  можно  бороться  с 

помощью  других  микроорганизмов,  которые  подавляют  рост  первых, 

получила свое дальнейшее развитие и на ее основе были созданы препараты 

пробиотиков.)  

2.  Эти  животные  нуждаются  в  большом  количестве  питательных  веществ, 

витаминов,  органических  кислот,  и  что  они  хуже  усваивают  некоторые 

органические соединения.  

3. Они являются чрезвычайно чувствительными к любой слабо вирулентной 

и  даже  условно-патогенной  инфекции.  Попавшие  в  стерильную  среду 

условно-патогенные бактерии сразу же заселяют желудочно-кишечный тракт 

и  не  находя  там  никакой  конкуренции,  проникают  в  кровоток,  вызывая 

инфекцию и быструю гибель животного. Это связано с отсутствием у таких 

животных  реакций  неспецифического  иммунитета,  которые  индуцируются 

симбионтной микрофлорой. 

 

Какие же микроорганизмы симбионты обитают в желудочно-кишечном 

тракте?  Классификация  их  постоянно  меняется,  поэтому  рассмотрим 

основные группы (на сегодняшний день) микроорганизмов присутствующие 

в желудочно-кишечном тракте.  

 

256

Первая  группа - это  бифидобактерии (Bifidobacterium  bifidum, longum, 

infantis, brevе)  и  молочнокислые  бактерии (Lactobacillus acidophilus, 

plantarum) - грамположительные,  анаэробные  микроорганизмы  (строгие 

анаэробы),  обычно  лишенные  каталазы,  не  спорообразующие.  Это  самая 

многочисленная  группа  микроорганизмов  симбионтов.  В  процессе 

метаболизма  они  продуцируют  молочную  кислоту  (иногда  только  её)  и 

другие органические кислоты (уксусную и т.д.).  

В кишечном содержимом ребенка, находящимся на грудном вскармливании 

бифидобактерии  составляют  до 99% всех  микробных  популяций.  Их  титр 

доходит  до 10

11 

– 10

12

  в 1 грамме  кишечного  содержимого.  Это 

сметанообразная  масса,  из  которой  состоят  экскременты  ребенка, 

находящегося  на  грудном  вскармливании.  С  началом  прикорма  к 

содержимому  кишечника  ребенка  присоединяются  другие  микроорганизмы. 

Среди  них  важная  роль  принадлежит  лактобактериям  или  молочнокислым 

бактериям. Количество лактобацилл у здоровых людей в 1 грамме кишечного 

содержимого колеблется 5х10

– 5х10

9

.  

Большинство  из  вышеперечисленных  бактерий  относится  к  совершенно 

безвредным  микроорганизмам.  Они  ни  при  каких  условиях  не  вызывают 

патологические  процессы.  Существует  вид Lactobacillus plantarum - 

растительная  палочка  (млечный  сок  на  срезах  растений),  которая  также 

присутствует  в  кишечнике  человека.  Этот  микроорганизм  не  относится  к 

совершенно  безвредным  лактобактериям.  У  людей  с  различными  видами 

иммунодефицита  (спид,  аутоиммунные  заболевания  и  т.д.) Lactobacillus 

рlantarum находят даже на клапанах сердца при эндокардитах.  

Следующий  род  молочнокислых  бактерий  кишечника - это  энтерококки, 

которые  сравнительно  недавно  были  выделены  из  рода Streptococcus. 

Существуют  два  важнейших  вида  энтерококков: Enterococcus faecium и 

Enterococcus faecalis. Среди  последнего  вида  культур - часто  встречаются 

штаммы, которые могут вызывать патологические процессы.  

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  30  31  32  33   ..