Чем занимается микробиология промышленная

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).

Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.

В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.

Создание среды.

Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино – из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.

Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред – ревниво оберегаемым секретом.

Стерилизация.

Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.

Получение культуры.

Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1–10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.

Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.

Рост в промышленном ферментере (биореакторе).

Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста – постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.

Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.

В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями Acetobacter. Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.

Выделение и очистка продуктов.

По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения – экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации.

Переработка и ликвидация отходов ферментации.

При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.

Микробная биомасса.

Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.

Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс – получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

Продукты метаболизма.

После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения – организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).

Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.

Ферменты микробного происхождения.

В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации. Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов. Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.

Рекомбинантные продукты.

Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты – соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.

Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие – повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.

Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, – технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин. Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.

Биотрансформация веществ.

Микроорганизмы можно использовать для превращения тех или иных соединений в структурно сходные, но более ценные вещества. Поскольку микроорганизмы могут проявлять свое каталитическое действие в отношении лишь каких-то определенных веществ, протекающие при их участии процессы более специфичны, чем чисто химические. Наиболее известный процесс биотрансформации – получение уксуса в результате превращения этанола в уксусную кислоту. Но среди продуктов, образующихся при биотрансформации, есть и такие высокоценные соединения, как стероидные гормоны, антибиотики, простагландины. См. также ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.

Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии (специальный выпуск журнала «Scientific American»). М., 1984
Биотехнология. Принципы и применение. М., 1988

Источник

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Полезное

Смотреть что такое «МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ» в других словарях:

микробиологическая промышленность — mikrobiologijos pramonė statusas T sritis chemija apibrėžtis Pramonės šaka, kurios objektas medžiagų sintetinimas arba keitimas veikiant mikroorganizmais. atitikmenys: angl. microbiological industry rus. микробиологическая промышленность … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Микробиологическая промышленность — отрасль промышленности, в которой производственные процессы базируются на микробиологическом синтезе (См. Микробиологический синтез) ценных продуктов из различных видов непищевого сырья (углеводородов нефти и газа, гидролизатов древесины) … Большая советская энциклопедия

Промышленность — … Википедия

микробиологическая коррозия — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN microbiological corrosion … Справочник технического переводчика

Витаминная промышленность — вырабатывает синтетические Витамины, коферменты в виде чистых кристаллических веществ и готовых к применению форм (драже, таблетки, ампулы, капсулы, гранулы, концентраты) и в небольших количествах витаминные препараты из растительного и… … Большая советская энциклопедия

СССР. Промышленность — Развитие промышленности в 1917 45. При наличии в царской России отдельных хорошо оснащенных и организованных производств технический уровень промышленности в целом оставался низким, структура её была отсталой (удельный вес… … Большая советская энциклопедия

Биотехнологии — Биотехнология интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Чаще всего применяется в… … Википедия

Всероссийский выставочный центр — Запрос «ВДНХ» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Достопримечательность Всероссийский Выставочный Центр Выставка Достижений Народного Хозяйства … Википедия

Гидролизное производство — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

Источник

Микробиологическая промышленность

Полезное

Смотреть что такое «Микробиологическая промышленность» в других словарях:

микробиологическая промышленность — mikrobiologijos pramonė statusas T sritis chemija apibrėžtis Pramonės šaka, kurios objektas medžiagų sintetinimas arba keitimas veikiant mikroorganizmais. atitikmenys: angl. microbiological industry rus. микробиологическая промышленность … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ — производство какого либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором). Процессы, протекающие при участии бактерий,… … Энциклопедия Кольера

Промышленность — … Википедия

микробиологическая коррозия — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN microbiological corrosion … Справочник технического переводчика

Витаминная промышленность — вырабатывает синтетические Витамины, коферменты в виде чистых кристаллических веществ и готовых к применению форм (драже, таблетки, ампулы, капсулы, гранулы, концентраты) и в небольших количествах витаминные препараты из растительного и… … Большая советская энциклопедия

СССР. Промышленность — Развитие промышленности в 1917 45. При наличии в царской России отдельных хорошо оснащенных и организованных производств технический уровень промышленности в целом оставался низким, структура её была отсталой (удельный вес… … Большая советская энциклопедия

Биотехнологии — Биотехнология интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Чаще всего применяется в… … Википедия

Всероссийский выставочный центр — Запрос «ВДНХ» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Достопримечательность Всероссийский Выставочный Центр Выставка Достижений Народного Хозяйства … Википедия

Гидролизное производство — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

Источник

Промышленная микробиология

Микроорганизмы, их свойства и принципы использования в промышленной микробиологии. Получение антибиотиков, аминокислот и органических кислот. Проблема «множественной» устойчивости болезнетворных микробов к антибиотикам. Синтез гормонов, ферментов и др.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Промышленная микробиология. Общие подходы

1.1 Микроорганизмы, их свойства, принципы использования в промышленной микробиологии

1.2 Свойства микроорганизмов, используемые в биотехнологии, методы получения «полезных микроорганизмов», улучшения их свойств

2. Промышленная микробиология. Получение антибиотиков, аминокислот, органических кислот и других продуктов

2.1 Природные и синтетические антибиотики. Основные группы антибиотиков, используемых в современной медицине. Первичные и вторичные метаболиты. Проблема «множественной» устойчивости болезнетворных микробов к антибиотикам Механизм действия на болезнетворные микробы

2.2 Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения

2.3 Об устойчивости и путях преодоления резистентности

2.4 Синтез органических кислот, гормонов, ферментов, биологически активных веществ

2.5 Наиболее важные продукты микробиологического синтеза

3. Проектное задание

1. Промышленная микробиология. Общие подходы

1.1 Микроорганизмы, их свойства, принципы использования в промышленной микробиологии

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим его сущность, является клетка. Именно в ней синтезируется целевой продукт.

Клетка представляет собой миниатюрный химический завод, работающий с колоссальной производительностью, с предельной согласованностью и по заданной программе.

Ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений, включая белки. микробиология антибиотик гормон фермент

Для осуществления биотехнологического процесса микробного синтеза необходима культура микроорганизмов, питательная среда, аппаратура для выращивания и проведения вспомогательных операций, средства контроля и управления.

Начальным этапом микробного синтеза является получение чистых культур клеток.

Велик и многообразен мир микробов. В настоящее время известно более 100 тыс. видов микроорганизмов. К ним относятся прокариоты (бактерии, синезеленые водоросли) и эукариоты (дрожжи, простейшие и водоросли).

Для их успешного развития, размножения, необходимы определенные условия, в первую очередь наличие питательных веществ, из которых микробы синтезируют составные части своего тела и получают энергию.

По типам питания организмы подразделяют на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные микроорганизмы обладают способностью создавать органические вещества из неорганических, они не нуждаются в органических соединениях углерода. К ним относятся нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии. Некоторые организмы содержат хлорофилл и используют солнечную энергию для фотосинтеза.

Гетеротрофные бактерии нуждаются для своего питания в органическом углероде, различных азотистых соединениях, неорганических веществах, микроэлементах и витаминах.

Возникает вопрос, как провести правильный выбор именно тех форм микроорганизмов, которые будут полезны для определенных биотехнологических целей.

1. Проводится выделение микроорганизмов. Отбираются пробы из тех мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава. Эти среды называют элективными.

2 Выделение чистых культур. Используют плотные питательные среды, на которые засевают образцы из проб накопительных культур. Отдельные клетки микроорганизмов на плотных питательных средах образуют изолированные колонии, при их последующем пересеве получается чистая культура, состоящая из популяций клеток одного вида.

Требования к организмам-продуцентам с точки зрения микробиологической промышленности.

Микроорганизмы должны обладать:

1. Высокой скоростью роста;

2. Использовать для жизнедеятельности дешевые непищевые субстраты;

3. Устойчивостью к заражению посторонней микрофлорой.

Одноклеточные организмы характеризуются более высокой скоростью синтетических процессов, чем высшие формы живого. Например, корова 500 кг и дрожжи 5 г за одни сутки синтезируют 0,5 кг белка.

Немного более подробно рассмотрим такие группы как фотосинтезирующие микроорганизмы и термофильные микроорганизмы.

1.2 Свойства микроорганизмов, используемые в биотехнологии, методы получения «полезных микроорганизмов», улучшения их свойств

Для этого используют методы селекции. С их помощью получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность природных штаммов в десятки и сотни раз.

— подавление бактериальной клеткой систем поглощения катионов тяжелых металлов;

— активация выброса тяжелых металлов из клетки;

— перестройка систем, чувствительных к ингибирующему действию тяжелых металлов.

Если необходимо добиться накопления не конечного, а промежуточного продукта биосинтетического пути, то это может быть достигнуто с помощью мутанта, у которого блокирован следующий за интермедиатором этап синтеза.

Такой мутант ауксотрофен, т.е. растет только при добавлении в среду вещества, служащего продуктом блокируемой реакции.

Этот путь основан на переходе от прототрофных к ауксотрофным по определенному соединению штаммам.

Рассмотрели как выделяются из окружающей среды микроорганизмы, какие требования к ним предъявляются, как происходит улучшение их качеств.Теперь более подробно рассмотрим сам процесс культивирования.

На данной стадии происходит: как накопление биомассы организма, так и накопление продуктов метаболизма.

Культивирование микроорганизмов осуществляется следующими основными способами:

· глубинное, периодическое, отъемно-доливное, непрерывное.

В состав питательных сред для культивирования микроорганизмов входят:

· источники азотного питания (соли аммония, белки, аминокислоты, пептон, пептиды). Синтез белковых соединений, построение протоплазмы;

· факторы роста. Необходимы в малых дозах. Участвуют в процессах обмена веществ.

Характеристика основных питательных сред

В зависимости от состава и назначения, питательные среды подразделяют на ряд групп:

· по консистенции: жидкие, полужидкие, твердые (агаризированные среды, свернутая сыворотка, свернутый яичный белок), сыпучие;

· по строению и сложности подразделяют на простые (обычные, универсальные (пептонная вода, питательная желатина и др.) и сложные (кровяной агар, асцитический агар);

· по назначению, питательные среды подразделяют на дифференциально-диагностические, элективные, накопительные, консервирующие;

· по составу: натуральные, синтетические (строго определенные пропорции химических. соединений и воды) и полусинтетические (среда из картофельного крахмала с глюкозой);

Выше мы рассмотрели клеточные организмы. Условия их существования, питания, размножения.

Как это происходит:

— прикрепление (адсорбция) вируса на поверхности клетки

-проникновение вируса в клетку

— освобождение вируса от белковой оболочки (раздевание), что приводит к эклипсу, при котором происходит транскрипция специфических последовательностей родительской вирусной ДНК или РНК с обр-м мРНК;

— трансляция мРНК и появление кодируемых вирусом ферментов;

-репликация вирусной РНК или ДНК;

— дальнейшая транскрипция дочерней и родительской нуклеиновой кислоты;

— накопление структурных и других кодируемых вирусом белков, часть из которых обладает регуляторными функциями;

— самосборка вирусных белков вокруг генома вируса;

— выход вирионов из клетки.

2. Промышленная микробиология. Получение антибиотиков, аминокислот, органических кислот и других продуктов

2.1 Природные и синтетические антибиотики. Основные группы антибиотиков, используемых в современной медицине. Первичные и вторичные метаболиты. Проблема «множественной» устойчивости болезнетворных микробов к антибиотикам Механизм действия на болезнетворные микробы

Самый первый известный нам антибиотик появился в Китае две с половиной тысячи лет назад. В то время, китайцы обнаружили, что если прикладывать створожившееся соевое молочко к месту поражения инфекцией, то такой компресс оказывает определенное терапевтическое действие. Средство было настолько эффективным, что стало стандартным выходом из ситуации.

Исторические свидетельства гласят о том, что и в других культурах использовались вещества наподобие антибиотиков. В Судано-Нубийской цивилизации тип тетрациклина использовался уже в 350 году. В Европе в Средние века экстракты растений и сырная сыворотка использовались для лечения инфекций. Невзирая на то, что эти культуры уже использовали антибиотики, научные основы их деятельности были выведены только в двадцатом веке.

Одним из первых пионеров науки стал Луи Пастер. В 1877 году он и его сотрудник обнаружили, что рост болезнетворной бактерии можно остановить, если запустить к ней другую бактерию. Они показали, что огромные количество бацилл сибирской язвы не причинят никакого вреда животным, если их давать вместе с бактериями сапрофитами. Исследования, проведенные другими учеными в последующие годы окончательно подтвердили вердикт: материалы на основе бактерий могут убивать болезнетворные микроорганизмы.

Антибиотики обладают мощным действием на многие микробы, но, конечно, не на все. Антибиотиков универсального действия пока нет. Ученые стремятся к получению антибиотиков так называемого широкого спектра действия. Это значит, что такие антибиотики должны действовать на большое количество различных микробов, и такие антибиотики созданы. К их числу относятся стрептомицин, тетрациклин, хлорамфеникол и др. Но именно потому, что они вызывают гибель массы разнообразных микробов (но не всех), оставшиеся становятся агрессивными и могут причинить вред. В то же время за ними большое будущее.

В настоящее время антибиотики стали применяться и для лечения животных и птиц. Так многие инфекционные заболевания птиц благодаря антибиотикам перестали быть бичом в птицеводстве. В животноводстве и птицеводстве антибиотики стали применяться как стимуляторы роста. В сочетании с некоторыми витаминами, прибавленными к корму цыплят, индюшат, поросят и других животных, антибиотики способствуют усилению роста и увеличению их веса.

2.2 Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения

По направленности ингибирующего действия различают противобактериальные, противогрибковые, противовирусные, противопротозойные, противоопухолевые антибиотики. Они могут обладать узким (например, бензилпенициллин), умеренным (например, ампициллин) или широким (например, аминогликозиды, тетрациклины) спектром действия.

Мишенями действия антибиотика чаще всего бывают клеточная стенка, особенно ее пептидогликан, цитоплазматическая мембрана, обычно пермеазы или другие расположенные в ней ферменты, рибосомы, митохондрии, генетические структуры или отдельные этапы синтеза белка, НК, липидов. В зависимости от важности мишеней для жизненных функций микроорганизма, обратимости повреждения, а также от концентрации и условий действия, антибиотики оказывают микробоцидное, оканчивающееся гибелью объекта, либо микробостатическое действие. В последнем случае происходит приостановка роста и размножения микроба в присутствии антибиотика. После удаления антибиотика из среды обитания микроба или утраты им антимикробных свойств, рост и размножение микроба возобновляются.

Приобретенная устойчивость может быть связана с изменением фенотипа или генотипа микроба. При фенотипической устойчивости происходит повышение устойчивости к антибиотику у большинства особей популяции, устойчивость носит адаптивный, временный характер и вызвана феноменом репрессии-депрессии генов хромосомы или плазмид.

Генотипическая устойчивость возникает в результате одно- или многоступенчатой мутации в хромосоме или R-плазмидах, а также путем передачи R-плазмиды или участка хромосомы, ответственного за устойчивость, путем конъюгации, трансдукции или трансформации от устойчивой особи к чувствительной, транслокация генов устойчивости транспозонами. Мутация и перенос генетического материала, как правило, обусловливают развитие устойчивости к одному-двум А., передача R-плазмиды часто сопровождается формированием устойчивости ко многим антимикробным веществам, к появлению т.н. множественно-устойчивых штаммов.

В чувствительной к антибиотикам популяции первоначально возникают единичные устойчивые мутанты или рекомбинанты. В неселективной среде обитания они обычно элиминируются, а в селективной, т.е. в среде, содержащей соответствующий атибиотик, они быстро приобретают доминирующее положение. Появление устойчивых к антибиотику. популяций микробов может быть также обусловлено заносом в популяцию и селекцию в ней устойчивых иммигрантов из других популяций. Это явление часто наблюдается в больничных условиях.

Совместное влияние двух или трех антибиотиков в зависимости от механизмов их действия может оказать суммарный (аддитивный), ниже суммарного (антагонистический) или выше суммарного (синергидный) эффект

Антимикробная активность одного и того же антибиотика не всегда совпадает при испытании его в пробирочных опытах и при лечении больного, что вызвано активацией или инактивацией его в результате метаболических реакций микроорганизма, неадекватности условий, в которых проявляется действие антибиотика, и гетерогенностью микробных популяций по признаку устойчивости к антибиотику.

Клиническое применение антибиотика нередко осложняется их токсическим действием, развитием лекарственной аллергии, супер- и вторичной инфекцией, дисбактериозом, угнетением иммунного ответа, переходом болезни в хроническую форму, лекарственной инфекцией. Указывается на вероятность тератогенного и онкогенного действия некоторых антибиотиков. Достижение терапевтического эффекта без развития осложнений возможно при соблюдении научных принципов рациональной терапии.

2.3 Об устойчивости и путях преодоления резистентности

Чтобы контролировать антибиотикорезистентность необходимо знать, какие микробы к каким антибиотикам приобретают устойчивость. Это важно и в амбулаторной практике популяции. Это особенно важно в госпитальной практике. Потому что именно в XX веке мы столкнулись с проблемой внутрибольничных инфекций. Раньше их не было. И особо остро строит проблема антибиотикорезистентности именно среди возбудителей инфекций у пациентов, которые находятся в стационаре.

Так называемая полирезистентность. Столкнулись с проблемой так называемой панрезистентности. Уже есть микроорганизмы, которые устойчивы абсолютно ко всем применяемым антибиотиком.

Были ли какие-то попытки международного сообщества выработать общие рекомендации, как поступать в случае появления действительно панрезистентных микроорганизмов?

Пути преодоления резистентности.

1. Создание новых антибиотиков

2. Разработка «быстрых тестов», показывающих, является ли эта инфекция, например, бактериальной, то есть той, при которой необходимо применять антибиотики, или эта инфекция вызвана, например, не бактериями, а вирусами, и ее лечение не должно сопровождаться применением бактерицидных препаратов. Потому что именно избыточное применение антибиотиков является одной из основных движущих сил, которые стимулируют развитие резистентности у микроорганизмов.

4, Строгий контроль над расходованием антибиотиков.

2.4 Синтез органических кислот, гормонов, ферментов, биологически активных веществ

В микробиологическом синтезе. сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения, в результате которого также образуются различные продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, органические кислоты и др.), но преимущественно в результате ферментативного распада орг. веществ.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (например, углеводы, оргаические кислотыты, спирты, жиры, углеводороды, в т.ч. газообразные). Микробиологический синтез включает ряд последовательных стадий. Главные из них:

· подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;

· культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которогорого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто называют ферментацией);

· фильтрация и отделение биомассы;

· выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо);

Рис. 1. Рост бактериальной культуры

Развитие микроорганизмов в статических условиях ограничено определенным объемом питательной среды. Закономерности характерны для периодического культивирования и могут быть отражены на графике зависимости логарифма количества клеток от времени культивирования. Выделяют 4 фазы роста:

2 Фаза логарифмического роста. Характерна максимальная скорость роста и размножения клеток; в культуре много молодых, биологически активных мко. Продолжительность зависит от количества питательных веществ, скорости накопления и токсичности продуктов метаболизма, аэрации для дрожжей. Устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды повышается.

Постепенно среда истощается, уменьшается количество доступных источников питания, накапливаются продукты обмена веществ. Для увеличения продолжительности этой фазы при непрерывном культивировании вводят новые порции питательной среды и удаляют часть клеток и продукты метаболизма.

Продукты метаболизма. После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей.

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами.

В качестве вторичных метаболитов. микроорганизмы образуют некоторые пигменты, антибиотики, витамины.

2.5 Наиболее важные продукты микробиологического синтеза

Нуклеозидфосфаты. Развитие микробиологического синтеза нуклеотидов (ино-зиновой, гуаниловой и других кислот) связано с перспективами получения искусственной пищи, где их используют в качестве вкусовых добавок. При введении в состав среды для культивирования микроорганизмов метаболических предшественников продуктов синтеза можно получать практически все известные нуклеозидфосфаты, в том числе АТФ. Накопление нуклеозидфосфатов происходит преимущественно вне клеток микроорганизмов.

Витамины, провитамины, коферменты. Методом микробиологического синтеза. производят в основном витамин В₁₂ и его коферментную форму. Продуцентами в этом процессе служат пропионовокислые бактерии. Для получения кормовых концентратов, содержащих витамин В₁₂, на отходах бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) применяют комплекс метанообразующих бактерий. Разработаны способы получения витамина В₂, р-каротина и дрожжей, обогащенных эргостеринами. При использовании соответствующих метаболических предшественников возможен также микробиологический синтез никотинамидных коферментов, например, никотинамидаде-ниндинуклеотида.

Гиббереллины. Их микробиологический синтез. осуществляют при культивировании грибов, относящихся к классу аскомицетов (Ascomycetes), напр. Gibberella fujikuroi. Выделяют гиббереллины из фильтрата культуральной жидкости. По химической природе все они являются тетрациклическими. карбоновыми кислотами, относящимися к дитерпенам.

Белково-витаминные препараты. Особое внимание как источник белка привлекает микробная биомасса. Производство такой биомассы на дешевом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего белкового дефицита в питании животных. Наибобее интенсивное развитие получили промышленные методы микробиологического синтеза. кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Для выращивания кормовых дрожжей используют углеводороды, гидролизаты различных отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительные материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.). Для получения кормовых микробных препаратов в качестве компонентов среды могут быть также использованы этанол, метанол, уксусная кислота. Культивирование дрожжей на углеводородах требует высокой культуры производства. В частности, необходима надежная герметизация аппаратуры, исключающая вынос микробных клеток в окружающую среду.

К числу продуктов микробиологического синтеза относятся также некоторые средства защиты растений, например бактериальные энтомопатогенные препараты, вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение, и многие бактериальные удобрения.

Синтез аминокислот. Аминокислоты играют большую роль в здравоохранении, животноводстве и легкой промышленности. По значению для макроорганизма аминокислоты подразделяют на заменимые и незаменимые. К незаменимым относятся те аминокислоты, которые не синтезируются в животном или человеческом организме, они должны быть привнесены с пищей или кормом для животным (табл. 1 ).

Таблица1. Заменимые и незаменимые аминокислоты.

Источник