- •1. Введение
- •1. Допастеровская эра (до 1865 г.).
- •2. Послепастеровская эра (1866 – 1940 гг.).
- •3. Эра антибиотиков (1941-1960 гг.).
- •4. Эра управляемого биосинтеза (1961 – 1975 гг.).
- •5. Эра новой биотехнологии (после 1975 г.).
- •Вопросы для самоконтроля
- •2. Живая клетка – основа биологических систем
- •Эндоплазматический ретикулум (эр)
- •Аппарат Гольджи
- •Цитоплазматический матрикс
- •Клеточные органеллы
- •Хлоропласты
- •Клеточная стенка
- •3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии
- •Эукариоты. Водоросли
- •Принципы подбора биотехнологических объектов
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. Основы генетики микроорганизмов
- •Репликация
- •Синтез белка
- •Регуляция генной активности
- •Изменчивость
- •Генетическая рекомбинация
- •Плазмиды
- •Вопросы для самоконтроля
- •5. Метаболизм и принципы его регуляции
- •Анаболизм и катаболизм
- •Углеводы как источник энергии
- •Анаэробное дыхание
- •Брожение
- •Молочнокислое брожение
- •Спиртовое брожение
- •Маслянокислое брожение
- •Аминокислоты как источник энергии
- •Липиды как источники энергии
- •Двууглеродные соединения как источники энергии
- •Рост микроорганизмов на углеводных средах, спиртах, органических кислотах, углеводородах, с1-соединениях
- •Вопросы для самоконтроля
- •6. Ассимиляция у автотрофных и гетеротрофных организмов
- •Биосинтез углеводов
- •Поглощение света и возбуждение пигментов.
- •Биосинтез нуклеиновых кислот
- •Синтез пуриновых нуклеотидов:
- •Регуляция метаболизма
- •Первичные метаболиты
- •Производство аминокислот.
- •Производство органических кислот.
- •Производство спиртов.
- •Производство витаминов.
- •Вторичные метаболиты
- •Антибиотики.
- •Вопросы для самоконтроля
- •7. Питание микроорганизмов
- •Механизм поступления веществ в клетку
- •1) Пассивная диффузия.
- •4) Перенос (транслокация) групп.
- •1.Фотолитотрофия.
- •2. Фотоорганотрофия.
- •3. Хемолитотрофия.
- •4. Хемоорганотрофия.
- •Потребности микроорганизмов в дополнительных питательных веществах
- •Минеральные элементы.
- •Ростовые вещества.
- •Вопросы для самоконтроля
- •8. Рост, размножение и культивирование микроорганизмов
- •Рост бактериальной клетки
- •Размножение бактерий
- •Размножение бактериальной популяции
- •Непрерывные культуры
- •Синхронные культуры
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. Подготовка биологических объектов для биотехнологического процесса
- •Гибридизация микроорганизмов
- •1. Получение генов.
- •2. Введение гена в вектор.
- •3. Перенос генов в клетки организма-реципиента.
- •4. Идентификация клеток-реципиентов, которые приобрели желаемый ген (гены).
- •Генетическая инженерия и конструирование новых организмов
- •Улучшение продуцентов, используемых в производстве, методами генетической инженерии
- •Клеточная инженерия
- •Получение гибридных клеток
- •Возможности клеточной инженерии
- •Культуры тканей и клеток высших растений
- •Культуры клеток животных и человека
- •Трансплантация эмбрионов
- •Гибридомная технология
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. Культивирование биологических объектов
- •Принципы действия и конструкции биореакторов
- •Системы перемешивания и аэрации
- •1. Аппараты с механическим перемешиванием.
- •2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.
- •3. Аппараты с циркуляционным перемешиванием.
- •Лабораторные, пилотные и промышленные биореакторы: проблемы масштабирования
- •Биотехнологические процессы и аппараты периодического и непрерывного действия
- •Периодические процессы.
- •Специализированные типы биотехнологических процессов и аппаратов Анаэробные процессы.
- •Твердофазные и газофазные процессы.
- •Поверхностные процессы.
- •Вопросы для самоконтроля
- •11. Словарь терминов
- •12.Список использованной литературы
Размножение бактериальной популяции
Совокупность бактерий, развивающихся в ограниченном объеме среды, представляет собой бактериальную популяцию.Бактерии, находясь в определенном, не изменяющемся объеме питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды, накоплению продуктов обмена и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называютпериодическим культивированием, а культуру – периодической (статической).
Размножение бактериальной популяции в периодической культуре описывается S-образной кривой роста, которая выражает зависимость числа клеток от продолжительности роста культуры. При развитии популяции на жидкой питательной среде в условиях периодической культуры выделяют четыре основные фазы роста, последовательно сменяющих друг друга (рис. 42):
лаг-фаза;
фаза логарифмического роста;
фаза стационарного роста;
фаза отмирания.
Рис. 42. Кривая роста периодической культуры бактерий
Лаг-фаза(от англ.lag– запаздывание) – период между посевом бактерий и началом размножения. Клетки приспосабливаются к новым условиям среды. Приспособление выражается в синтезе индуцибельных (адаптивных) ферментов, нуклеиновых кислот, белков. Этот период характеризуется интенсивной метаболической активностью, увеличением размеров клеток, которые готовятся к делению. Длительность фазы зависит от состава среды, на которой раньше выращивалась культура и на которую произведен посев. Чем полноценнее среда, тем короче лаг-фаза. На продолжительность фазы оказывает влияние количество и возраст засеваемых клеток. Чем старше культура и чем меньше взято клеток для посева, тем длительнее эта фаза.
Потребление субстрата сопровождается увеличением бактериальной массы – биомассы. Прирост биомассы называется урожаем. Урожай клеток отражает интенсивность развития культуры. Важным показателем, характеризующим эффективность использования субстрата или продуктивность культуры в конкретных условиях среды, является экономический коэффициент:
где Y – экономический коэффициент;
Х – количество выросшей биомассы, г;
S1 – количество потребленного субстрата, г.
Количество потребленного субстрата определяется как разность между исходной S0 и его остаточной S концентрацией:
S1= S0 – S.
Фаза логарифмического (экспоненциального) ростаявляется периодом интенсивного деления бактерий. Нарастание клеток идет в геометрической прогрессии: скорость размножения постоянная; продолжительность генерации, т.е. время между двумя последовательными делениями клетки, минимальная. Однако, даже в этой фазе происходит отмирание около 20 % клеток. Продолжительность фазы логарифмического роста около 5 – 6 часов. Продолжительность скорости размножения в этот период различна у разных организмов: например, у E. coli – 20-30 мин., у азотобактера – 70-80 мин., у клубеньковых бактерий – до 90 мин. Рост культуры в экспоненциальной фазе является сбалансированным, т.к. все компоненты клетки синтезируются в одинаковой степени. Однако рост является сбалансированным в течение очень короткого интервала времени. В процессе роста культуры происходит изменение состава питательной среды: питательные вещества потребляются, а ненужные продукты метаболизма накапливаются. Реакцией клетки на изменения качества среды является изменение интенсивности синтеза РНК, белка, полисахаридов и других необходимых компонентов.
Стационарная фаза.Качественные изменения среды являются основной причиной замедления роста культуры. В этот период число жизнеспособных клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Количество вновь появляющихся и переходящих в стадию покоя клеток приблизительно равно. На протяжении всей фазы численность популяции не изменяется. У разных видов она наступает через различные промежутки времени: у E. coli через 24 ч, у азотобактера через 72 ч. Количество клеток в стационарной фазе достигает максимума, размеры их становятся близкими к размерам клеток исходного посевного материала.
Фаза отмирания.В этой фазе гибель микроорганизмов превышает скорость их размножения. Отмечаются морфологические и физиологические изменения клеток, появляются инволюционные формы. Отмирание бактерий в культуре происходит под влиянием различных причин: истощения питательной среды, накопления в среде вредных продуктов метаболизма, изменения физико-химических свойств среды в неблагоприятную сторону, «естественного старения» клеток. Некоторая часть клеток гибнет под действием собственных ферментов. Основную роль при этом играют протеолитические ферменты. Они вызывают разрушение белковых веществ в клетке, что приводит ее к гибели. Решающим фактором в этом процессе является накопление в стационарных культурах продуктов метаболизма. Продолжительность фазы колеблется от 10 ч до нескольких недель.
Таким образом, цикл развития периодической культуры сложный. Действующие на клетку факторы очень многочисленны и меняются по ходу развития культуры. Вначале культура страдает от высокой концентрации питательных веществ в свежей среде, через некоторое время культура начинает развиваться с возрастающей скоростью, достигая ее максимального уровня. Затем постепенно сказывается исчерпание элементов питания и отравление продуктами метаболизма, развитие культуры замедляется и в конце концов прекращается совсем.