Задача 33

У Corynebacterium glutaminicum есть принцип согласованного ингибирования ферментативной активности, что является особенностью биосинтеза биосинтеза предшественника лизина. Ингибирование синтеза лизина в клетке возможно только при повышенной концентрации обеих конечных продуктов - лизина и треонина. Самостоятельно ни лизин, ни треонин не ингибируют активности ключевого фермента -аспартакиназы. Они ингибируют этот синтез только вместе. Таким образом, вызвать сверхсинтез лизина можно лишь нарушив синтез треонина или его предшественника - гомосерина.

Действительно, большинство продуцентов лизина не способны синтезировать гомосерин или треонин, то есть являются «ауксотрофами» по этим аминокислотам.

Таким образом большинство продуцентов лизина нуждается в присутствии гомосерина или треонина, иначе они работать не будут. Зная это, биотехнолог, выращивая такие продуценты, должен обязательно вносить в питательную среду от половины грамма и до полутора граммов на один литр гомосерина или треонина. В этом случае происходит активный рост биомассы продуцента без синтеза лизина. Как только треонин исчезает из среды и рост биомассы прекращается, начинается активный синтез лизина. Таким образом, данный процесс имеет две стадии развития

1. рост биомассы

2. синтез лизина

Продолжительность синтеза составляет 2-3 суток. Уровень накопления продукта составляет 50-100 граммов на литр. Это особенности биосинтеза лизина.

Особенности культивирования штаммов-продуцентов аминокислот приводят к следующему результату:

1 .достигаются максимально высокие скорости синтеза аминокислот клетками продуцента 2.достигается максимальная длительность работы продуцента 3.минимально образуются побочные продукты биосинтеза аминокислот. Первая задача решается путем выращивания высокоактивной биомассы и помогают в этом случае наличие в питательной среде: источников углерода, аммонийного азота, минеральных солей, ростовых факторов; оптимизация рН (кислотность среды) температуры; дробная подача субстратов.

Для предотвращения закисления среды проводят автоматическое рН-статирвоание аммиачной водой и источниками углерода.

В случае биосинтеза лизина добавляют ростовые факторы по мере необходимости, что зависит от самого сырья, от аппаратуры, от температуры. Процесс биосинтеза энергоемкий и требует интенсивной аэрации и перемешивания.

Для длительной работы ауксотрофных продуцентов лизина в питательную среду вносят комплексный источник аминокислот (белковые гидролизаты).

О ТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ 1

БИОТЕХНОЛОГИЯ ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу | 1 ►

Задача 34

Имея задачу получения аминокислот, используя природные микроорганизмы, надо помнить о механизмах регуляции биосинтеза по принципу обратной связи (ретроингибирование). Эта регуляция осуществляется либо за счет ингибирования активности одного из начальных ферментов собственного синтеза избыточным продуктом, то есть самой аминокислотой, либо репрессируется весь комплекс ферментов всей биохимической цепочки метаболизма клетки, что является естественной реакцией живого микроорганизма-продуцента для сохранения собственного равновесия на клеточном уровне. Таким образом перед биотехнологом стоит задача в нарушении этих механизмов, чтобы иметь возможность получить целевой продукт в необходимых количествах.

Как это делается, можно рассмотреть на примере продуцентов лизина (Corynebacterium glutaminicum) и треонина (Escherichia coli).

У Corynebacterium glutaminicum есть принцип согласованного ингибирования ферментативной активности, что является особенностью биосинтеза биосинтеза предшественника лизина. Ингибирование синтеза лизина в клетке возможно только при повышенной концентрации обеих конечных продуктов - лизина и треонина. Самостоятельно ни лизин, ни треонин не ингибируют активности ключевого фермента -аспартакиназы. Они ингибируют этот синтез только вместе. Таким образом, вызвать сверхсинтез лизина можно лишь нарушив синтез треонина или его предшественника - гомосерина.

Действительно, большинство продуцентов лизина не способны синтезировать гомосерин или треонин, то есть являются «ауксотрофами» по этим аминокислотам.

Таким образом большинство продуцентов лизина нуждается в присутствии гомосерина или треонина, иначе они работать не будут. Зная это, биотехнолог, выращивая такие продуценты, должен обязательно вносить в питательную среду от половины грамма и до полутора граммов на один литр гомосерина или треонина. В этом случае происходит активный рост биомассы продуцента без синтеза лизина. Как только треонин исчезает из среды и рост биомассы прекращается, начинается активный синтез лизина. Таким образом, данный процесс имеет две стадии развития

1. рост биомассы

2. синтез лизина

Продолжительность синтеза составляет 2-3 суток. Уровень накопления продукта составляет 50-100 граммов на литр. Это особенности биосинтеза лизина.

Второй пример. Синтез треонина. Особенности регуляции биосинтеза треонина в клетках Escherichia coli (кишечной палочки). В этом случае ситуация другая. У кишечной палочки нет механизма согласованного ингибирования ферментативной активности, то есть, если лизин ингибирует активность своих ферментов по принципу обратной связи, то треонин - своих ферментов. Кроме того, имеет место «репрессия» всего комплекса треониновых ферментов при избытке треонина или изолейцина и это похоже на «согласованную репрессию» Самостоятельно (по отдельности) ни треонин, ни изолейцин не репрессируют синтез ферментов.

О ТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ 1 ►

БИОТЕХНОЛОГИЯ ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу | -4 2 ►

Для решения задачи получения треонина в необходимых количествах пришлось сделать следующее:

1. изменить, сделать нечувствительным к треонину первый фермент треонина

2. снизить активность фермента, синтезирующего из треонина изолейцин

3. убрать механизм репрессии при недостаточном количестве изолейцина несмотря на избыток треонина

4. применить генную инженерию (выделить треониновые гены и размножить их на плазмидах в клетке микроорганизма, резко повысив синтез треонина клетками продуцента)

В рассматриваемом случае синтез треонина отличается от синтеза лизина тем, что его

синтез происходит одновременно с ростом биомассы. Здесь уже нет двух стадий. Особенности культивирования штаммов-продуцентов аминокислот приводят к

следующему результату:

1 .достигаются максимально высокие скорости синтеза аминокислот клетками продуцента

2.достигается максимальная длительность работы продуцента

3.минимально образуются побочные продукты биосинтеза аминокислот.

Первая задача решается путем выращивания высокоактивной биомассы и помогают в этом случае наличие в питательной среде: источников углерода, аммонийного азота, минеральных солей, ростовых факторов; оптимизация рН (кислотность среды) температуры; дробная подача субстратов.

Для предотвращения закисления среды проводят автоматическое рН-статирвоание аммиачной водой и источниками углерода.

В случае биосинтеза лизина добавляют ростовые факторы по мере необходимости, что зависит от самого сырья, от аппаратуры, от температуры. Процесс биосинтеза энергоемкий и требует интенсивной аэрации и перемешивания.

Для длительной работы ауксотрофных продуцентов лизина в питательную среду вносят комплексный источник аминокислот (белковые гидролизаты). Направление совершенствования биотехнологического производства

1 .Совершенствование биосинтеза в ферментере приведет к уменьшению потребления

энергии, уменьшению выброса вредных веществ. Это достигается выбором продуцента.

2.3амена дефицитных сред на недефицитные, а также использование недефицитных

реактивов (например, китовый жир используется как пеногаситель (детергент), но он

дефицит, так как был принят запрет на отстрел китов и стали выпускать синтетические

пеногасители).

3.Работа с иммобилизованными биообъектами.

О ТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ < 2 ►

БИОТЕХНОЛОГИЯ

ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу |

3 ►

^Совершенствование вьщеления и очистки; уменьшение количества используемых органических растворителей и введение мембранной технологии; соблюдение правил GMP. Идеальное производство - это безотходное производство, что на практике получить невозможно. Реально иметь только малоотходное производство. Проблема биотехнологии в экологическом плане

1. Уничтожение твердых отходов (мицелия, биомассы продуцента).

П Очистка жидких отходов (отходов от культуральной жидкости)

Ш Ликвидация газообразных отходов.

. Моно и комплексные лекарственные Препараты на основе аминокислот.

Табл

Название	Действие	Применение
глицин	Обладает ноотропным и седативным эффектом; снижает проявления абстиненции у больных алкоголизмом.	в клинике нервных и психических заболеваний; в наркологии - для стимуляции умственной деятельности (некоторые студенты проводят терапию глицином перед экзаменами).
глутамин	обеспечивает формирование высших психических функций; участвует в многообразных реакциях переаминирования, то есть обеспечивает синтез других заменимых аминокислот); активно связывает образующиеся в процессе метаболических реакций ионы аммония, которые являются токсичными и накопление их в клетках головного мозга вызывает процесс возбуждения.	в клинике нервных и психических заболеваний, а также при задержке умственного развития у детей; входит в состав комплексных препаратов для профилактики стресса, например, препарат глутамивит наряду с витаминами и микроэлементами, содержит также и глутаминовую кислоту.
метионин	является донором метальной группы в различных биохимических реакциях. В частности, при участии метионина осуществляется синтез холина (соединение входящее в состав клеточных мембран) из жиров; обладает липотропным и гепатропным эффектом	при циррозах и гепатитах печени (не рекомендуют применять при вирусных формах гепатита в острой фазе); лицам преклонного возраста, у которых имеются признаки атеросклероза
цистеин	приостанавливает процесс помутнения хрусталика	в начальных стадиях развития катаракты; входит в состав глазных капель - витайодурол и др.
тимоген	иммуностимулирующее; усиливает неспецифическую резистентность организма.	для стимуляции репара- тивных процессов после тяжелых травм (в т.ч. переломов костей)

ОТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ

3 ►

БИОТЕХНОЛОГИЯ

ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу |

4

	регулирует процессы	регенерации	в	после травм головного мозга;
	головном мозге			инсультов и ишемического голодания
Церебро-				головного мозга; а также при
лизин				задержке умственно- го развития у
				детей
	корректор метаболизма	костной	и	при артритах и артрозах
румалон	хрящевой тканей
	регулирует обмен	веществ	в	воспалительные болезни и
	предстательной железе			гиперплазия предстательной железы
раверон
Эмбрио-	Усиливает метаболические	процессы		для профилактики и коррекции
бласт				возрастных изменений кожи лица и
				шеи
Препарат NCTC-	создаёт благоприятную	среду	для	для ускорения заживления и
109	метаболических процессов			восстановления кожных покровов.

ОТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ

4

БИОТЕХНОЛОГИЯ ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу | 1 ►

Задача 35

Эколого-биохимические взаимодействия в организменных сообществах в животном мире. В данном случае речь идет о биологически активных молекулах с сигнально-коммуникативными функциями, вырабатываемых специализированными железами растений и животных, выделяемых в окружающую среду и вызывающих специфическую ответную реакцию у воспринимающих их особей того же вида. Ответной реакцией у воспринимающей особи может быть:

1. изменение поведения;

2. изменение процесса развития.

Таким образом, за счет химической коммуникации осуществляется передача информации. Вещества, обусловливающие подобного рода явления, получили название феромонов (греч. "Феро" - управлять, приносить и т.п.).

Феромоны-релизеры вызывают немедленные поведенческие эффекты. Следует отметить их исключительно высокую биологическую активность. Например, нескольких молекул этого феромона в 1 м³ воздуха достаточно для того, чтобы воспринимающая его особь животного изменила направление своего движения. Так немногочисленная популяция белых медведей, рассеянных на огромных территориях Арктики, как отдельные кочующие особи, получает возможность встречи особей между собой для дальнейшего спаривания, благодаря своему видоспецифическому половому феромону. Тоже относится и к немногочисленной популяции уссурийских тигров, причем необходимо отметить чрезвычайно высокую специфичность биологической активности соответствующего феромона, так как воздух уссурийской "субтропической тайги" содержит многочисленные летучие органические соединения как растительного, так и животного происхождения.

Кроме половых феромонов к феромонам-релизерам относятся также феромоны тревоги, следа, «мечения» территории и др.

Феромоны-праймеры вызывают длительные физиологические эффекты в воспринимающем организме. К ним относятся вещества, фиксируют срок наступления половой зрелости животного, (здесь прослеживается связь с простагландинами).

Еще одним эффектом некоторых типов феромонов праймеров является возможность сигнализации к соблюдению моногамии и отсутствию инцеста у определенных видов млекопитающих (например, у некоторых видов грызунов). Здесь демонстрируется приближение к закономерностям нейроэндокринного характера.

К феромонам-праймерам относятся также вещества, регулирующие принадлежность особей «общественных» насекомых к определенной касте.

Исследования в области феромонов ведутся, таким образом, как с позвоночными, так и беспозвоночными.

Из позвоночных, преимущественно из млекопитающих, выделено несколько сотен структур с сигнально-коммуникативной активностью. Из беспозвоночных - около двух тысяч феромонов. И первые, и, особенно, вторые с их огромным количеством видов еще очень мало изучены как источник феромонов.

Как химические соединения феромоны исключительно разнообразны по структуре.

О ТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ 1 ►

БИОТЕХНОЛОГИЯ ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу | -4 2

К феромонам примыкают алломоны и кайромоны. С их участием осуществляется "общение" в надорганизменных межвидовых сообществах. Алломоны приносят пользу тому, кто их вырабатывает, кайромоны приносят пользу реципиентам.

Общебиологическое значение феромонов несомненно, хотя во многом еще не раскрыто. Феромоны являются прямым предметом изучения экологии (нормальной экологии).

Перспективы применения феромонов в сельском хозяйстве - от животноводства до борьбы с сельскохозяйственными вредителями (замена инсектицидов) не вызывают сомнений и частично уже реализуются.

В настоящее время представляет интерес разнообразная активность феромонов для использования в области фармации.

Решение этого вопроса зависит от успехов в изучении механизмов их действия на молекулярном уровне.

О ТВЕТЫ К СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ < 2

БИОТЕХНОЛОГИЯ ММА им. И.М. Сеченова

В начало | Меню | Программа | Литература | Возврат к предыдущему документу | 1 ►