биотехнология кітап

ІV тарау бойынша өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар мен тапсырмалар.

1.Инженерлік энзимология дегеніміз не?

2.Иммобильденген ферменттер дайындау қалай жүзеге асырылады?

3.Иммобильденген ферменттер дайындауда бекітуші субстрат ретінде қандай заттарды пайдалану тиімді?

4.Жасушаларды қандай тəсілдер арқылы иммобилдеуге болады?

5.Иммундық жүйенің негізгі атқаратын қызметі не?

6.Иммундық жүйе қандай негізгі құрамдас бөліктерден тұрады?

7.Иммундық жауап реакциясының негізгінде қандай əрекеттесулері жатады?

8.Əртүрлі инфекциялық аурулардың алдын алу үшін егілетін вакциналар ағзада қандай əрекет тудырады?

Ағзаның иммундық жүйесінің бөгде антигендерге реакциясы қандай?

9.Антидене қалай пайда болады?

10.Иммунитет жəне иммундық жауап дегеніміз не?

11.Соматикалық рекомбинациялар қалай жүзеге асады?

12.Ағза сырттан енген жат биологиялық материалдарға қарсы қандай жолмен күреседі?

13.Иммуноглобулиндер дегеніміз не? Спецификалық иммуноглобулиндер қалай дайындалады?

14.Моноклональды антидене дегеніміз не? Ол қалай дайындалады?

15.Моноклональды антидене алудың маңызы қандай?

16.Лимфоидты клондар дегеніміз не жəне ол қалай əрекет етеді?

17.Гибридома дегеніміз не жəне оның негізгі ерекшеліктері қандай?

18.Иммундық сарысуы не үшін қажет жəне оны қалай дайындайды?

19.Иммундық сарысуын қолданудың қандай артықшылықтары бар?

20.Наноденелерінің қолданылу мүмкіндігі жөнінде материалдар жинақтаңыздар.

21.Антидене кітапханасы деп не айтылады?

22. Антидене кітапханасын жасақтаудың маңызы қандай?

60

V тарау

ӨНЕРКƏСІПТІК БИОТЕХНОЛОГИЯ НЕГІЗДЕРІ

1. Микроорганизмдер қолданылатын өндірістер түрлері

Микробиотехнология немесе микробтық биотехнология– техника мен өнім өндіру мақсатында микробиология, биохимия мен инженерлік ғылымдарының

біріншілік өнімі болып табылатын қайсібір ферменттер де бола алады.

Өсімдіктер мен хайуандар жасушаларына қарағанда, микробтар өте тез көбею қабілеттіліктеріне ие болуы себебінен, олардағы барлық зат алмасу реакциялары да

3)бұларда жүретін ферментативті реакцияларының қарқынды жүруі нəтижесінде қысқа мерзімде олардың массасының тез артуы жатады.

қайта құру мүмкіндіктеріне, мысал алғанда олардың құрамына басқа жаттегісін (ген) ендіру, жасушаға плазмида енгізу немесе керісінше одан оны элиминациялау жəне т.б. мүмкіндіктеріне қол жеткіздіреді.

Екінші артықшылықтарын бактериялар мен зең саңырауқұлақтарын мысалға ала отырып көрсетуге болады. Мысалы, температураға төзімділіктеріне байланысты микробтар психрофильді (тіршілік ету аясы200С-тан төмен), мезофильділер (тиісінше 20-450С аралығы ) жəне термофильділер (450С-тан жоғары ортада тіршілік ете алады) деп бөлінетіндіктері белгілі. Бірақ та жоғарыда келтірілге температуралық шамалардан асып кететін жағдайлар да кездеседі. Атап айтсақ, Xanthomonas pharmiicola туысына жататын психрофильді бактериясы0-ден +400С дейінгі температуралық орталықта өсе алса, мезофильді бактериясына жататын

микробтық жасушасы минутына10-100000 дейін ақуыз молекуласын синтездей алады. Көптеген микроорганизмдер массасының2 еселену уақыты 0,3-2 сағат арасында болады. Бұл ең жоғарғы өнімді өсімдіктермен салыстырғанда500 рет, ал жоғарғы өнімді асыл тұқымды малдардан1000-5000 рет жылдам екенін көрсетеді.

61

Тағы бір үлкен көңіл қоятын мəселе, кейде жасушалардың барлық биохимиялық активтілігі өздерінің өсуі мен көбеюіне ғана бағытталмай, керісінше адамдарға қажет заттарды ситездеуге жұмсалады жəне микроорганизмдердің мұндай қабілетін

сарысуы, мұнай жəне т.б. өнімдердің қалдықтары мен екіншілік шикізат көздерін қолдану мүмкіндігімен артады. Микроорганизмдер қолданылатын өндірістерді шартты түрде 2 топқа бөледі :

1. Тамақ жəне ашу өндірісі. Тамақ жəне ашу өндірісінде, ауылшаруашылық шикізаттарын өңдеуде микроорганизмдердің қолданылуы технологиялық циклдың белгілі бір сатысында шектеледі. Яғни, микроорганизмдердің жоғарғы биомассасын дақылдау жəне олардың метаболизмінің өнімдерін жинау мен тазартуды қаже етпейді, мұндай өндіріс орындарын микробиологиялық өнеркəсіпке жатқызбайды.

Көп тоннажды өндіріс. Оның өнімдері органикалық қышқылдар, спирттер, микробтық биомасса болып табылады. Олардың негізгі белгілері терең, яғни суспензиялық өсіру, ал қоректік орта компоненттері қанттар, спирттер, мұнайдың көмірсутектері көптеген микроорганизмнің өсуін тежейтін концентрацияда болады, кейбір жағдайда аэрацияны қажет етпейтін анаэробтар жəне. қолданыладыт.б .

Мұндай жағдайлар биотехнологиялық үдерістерді бөгде микрофлорадан сақтауды жəне көп мөлшердегі сұйықтықты мұқият залалсыздандыруды, ауаны терең тазалау мен қондырғыларды герметизациялау сияқты талаптардың орындалу қажеттігін жояды.

Ал көп тоннажды өндірістің негізгі ерекшеліктері қатарына– өнімді бөліп алу сатысының қарапайымдылығы, олардың сұйық түрде өндірілуі жəне өнімдердің

·себінді материялды дайындау;

·қоректік орталарды дайындау жəне залалсыздандыру;

·микроорганизмдерді дақылдау (микроб синтезі);

·қажетті (соңғы, құнды) өнімді бөліп алу;

· дəрмектердің тауарлы өнімдерін алу(кептіру, ұнтақтау, стандарттау жəне қаптау).

Аз тоннажды өндірісі– жоғарғы физиологиялық қасиеттерге ие(дəрумен, фермент) күрделі құрылымдық заттар мен бактериялық заттар алуға байланысты жүретін микробиологиялық синтез үдерісіне негізделген. Аз тоннажды өндірісте микроорганизмді терең дақылдау əдісі пайдаланылады, сондықтан қолданылатын қоректік орталарды, қоспаларды, аэрацияланатын ауаны залалсыздандыру, жұмыс орындарының гермитизациялануы жоғары талаптарға сай орындалуы қажет.

Микробиологиялық синтездердің өнімдерін 3 түрге бөледі:

62

1.Негізгі активті компоненті ретінде тіршілік етуге , қабілеттітірі микроорганизмдерден тұратын биологиялық дəрмектер(өсімдіктерді қорғайтын заттар, бактериялы тыңайтқыш заттары, ұйытқылары жəне т.б.).

2.Инактивирленген жасушалар жəне олардың өңделген өнімдерінен құрылған биологиялық дəрмектер (азықтық, ашытқылар, саңырауқұлақтың мицеллиялары).

3. Микроорганизмдер метаболизмінің тазаланған өнімдері негізінд биологиялық өнімдер (дəрумендер, амин қышқылдары, ферменттер, антибиотиктер).

Бұл өнімдерді химиялық табиғатына жəне өндіруші түріндегі(продуцент) микробтық жасушалар үшін мəніне байланысты 3 топқа бөледі:

1. Молекулалық массасы 10000-нан бірнеше мыңға дейінгі үлкен молекулалық заттар (ферменттер, полисахаридтер).

2. Бірінші реттік метоболиттер, яғни микрооргизмдер өсуі үшін қажетті қосылыстар (амин қышқылдары, дəрумендер, пуринді жəне пиримидинді нуклеотидтер жəне т.б.).

3. Екінші реттік метаболиттер, яғни микроорганизмдердің өсуіне қажетсіз қосылыстар (антибиотиктер, токсиндер, алкалоидтар).

Бірінші жəне екінші реттік метаболидтің молекулалық массасы15000

Мұндай өндірістегі ашытқылардың бір жылдық жалпы өнімі1 млн. тоннаға тең деп есептелінеді. Бұл өнімде, шамамен, 20 млн. тонна аралас жемдік азықты жəне тауық шаруашылығы мен шошқа шаруашылығында қосымша1 млн. тонна етті ақуызбен байытуға мүмкіндік беретін 60%-ға жуық протеин болады. Сонымен бірге көптеген дəрумендер, амин қышқылдарынан – лизин, активтендіретін жəне антибактериялық

2. Органикалық қосылыстар трансформациясы жəне оның өнімдері

Микробты трансформация – бұл микроорганизмдер ферменттерінің əсерінен органикалық қосылыстардың жартылай өзгеріп, ортада жиналуымен жүретін үдеріс. Осындай үдеріс нəтижесінде қандай да бір өнімнен басқадай, яғни өндірістік қажеттілікке байланысты құнды өнімдер алынады. Мысалы, глюкоза қосылған қоректік ортада псевдомонаданың кейбір штаммдарының өсуі кезінде глюко тотығуының өнімі – глюкон қышқылы жиналады, кейін оны бактериялар көміртектің көзі ретінде пайдаланады. Микроорганизмдердің трансформациялау қабілетінің өндірістік маңызы – қажетті бағалы өнімдерді алу үшін қолданылуы.

Көптеген фермент түрлері қатысатын биосинтез жəне ашыту үдерістерім салыстырғанда, микробиологиялық трансформацияда тотығуд, декарбоксильденуді, метильдену жəне басқа да реакцияларын қадағалайтын бір ғана фермент болады. Қандай да бір заттарды трансформациялау үшін, соған қажет

63

болатын культура түрін трансформацияланатын ертіндінің5-10% көлеміне жеткенше арнайы ортада көбейтеді. Трансформациялауға арналған ертіндісі, оған ең көп мөлшерде трансформацияланатын заттардың еруі(көбінеес 10-25%) мен химиялық заттарының бөлінуіне кедергі келтірмейтіндей, аз көлемдегі культураның дамуына қажетті қоректік тұздардың болуы қамтамасыз етілуі қажет. Егер де, трансформацияланатын зат суда ерімейтін , бонылса алдымен бейтарап органикалық еріткіште ерітіп, кейіннен қарқынды түрде араластыру арқылы негізгі ортамен араласып кетуін қамтамасыз етеді. Трансформация үдерісі стерильді, рН

жағдайда жұмыс істейді жəне биологиялық зиянды қалдықтар мен аралық өнімдерді аз бөледі. Микробтық трансформация үдерістері субстрат өнім тізбегінің химиялық

дақылдарын фруктозасының изомерациясы арқылы – глюкозаны алады. Өнеркəсіптік мақсатта пайдаланылатын əртүрлі микроорганизмдердің түрлері,

олардан алынатын өнімдер мен қолданылатын салаларын келесі сызбанұсқа түрінде көрсетуге болады (сурет-15):

Өнеркəсіптік микроорганизмдер

15-сурет. Микроорганизмдерді өнеркəсіпте пайдалану жолдары

64

Органикалық қосылыстардың микробиологиялық трансформациялануын келесі топтарға бөлуге болады:

-тотығу реакциясы: активтендірілмеген көміртегінің гидрооксилденуі, олефиндер мен аллильді топтарының тотығуы, ароматты шиыршығының микробиологиялық гидрооксильденуі, ароматты қосылыстары

циклокетондарға тотығуы, аралас тотығуы сияқты реакциялар жатады;

-қалыпқа келу (восстановление) реакциясы: альдегидтердің бастапқы спирттерге қайта айналуы, кетондар мен дикетондардың қалпына келуі, қосалқы байланыстарының гидрилденуі, нитротоптарының қалпына келуі, біріншілік жəне екіншілік спирттерінің қалпына келуі, альдегидтердің меркаптоқосылыстарына трансформациялануы жəне т.б.;

-декарбоксилирлену: органикалық қосылыстардың метильді топтарының ақырғы өніміне декарбоксилирленуі, кето қышқылдарының карбол қышқылдарына дейін тотыға декарбоксильденуі, кето қышқылдарының спирттерге қайта декарбоксильденуі, амин қышқылдарының аминдер мен амин қышқылдары түзілуіне дейін декарбоксильде, монуіоамин қышқылдарының спирттер мен окси қышқылдарына , декарбоксильденудің аралас типтері;

-дезаминдеу реакциясы: амин қышқылдарының – карбон қышқылдарына, амин қышқылдарының – кетожəне окси қышқылдарына, амидтердің – спиртке, аминдердің – альдегидтер мен кетондарға, аминдердің – тиісті карбон қышқылдарына дезаминденуі мен аралас типті дезаминденулері;

-гликозидтердің түзілуі; мысалы глюкозадан ашытқылар арқылы мальтоза синтезі;

-гидролиз: эфирлер шайылуы, гликолиздік байланысының гидролизі, амидтер гидролизі, ақуыздар гидролизі жəне т.б.

-метильдеу реакциясы:

·метилирлеу реакциясы;

·этерификация жəне соның ішінде фосфорилирлеу мен ацетильдеу;

·дегидратация;

·конденсация реакциясы ;

·аминирлеу мен амидирлеу;

·диметоксилирлеу реакциясы;

·нуклеотизация;

·галогенирлеу;

·деметилирлеу;

·ассиметризация;

·рацемизация;

·изомеризация.

65

Қажетті қосылыстар алу мақсатындағы микробиологиялық трансформац реакциялары тізбегін жүргізуге керек болатын микроорганизмдер культура эмпирикалық жолмен таңдап алынады.

Қазірге кезде лимон қышқылдарының ең ірі өндірістері бойынша АҚШ(1 жылда 200 мың тонна ) жəне ТМД елдерінде (1 жылда 25 мың тонна ) өндіріледі.

Трансформацияның кейбір жағдайларында тотығу жəне гидролиз сияқт бірнеше реакцияларды талап ететін субстрат молекуласының күрделі өзгерістері жүреді. Жалпы органикалық қосылыстарды бактериялар, актиномицеттер жəне саңырауқұлақтар да трансформациялауға қабілетті келеді.

Трансформациялау реакциясына негізделген өндіріс үдерісінде көмірсулар,

өзгерісі қажет болған жағдайында ғана тиімді болып саналады. ТМД елдерінде микробты трансформация көмегімен стеройдты гармондардың бірнеше тү өндіреді, мысалға алғанда преднизолон. Кейбір микробиологиялық өнеркəсібінде 6- атомды спирт – сорбитті сорбоза моносахаридіне айналдырады, ал соңғысы «С» дəруменінің алғы заты болып табылады.

Органикалық қышқылдарды медицинада, тамақ өнеркəсібінде, техникалық мақсатта жəне əртүрлі химиялық синтезде пайдаланады. Үш карбондық қышқылдар айналасында кездесетін барлық қышқылдарды микробиологиялық жолмен алуға

қышқылдың түзілу үдерісі аэробты жағдайдағы көміртекті қосылыстардың шала

шығымдылығы жоғары органикалық қышқылдардың18 түрін өндіреді, олардың ішінен тек лимон қышқылы толық ферментация жолымен алынады. Ал басқа қышқылдарды, микробиологиялық жəне химиялық əдістер арқылы өндіреді.

3. Микроорганизмдерді дақылдау принциптері

Микроорганизмдерді өсірудің өзіндік ерекшеліктері . Микробиологиялық өндірісінің өнімі болып табылатын бірінші жəне екінші реттік өнімдерді алу үшін қажетті микроорганизмдерді өсіруде олардың тө келтірілген негізгі ерекшеліктері ескерілуі қажет:

1)салыстырмалы түрде, ұзақ мерзім, асептикалық жағдайды ұстап тұра алатын, сыйымдылығы 63, 200, 1000 л жəне де басқа биореакторлар пайдаланылады;

2)биозерзатының түрлік ерешеліктеріне байланысты қоректік ортаның өзіндік сипаты, температуралық (минимиалды, оптималды, максималды) жəне рН ортасы;

3)кең көлемді (масштабты) биотехнологиялық үдерістерін қамтамасыз ету мақсатында бір мезгілде химиялық, температуралық, диффуздық жəне гидродинамикалық критерияларын тұрақты түрде ұстай алмау;

4)аэробты жəне анаэробты микроорганизмдерін өсіру барысындағы зат алмасу үдерістерінің өзгешеліктері. Атап айтқанда, аэробты бактериялар үш фазалы

66

6)микроорганизмдер механикалық, физикалық жəне химиялық факторлардың əсеріне өте сезімтал келеді;

7) қажетті өнімді микробтық синтез арқылы алу барысында , ин активтендіру, ингибирлеу, репрессия сияқты регуляторлық үдерістер болуы себепті, продуценттердің көбеюі мен соңғы өнім шығымдылығын басқару мүмкіндігін қиындатады;

8)химиялық синтезге қарағанда қажетті өнімді биосинтездеу қарқыны төмендеу келеді;

9)биотехнологиялық үдерістерінде пайдаланылатын кейбір микроорганизмдердің ауру тудыра алуы(сүзек жəне тырысқақ таяқшалары, өкпе құрты микобактериялары, холера вибрионы жəне т.б.) себепті, олармен жұмыс істеу өте мұқияттылықты қажет етеді;

10)микробтар əлемінің кейбір өкілдері тек қана тірі ұлпа жасушаларында(тауық

арқылы жүзеге асырылады. Ферменттеу алды деп аталатын бірінші кезеңінде екінші кезеңге қажетті барлық дайындық жұмыстары жүргізілсе, екінші, яғни

2-кесте. Микроорганизмдерді өсіру үшін қажетті қоректік ортаның құрамы

67

бір тығыздықтағы суспензия түріндегі микроорганизмдер, стерильді қоректік ортасы бар биореакторларға салынады. Мұнда, себінді материялдармен қоса басқада тосын микроороганизмдердің қоректік ортаға түсіп кетпеуі мен биореакторлардың герметикалық жағдайы қадағаланады. Ферментатордың жалпы көлемінің70-80%

арылу мақсатында арнайы көбік басқыш заттары мен механикалық жəне физикахимиялық əсер ету нəтижелері пайдаланылады. Ферментациялау үдерісінің ұзақтығы физиологиялық зерзатының белсенділігіне байланысты4-5 тəуліктен бастап 14 жəне одан да ұзағырақ болуы мүмкін. Антибиотиктер мен экзогликандар биосинтезіне байланысты деміл-деміл жүргізілетін ферментация үдерістерін ұзақтығы 4-5 тəуліктерден тұрады.

4. Ферментация үдерісінің соңғы өнімін бөліп алу

Алға қойылған мақсатқа байланысты ферментация өнімі ретінде жасушалар биомассасы немесе қандай да болмасын жасушадан тыс метаболиттер алыну

68

мүмкін. Бірінші жағдайда қалдық зат ретінде культуралды ортаның сұйықтығы саналса, екіншісінде – жасушалық заттар қажетсіз (қалдық) ретінде тазартылады.

Ферментация үдерісі өткізілген ортадағы культуралды сұйықтығы құрамы бойынша – биозерзатының жасушасы түрлерінен, олардың ерітілген күйдегі метаболизм өнімдерінен, ерітілмеген компоненттерінен, автолизден кейін немесе қабықтары бұзылуы салдарынан жасушалардан бөлінген кейбір бөліктерінен жəне толығынан пайдаланыла қоймаған қоректік орта заттарынан тұрады. Сондықтан,

морфологиясына) байланысты сұйық фазасынан биомассаны бөліп алу əдістері таңдап алынады.

Қажетті өнімнің түріне байланысты оларды бөліп алудың келесі əдісте қолданылады (кесте-3):

3-кесте. Сұйық фазасынан биомассаны бөліп алу əдістері

Жоғарыда келтірілген əдістердің қайсібірін қолдану үшін қажетті, ерімейтін заттар мен олардың бөліктерінің(микробтық жасушаларын қоса алғанда) көлемдерінің градациялық мөлшерлері төменде келтіріледі:

1.Ірі көлемді бөлшектер – 01 ден 1 мм дейін;

2.Ұсақ бөлшектер – 0,01 ден 0,1 мм дейін;

3.Инфра майда бөлшектер – 0,001 ден 0,01 дейін;

4.Жоғары молекулалы заттар – 10 нан 1000 нм (10-5 – 10-3) дейін;

5.Төменгі молекулалы заттар – 0,1 ден 10 нм (10-7 – 10-5) дейінгі.

фракциялау əдістерін қолдану мүмкін болса, ерімейтін төменгі молекулалы заттар үшін – диализ жəне электродиализ, иондық алмасу, еріткіштер арқылы экстракциялау, кері осмос реакциялары қолданылады.

Седиментация əдісі гравитациялық күштер шеңберінде жүзеге асырылады. Бұл əдісті кейбір сүт қышқылды жəне аралас ашу(сүт қышқылды жəне спиртті) кездеріндегі «кефир дəндері» типті конгломенттерін бөлу мақсатында жəне белсенді тұнба (иль) көмегімен қалдықтарды биологиялық өңдеу барысында қолданады.

Микорбты жасушалары поликатиондар немесе сырттан ендірілген полимерлер əсерінен оңай ұйиды (коагуляцияланады). Осы жұмыс нəтижесінде пайда болатын көбікшелер жасушалармен бірге седиментация əдісі арқылы жеңіл бөлініп алынады.

Декантацияны немесе тұнба бетіндегі сұйықтықты(декантант, супернатант) құйып алуды вакуум-насосымен сору арқылы алмастыруға болады.

69