Объекты биотехнологии и их биотехнологические функции

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. Биотехнологические объекты находятся на разных ступенях организации:

  • а) субклеточные структуры (вирусы, плазмиды, ДНК митохондрий и хлоропластов, ядерная ДНК);
  • б) бактерии и цианобактерии;
  • в) грибы;
  • г) водоросли;
  • д) простейшие;
  • е) культуры клеток растений и животных;
  • ж) растения - низшие (анабена-азолла) и высшие - рясковые.

Бактерии и цианобактерии

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. Биотехнологические функции бактерий разнообразны. Бактерии используются при производстве:

- пищевых продуктов, например, уксуса (Gluconobacter

suboxidans), молочнокислых напитков (Lactobacillus, Leuconostoc) и др.;

  • - микробных инсектицидов (Bacillus thuringiensis);
  • - белка (Methylomonas);
  • - витаминов (Clostridium - рибофлавин);
  • - растворителей и органических кислот;
  • - биогаза и фотоводорода.

Полезные бактерии относятся к эубакгериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицагельные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют не- ритрихиальное жгутикование. В. subtilis - строгий аэроб, а В. thuringiensis может жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры бактерии представлены родом Clostridium. С. acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изонропанол и n-бутанол (ацетобуганоловое брожение), другие виды могут также сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения.

К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамноложительны и нечувствительны к кислороду. Гетероферментагивные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ. Гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Streptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов.

К бактериям рода Corynebacterium, неподвижные грампо- ложительные клетки которых не образуют эндоспор, относятся патогенные (С. diphtheriae, С. tuberculosis) и непатогенные почвенные виды, имеющие промышленное значение. С. glutamicum служит источником лизина и улучшающих вкус нуклеотидов. Коринебактерии, хотя и считаются факультативными анаэробами, лучше растут аэробно. Бактерии используются для микробного выщелачивания руд и у тилизации горнорудных отходов.

Широко используется такое свойство некоторых бактерий, как диазотрофность, то есть способность к фиксации атмосферного азота.

Выделяют две большие группы диазотрофов:

  • - симбионты: без корневых клубеньков (азотобактер - лишайники, азоспириллум - лишайники, анабена - лишайники, азолла), с корневым клубеньками (бобовые - ризобии, ольха, лох, облепиха - акгиномице гы);
  • - свободноживущие: гегеротрофы (азотобактер, клостри- диум, метилобакгер), автотрофы (хлоробиум, родосиириллум и амебобактер).

Микробные клетки используют для трансформации веществ.

Бактерии также широко используются в генно- инженерных манипуляциях при создании геномных клонотек, введении генов в растительные клетки (агробакгерии).

Производственные штаммы микроорганизмов должны соответствовать определенным требованиям: способность к росту на дешевых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта, минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств, безвредность продуцента и целевого продукта для человека и окружающей среды. В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством продуцента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержания стерильности, и фагоустойчивость.

Все цианобактерии обладают способностью к азотфикса- ции, что делает их весьма перспективными продуцентами белка. Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водоросль. Нити из более или менее округлых клеток, содержат гетероцисты и иногда крупные споры, но всей длине нить одинаковой толщины. В цитоплазме клеток откладывается близкий к гликогену запасной продукт - анабенин. Такие представители цианобактерий, как носток, снирулина, гриходесмиум - съедобны и непосредственно употребляются в пищу. Носток образует на бесплодных землях корочки, которые разбухают при увлажнении. В Японии местное население использует в пищу пласты ностока, образующиеся на склонах вулкана, и называет их ячменным хлебом Тенту (Тенту - добрый горный дух).

Свое шествие снирулина (Spirulina platensis) начала из Африки - население района озера Чад давно употребляет ее в пищу, называя этот продукт «дихе». Другое место, откуда начала распространяться снирулина, но иного вида (Spirulina maxima) - воды озера Тескоко в Мексике. Еще ацтеки собирали с поверхности озер и употребляли в пищу слизистую массу сине-зеленой водоросли спирулины. Впервые галеты «текуиг- латл» упомянуты испанцем Кастильо в 1521 г. Эти галеты продавались на базаре в Мехико и состояли из высушенных слоев S. maxima. В 1964 г. бельгийский ботаник Ж. Леонар обратил внимание на галеты сине-зеленого цвета, которые местное население изготовляло из водорослей, растущих в щелочных прудах вокруг озера Чад. Эти галеты представляли собой высушенную массу спирулины. Анализ образцов Spirulina показал, что в ней содержится 65 % белков (больше, чем в соевых бобах), 19 % углеводов, 6 % пигментов, 4 % липидов, 3 % волокон и 3 % золы. Для белков этой водоросли характерно сбалансированное содержание аминокислот. Клеточная стенка этой водоросли хорошо переваривается. Как озеро Тескоко, гак и водоемы района озера Чад имеют в воде очень высокое содержание щелочей. Характерно, что в таких озерах снирулина полностью доминирует и растет почти как монокультура — составляет в отдельных озерах до 99 % общего количества водорослей. Растет спи- рулина в щелочной среде при pH вплоть до 11. Ее собирают также из озер около г. Мехико, получая до 2 т сухого веса биомассы водоросли в сутки, и эта продукция рассылается в США, Японию, Канаду. В других странах сгшрулину культивируют обычно в искусственных водоемах или специальных емкостях. Сгшрулину можно культивировать в открытых прудах или, как в Италии, в замкнутой системе из полиэтиленовых труб. Урожайность очень высокая: получают до 20 г сухой массы водоросли с 1 м2 в день, а расчеты на год показали, что она превысит выход пшеницы примерно в 10 раз.

Преимущества спирулины но сравнению с другими съедобными водорослями не только в простоте культивирования, но и в несложности сбора биомассы, высушивания ее, например, под солнцем. В ряде стран выращивают спирулину вида Spirulina platensis. Недавно было показано, что в клетках сниру- лины, помимо ценного белка, углеводов, липидов, витаминов, в значительных количествах запасается, например, такое ценное вещество, как поли-Ь-оксибугират. Отечественная фармацевтическая промышленность выпускает препарат «Оплат» на основе цианобактерии Spirulina platensis. Он содержит комплекс витаминов и микроэлементов и применяется как общеукрепляющее и иммуностимулирующе средство.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >