Культивирование иммобилизированных клеток микроорганизмов
Важным направлением микробиологии и биотехнологии является производство и использование иммобилизованных ферментов. Ферменты по многим своим свойствам, прежде всего активности и специфичности, намного превосходят химические катализаторы. Ферменты обеспечивают протекание биохимических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются и разрушаются. Многократно их нельзя использовать.
Было найдено следующее решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать (иммобилизировать) ферменты, сделать их пригодными для многократного длительного промышленного использования, ферменты присоединяют к нерастворимым либо растворимым носителям.
Методы иммобилизации клеток основаны на способности микроорганизмов к адсорбции на твердых поверхностях. Существуют два принципиально различных подхода к иммобилизации: 1) химические методы; 2) физические методы.
Химические методы иммобилизации предполагают образование ковалентной связи между какой-либо из функциональных групп на поверхности клетки микроорганизма и материалом носителя. Эти методы применяются сравнительно редко, так как клетки в этом состоянии могут терять нужную активность.
Физические методы иммобилизации реализуются в результате адсорбции микроорганизмов на поверхности различных нерастворимых синтетических или природных пористых материалов, при включении клеток в поры поперечносшитого геля и т. п. Например, при смешивании суспензии клеток бактерий с раствором полимера (например, полиакриламида, агарозы) с последующей полимеризацией образуется пространственная структура геля. В этом геле микроорганизмы оказываются заключенными в ячейки, которые ограничивают их перемещение, но не препятствуют поступлению питательных веществ и прохождению каталитических функций.
|
|
|
В настоящее время активно разрабатываются методы иммобилизации клеток путем их включения в белковые мембраны с использованием коллагена, казеина, миозина и других белков или полипептидов. Мембраны с иммобилизованными клетками сворачивают в рулон и помещают в колонку, через которую пропускают субстрат. Иммобилизованные клетки сохраняют высокую ферментативную активность, что позволяет использовать их в непрерывно действующих технологических процессах. При этом облегчается выделение продуктов биосинтеза.
Иммобилизованные ферменты находят применение в медицине. Например, для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат «стрептодеказа». Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов. Растворимая в воде полисахаридная матрица, к которой химически привязана стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие, не влияет на активность и способность фермента растворять тромбы.
|
|
|
Культивирование иммобилизованных клеток микроорганизмов находит широкое применение также в биотехнологии, а именно в производстве ценных органических веществ; в деградации токсичных природных и неприродных соединений, промышленных отходов; для очистки сточных вод от загрязнений. На основании таких исследований получило развитие новое направление биотехнологии – инженерная энзимология. Успехи в этой области существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность.
Требования микроорганизмов к питательным веществам
Культивирование микроорганизмов – это один из основных приемов в микробиологии. Для роста и развития микроорганизмов в природе и в лабораторных условиях необходимо наличие питательных веществ для энергетических и конструктивных реакций. Требования разных групп микроорганизмов к источникам энергии и химическим элементам определяются их метаболическими возможностями. Выращивание и поддержание микробных культур в лаборатории основано на моделировании естественных условий обитания данного организма в лаборатории, а также на знании особенностей обмена веществ.
|
|
|
Основными биогенными элементами являются углерод, азот, фосфор, кислород, водород, сера. Это компоненты белков, углеводов и жиров, а также нуклеиновых кислот. Эти элементы требуются в значительных количествах (г/л) и поэтому их называют макроэлементами. К макроэлементам также относятся ионы калия, магния, натрия, кальция и железа. Они выполняют в клетке разнообразные функции. Например, К+ необходим для активности большого числа ферментов и в частности ферментов белкового синтеза. Са2+ определяет устойчивость бактериальных эндоспор к нагреванию. Mg2+ стабилизирует рибосомы, многие ферменты и клеточные мембраны. Fe2+ и Fe3+ являются частью цитохромов и кофакторами электронпереносящих белков.
Микроэлементы, необходимые в микромолярных количествах, - это ионы таких металлов, как хром, кобальт, медь, молибден, марганец, никель, селен, вольфрам, ванадий, цинк, обычно входящие в состав ферментов и кофакторов. Например, Со2+ является компонентом витамина В12, Cu2+ входит в состав цитохромоксидазы и купредоксинов, Mn2+ активирует ферменты, катализирующие перенос фосфатных групп, Мо2+ входит в состав нитрогеназы и нитратредуктазы, Ni2+ является компонентом уреазы, гидрогеназы, кофактора F430, Zn2+ входит в состав карбоангидразы, ДНК- и РНК-полимераз и т.д. Необходимые для микроорганизмов количества микроэлементов содержатся в обычной водопроводной воде. При работе на дистиллированной воде микроэлементы добавляют специально в виде растворов их минеральных солей. Некоторые группы микроорганизмов проявляют специфические потребности. Так, диатомовые водоросли, включающие в свои клеточные стенки значительные количества соединений кремния, требуют добавления их в среду в высокой концентрации.
|
|
|
Биогенные элементы должны присутствовать в питательной среде в доступной для микроорганизмов форме. Как правило, ионы металлов, сера, фосфор и микроэлементы добавляют в среду в виде минеральных солей. Минеральная основа среды (минеральный фон) практически одинакова для большинства микроорганизмов.
Источники углерода и азота в среде могут быть как неорганическими соединениями (СО2, N2, карбонаты, нитриты, нитраты, аммонийные соли), так и органическими веществами разной степени сложности и окисленности (сахара, спирты, органические кислоты и аминокислоты, олигосахариды, пептиды и т.д.). Если микроорганизму требуется набор источников углерода или азота, и тогда применяют различные экстракты и гидролизаты смеси белков и полисахаридов неопределенного состава (сусло, гидролизат молочного белка, пептон и др.).
У некоторых микроорганизмов спектр потребляемых органических веществ очень широк (например, у Pseudomonas, Actinomyces), у других – достаточно узок (например, у облигатных метилотрофов). В то же время, можно найти микроорганизмы, способные использовать сложные неприродные соединения типа пластиков, красителей, пестицидов. У некоторых микроорганизмов потребности в питании так сложны, что они растут только внутри живого организма (например, внутриклеточные паразиты риккетсии и хламидии).
Как правило, лабораторные среды содержат питательные вещества в более высоких концентрациях, чем это присуще природным местообитаниям. Для разных микроорганизмов границы значений физико-химических факторов, в которых может происходить рост, существенно отличаются. Поэтому важным условием успешного культивирования является поддержание оптимальных значений таких параметров, как рН, температура, освещенность, аэрация и т.д.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 395; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!