Курс л. Выд. пр. биотех. Новиков Д

Новиков Д.А.

Выделение и очистка продуктов биотехнологии

КУРС ЛЕКЦИЙ

Минск

БГУ

2014

УДК 631.147(075.8) ББК 28.072 я 7

Б63

А в т о р ы - с о с т а в и т е л и:

Д. А. Новиков

Рецензенты:

Кафедра биохимии и биофизики Международного государственного экологическогоуниверситета имени А.Д. Сахарова (заведующий кафедрой

кандидат биологических наук, доцент С.Б. Бокуть); Доцент кафедрыбиотехнологии и биоэкологи Белорусского

государственного технологического университета кандидат биологических наук, доцент Н.А. Белясова

Выделение и очистка продуктов биотехнолгии.

Б63 Методическое пособие / авт.: Д.А. Новиков – Минск.: БГУ, 2014.

–256 с.

ВКурсе лекций приводятся основные вопросы, касающиеся характеристики основных биотехнологических процессов, используемых для производства широкого спектра биологически активных субстанций, а также

основные методы выделения очистки и фракционирования продуктов биотехнологии. Уделено внимание созданию нормативно-технической документации на продукты биотехнологии; основным продуктам биотехнологического производства, их характеристике, методам контроля и областям применения.

Предназначено для студентов биологического факультета БГУ специальности 1-31 01 01 ―Биология‖ направление 1-31 01 01-03 Биотехнология.

УДК 631.147(075.8) ББК 28.072 я 7

© БГУ, 2014

2

3

4

Прндисловие.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

Внашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научноисследовательских учреждениях и вузах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в Беларуси замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Среди основных направлений современной биотехнологии особое место занимает раздел, связанный с практическим применением разнообразных продуктов биотехнологических процессов в отрослях народного хозяйства, медицине и ветиринарии, косметической и пищевой промышленности, защите окружающей среды и др.

Внастоящем курсе лекций рассматривеются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с основными объектами биотехнологических процессов и сферами применения продуктов биотехнологии, основных способов промышленного получения очищенных биологически активных субстанций биотехнологического происхождения, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

5

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

В данном пособии рассматриваются основные принципы получения, очистки биологически активных соединений таких как белки, аминокислоты, витамины, органические кислоты, липиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, сахара и полисахариды, антибиотики, алкалоиды, различные продукты брожения, гормональные препараты, ферменты, пищевые добавки, антисыворотки, и др., а также основные направления их практического использования.

6

ГЛАВА 1. Биоткхнологические процессы в народном хозяйстве.

1.1. Общая характеристика биотехнологических процессов

Биотехнология – это использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных и растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. Или более краткое определение, биотехнология – это производство с помощью объектов живой природы, или технология живого.

Биотехнология возникла на стыке нескольких биотехнологических наук, таких как генетика, бактериология, вирусология, молекулярная биология, микробиология, биохимия, растениеводство. Важную роль сыграло открытие способов модификации ДНК и ее переноса из одних организмов в другие.

Рисунок 1 – Связь биотехнологии с другими науками

Исторически биотехнология возникла на основе традиционных микробиологических производств, таких как производство хлеба, сыра, вина, пива, молочных продуктов. Эти технологии до сих пор имеют большую значимость и постоянно развиваются.

Биотехнологические процессы осуществляются за счет использования бактерий, дрожжей, плесневых грибов, водорослей, культур клеток и тканей растений и животных. В этих процессах используются особенности метаболизма и биосинтетические возможности клеток. Целью процесса может быть наработка клеточной биомассы или продуктов жизнедеятельности клеток – метаболитов.

В настоящее время биотехнология включает в себя: промышленную микробиологию, прикладную микробиологию, генетическую инженерию, клеточную инженерию. Основные направления промышленной микробиологии представлены в таблице 1.

Потребность в биотехнологии обусловлена дефицитом продовольствия, энергии, минеральных ресурсов и необходимостью улучшения состояния здравоохранения и охраны окружающей среды.

7

Таблица 1 – Основные направления биотехнологии в различных отраслях

Биоиндустрия включает отрасли, в которых биотехнология может заменить широко используемые традиционные методы, и отрасли, в которых она всегда играла ведущую роль (Таблица 1).

8

Транснациональные корпорации инвестируют следующие биотехнологические отрасли: горнодобывающую, нефтехимическую, фармацевтическую. Быстрая отдача происходит в следующих биотехнологических отраслях:

1)совершенствование сбраживания;

2)производство биогаза;

3)производство безопасных и недорогих вакцин;

4)биоэнергетика;

5)улучшение техники компостирования;

6)гидролиз целлюлозы;

7)повышение уровня фиксации азота с помощью симбионтов.

Из более чем 100 тыс. известных микроорганизмов в промышленности применяются всего несколько сотен видов, так как промышленный штамм должен отвечать ряду строгих требований:

1)расти на дешевых субстратах;

2)обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;

3)проявлять синтетическую активность в сторону желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть низким;

4)быть стабильным в отношении продуктивности и к требованиям условий культивирования;

5)быть устойчивым к фаговым и другим типам инфекций;

6)быть безвредным для людей и окружающей среды;

7)желательны термофильные, ацидофильные (или алкофильные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве;

8)интерес представляют анаэробные штаммы, так как аэробные создают трудности при культивировании – требуют аэрирования;

9)образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться.

На практике применяются штаммы четырех групп микроорганизмов:

– дрожжи;

– мицелиальные грибы (плесени);

– бактерии;

– аскомицеты.

Термин «дрожжи» в строгом смысле не имеет таксономического значения. Это одноклеточные эукариоты, относящиеся к трем классам:

Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes.

К аскомицетам относят, прежде всего, Saccharomyces cerevisiae, определенные штаммы которого используются в пивоварении, виноделии, производстве хлеба, этилового спирта.

Аскомицеты Saccharomyces lipolytica деградируют углеводороды нефти

иупотребляются для получения белковой массы.

9

Дейтеромицет Candida utilis используют как источник белка и витаминов и выращивают на непищевом сырье: сульфитных щелоках, гидролизатах древесины и жидких углеводородах.

Дейтеромицет Trichosporon cutaneum окисляет многие органические соединения, в том числе токсичные (например, фенол), и используется при переработке стоков.

Мицелиальные грибы используют:

–в получении органических кислот: лимонной (Aspergillus niger),

глюконовой (Aspergillus niger), итаконовой (Aspergillus terreus), фурмаровой (Rhizopus chrysogenum);

–в получении антибиотиков (пенициллина и цефаллоспорина);

–в производстве специальных видов сыров: камамбера (Penicillium camamberti), рокфора (Penicillium roqueforti);

–вызывают гидролиз в твѐрдых средах: в рисовом крахмале при получении сакэ, в соевых бобах при получении темпеха, мисо.

Полезные бактерии относятся к эубактериям.

Промышленное применение с давних времен имеют молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.

Уксуснокисные бактерии родов Acetobater, Gluconobacter превращают этанол в уксусную кислоту.

Бактерии рода Bacillus используются для производства вредных для насекомых токсинов, а также для синтеза антибиотиков и аминокислот.

Бактерии рода Corynebacterium используются для производства аминокислот.

Из актиномицетов наиболее представительными являются рода Streptomyces и Micromonospora, используемые в качестве продуцентов антибиотиков. При росте на твердых средах актиномицеты образуют тонкий мицелий с воздушными гифами, которые дифференцируются в цепочки конидиоспор.

В настоящее время с помощью микроорганизмов синтезируют следующие соединения:

–алкалоиды,

–аминокислоты,

–антибиотики,

–антиметаболиты,

–антиоксиданты,

–белки,

–витамины,

–гербициды,

–ингибиторы ферментов,

–инсектициды,

–ионофоры,

–коферменты,

–липиды,

10