8. Биологические агенты (клетки, микробные монокультуры и ассоциации)

Биологический агент является активным началом в биотехнологиче-

ских процессах и одним из наиболее важных ее элементов. Номенклатура

биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важ-

нейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка

Субстраты и среды, используемые в биотехнологии, весьма разнооб-

разны, и их спектр непрерывно расширяется . С развитием промышленных

процессов происходит накопление новых видов отходов, которые могут быть

обезврежены и конвертированы в полезные продукты методами биотехноло-

гии. С одной стороны, развивающиеся бурными темпами биотехнологиче-

ские промышленные направления сталкиваются с проблемой исчерпания

традиционных видов сырья, поэтому возникает необходимость в расширении

сырьевой базы, с другой – увеличение объемов накапливающихся отходов

делает необходимым разработку нетрадиционных, в том числе биотехноло-

гических, способов их переработки.

В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к при-

родным возобновляемым ресурсам – продуктам фотосинтеза, биоресурсам

мирового океана. В состав сред для биотехнологических процессов входят

источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростовые

факторы. В качестве источников углерода и энергии в биотехнологических

процессах используют главным образом природные комплексные среды не-

определенного состава (отходы различных производств, продукты перера-

ботки растительного сырья, компоненты сточных вод и пр.), в которых по-

мимо углеродных соединений содержатся также минеральные элементы и

ростовые факторы. Довольно широко включены в разряд биотехнологиче-

ских субстратов целлюлоза, гидролизаты полисахаридов и древесины. По-

следние около 30 лет используются для получения белка одноклеточных. Ки-

слотный гидролиз древесины при 175–190 °С обеспечивает выход в среду до

45–50 % редуцирующих веществ; при более жестких режимах гидролиза эта

величина возрастает до 55–68 %. С большим успехом в последние годы стали

применять гидролизаты торфа, это позволяет снизить стоимость, например,

препаратов аминокислот в 4–5 раз. Минеральные элементы, необходимые

для роста биологических агентов и входящие в состав питательных сред,

подразделяются на макро- и микроэлементы. Среди макроэлементов на пер-

вом месте стоит азот, так как потребности в нем у биологических объектов на

порядок превышают потребности в других элементах (фосфоре, сере, калии и

магнии). Азот обычно используется микроорганизмами в восстановленной

форме (мочевина, аммоний или их соли). Часто азот вводится в комплексе с

другими макроэлементами – фосфором, серой. Для этого в качестве их ис-

точников используют соли (сульфаты или фосфаты аммония). Для ряда от-

дельных продуцентов, однако, лучшими являются нитраты или органические

соединения азота. Существенное значение при обеспечении азотного питания

продуцента имеет не только вид, но и концентрация азота в среде, так как

изменение соотношения C:N, воздействуя на скорость роста продуцента, ме-

таболизм, вызывает сверхсинтез ряда целевых продуктов (аминокислот, по-

лисахаридов и др.). Минеральные элементы необходимы для роста любого

биологического агента, но их концентрация в среде в зависимости от биоло-

гии используемого биообъекта и задач биотехнологического процесса раз-

лична. Так, концентрация макроэлементов в среде (K, Mg, P, S) обычно со-

ставляет около 10–3

–10–4 М. Потребности в микроэлементах невелики, и их

концентрация в средах существенно ниже – 10–6

–10–8 М. Поэтому микроэле-

менты часто специально не вносят в среде, так как их примеси в основных

солях и воде обеспечивают потребности продуцентов. Отдельные продуцен-

ты в силу специфики метаболизма или питательных потребностей нуждаются

для роста в наличие в среде ростовых факторов (отдельных аминокислот, ви-

таминов и пр.). Помимо чистых индивидуальных веществ такой природы, на

практике часто используют в качестве ростовых добавок кукурузный или

дрожжевой экстракт, картофельный сок, экстракт проростков ячменя, зерно-

вых отходов и отходов молочной промышленности. Стимулирующее дейст-

вие данных ростовых факторов во многом зависит от индивидуальных

свойств применяемого продуцента, состава основной среды, условий фер-

ментации и др. Добавление ростовых факторов способно увеличить выход

целевого продукта, например ферментов, в десятки раз.

Традиционно состав питательной среды, оптимальной для биотехноло-

гического процесса, выявляют методом длительного эмпирического подбора,

в ходе которого на первых этапах определяется качественный и количествен-

ный состав среды. Было сделано много попыток обоснования состава сред с

позиций физиологии и биохимии продуцента, но так как потребности в пита-

тельных веществах видо- и даже штаммоспецифичны, в каждом конкретном

случае приходится подбирать оптимальный для конкретного продуцента со-

став среды. В последние 20–25 лет все шире используют математический ме-

тод планирования экспериментов, математическое моделирование биотехно-

логических процессов; это позволяет обоснованно подходить к конструиро-

ванию питательных сред сделать их экономичными.

Продукты. Ассортимент продуктов, получаемых в биотехнологических

процессах, чрезвычайно широк. По разнообразию и объемам производства на

первом месте стоят продукты, получаемые в процессах, основанных на жиз-

недеятельности микроорганизмов. Эти продукты подразделяются на три ос-

новные группы:

1-я группа – биомасса, которая является целевым продуктом (белок од-

ноклеточных) или используется в качестве биологического агента (био-

метаногенез, бактериальное выщелачивание металлов);

2-я группа – первичные метаболиты – это низкомолекулярные соеди-

нения, необходимые для роста микроорганизмов в качестве строительных

блоков макромолекул, коферментов (аминокислоты, витамины, органические

кислоты);

3-я группа – вторичные метаболиты (идиолиты) – это соединения, не

требующиеся для роста микроорганизмов и не связанные с их ростом (анти-

биотики, алкалоиды, гормоны роста и токсины).

Среди продуктов микробиологического синтеза – огромное количество

различных биологически активных соединений, в том числе белковых и ле-

карственных веществ, ферментов, а также энергоносители (биогаз, спирты) и

минеральные ресурсы (металлы), средства для борьбы с вредителями сель-

скохозяйственных культур (биоинсектициды) и биоудобрения (слайд). В свя-

зи с развитием новейших методов биотехнологии (инженерной энзимологии,

клеточной и генной инженерии) спектр целевых продуктов непрерывно до-

полняется. Среди них все большее место занимают средства диагностики и

лечения (гибридомы, моноклональные антитела, вакцины и сыворотки, гор-

моны, модифицированные антибиотики).

Биологический агент является активным началом в биотехнологиче-

ских процессах и одним из наиболее важных ее элементов. Номенклатура

биологических агентов быстро расширяется, но до настоящего времени важ-

нейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка .

Микробные клетки с различными химико-технологическими свойства-

ми могут быть выделены из природных источников и далее с помощью тра-

диционных (селекция, отбор) и новейших методов (клеточная и генетическая

инженерия) существенно модифицированы и улучшены. При выборе биоло-

гического агента и постановке его на производство прежде всего следует со-

блюдать принцип технологичности штаммов. Это значит, что микробная

клетка, популяция или сообщество особей должны сохранять свои основные

физиолого-биохимические свойства в процессе длительного ведения фермен-

тации. Промышленные продуценты также должны обладать устойчивостью к

мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой

(контаминации), характеризоваться безвредностью для людей и окружающей

среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продуктов обмена и

отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-

экономические показатели.

В настоящее время многие промышленные микробные технологии ба-

зируются на использовании гетеротрофных организмов, а в будущем ре-

шающее место среди продуцентов займут автотрофные микроорганизмы, не

нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстре-

мофилы – организмы, развивающиеся в экстремальных условиях среды (тер-

мофильные, алкало- и ацидофильные).

В последние годы расширяется применение смешанных микробных

культур и их природных ассоциаций. По сравнению с монокультурами, мик-

робные ассоциации способны ассимилировать сложные, неоднородные по

составу субстраты, минерализуют сложные органические соединения, имея

повышенную способность к биотрансформации, имеют повышенную устой-

чивость к воздействию неблагоприятных факторов среды и токсических ве-

ществ, а также повышенную продуктивность и возможность обмена генети-

ческой информацией между отдельными видами сообщества. Основные об-

ласти применения смешанных культур – охрана окружающей среды, биоде-

градация и усвоение сложных субстратов.