рефераты бесплатно

МЕНЮ


Биотехнология

роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для

остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы

способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так,

Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum —

целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации

целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение

экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter

ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и

галофильных продуцентов спирта.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут

быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола

осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на

хлопчатобумажных волокнах (S. Prentis, 1984).

Получение метана и других углеводородов.

Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он

получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2

ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в

зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание

метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.

Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа

микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность

метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях.

Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная

кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз

практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала,

белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют

многокомпонентные микробные ассоциации.

Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят

микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и

уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная

ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложении

биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).

Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95%

используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с

успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с

одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного

углерода превращается в биомассу, которая также находит применение.

Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза

(биогазификации).

Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты,

например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз

остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и

фосфорное) удобрение.

Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и

доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии,

ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят

подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку

сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л,

достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти

человек.

Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов —

продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли —

Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются

в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует

ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс.

гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения

топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают

гидрированию (Г Н Чернов, 1982).

Получение водорода как топлива будущего.

Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых

разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О,

отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г.

Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому

заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой

способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные

и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и

некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс

протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию

2Н+ + 2е- = Н2

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной

гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной

проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое

ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом.

Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией

(Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобилизация предотвращает

ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование

водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом

улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них

хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые

системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о

биофотолизе воды.

Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа.

Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от

фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной

проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с

тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина

на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид

и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования

кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным

в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена

также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым

прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов,

стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными

продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например

Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до

180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A.

Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцентов Н2 с устойчивой

к О2 гидрогеназой.

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа.

У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно

из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина).

Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:

N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катализирует

энергозависимое

восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима

работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения

— получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.

В Японии получен штамм Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в

режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности

биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования

биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки

фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования).

Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В

частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и

в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой

Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2,

то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола,

ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с

довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот

пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического

процесса условиями культивирования биообъекта.

Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения

водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в

процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного

превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.

Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент

превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ,

близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения

запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема

технологической биоэнергетики — повышение эффективности фотосинтеза у

культурных растений.

Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1)

повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет

увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в

системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование

фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости

роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что

приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа

хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление

оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами

хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например,

цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами

I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом

АТФ.

Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы

создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки

фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных

преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими

десятилетиями.

Биотопливные элементы.

На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы,

превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут

служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную

кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с

участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием

глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток,

например Е. coli, Вас. subtilis, Ps. aeruginosa, в реакции окисления

глюкозы.

Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между

субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей

передачи электронов на

электрод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт

электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция

биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток,

но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный

элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в

смесь фруктозы и глюконовой кислоты.

Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они

представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров,

широко применяемых в химиче-

ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими

процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с

биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода.

Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают

чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина.

Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для

измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-

somonas sp. и Nitrobacter sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На

биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2

Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации

глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.

3. Биотехнология и медицина

Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в

биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему

столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех

наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.

Антибиотики.

Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие

высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам

микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их

рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все

из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для

применения в медицине. К важнейшим антибиотикам терапевтического назначения

принадлежат следующие их классы (табл. 2).

Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их многообразия, список их

пополняется с каждым годом. Причины неослабевающего внимания к поиску новых

антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих

антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием

устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо

этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против

которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути

поиска включают:

1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют

миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н.

Thierbach, N. Reichenbach, 1981).

2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды

токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по

жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения

почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и

сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и

цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.

Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения

(по И Г.. Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)

|Класс |Типичные |Продуценты |На кого |Механизм |Трудности |

| |антибиотики | |действует |действии |терапевтическ|

| | | | | |ого |

| | | | | |применения |

|?-Лактамные|Пенициллины,|Грибы |Грамположител|Нарушение |Аллергические|

| |це-фалоспори|родов |ь-ные и |синтеза |реакции |

| |ны |Реnicillium,|грамотрицател|клеточной | |

| | |Cephalosporu|ьные |стенки | |

| | |m |бактерии | | |

|Аминогликоз|Стрептомицин|Актиномицеты|В основном |Необратимое |Токсическое |

|идные |, |рода |грамотрицател|подавление |действие на |

| |гентамицин, |Streptomyces|ьные |синтеза |слуховой нерв|

| |канамицин, |, бактерии |бактерии |белка |и почки |

| |тобрамицин, |родов | | | |

| |амикацин |Micromonospo| | | |

| | |ra. Bacillus| | | |

| | | | | | |

|Тетрациклин|Одноименные |Актиномицеты|Грамположител|Обратимое |Распространен|

|ы |антибиотики |рода |ьные и |подавление |ие устойчивых|

| | |Streptomyces|грамотрицател|синтеза |штаммов |

| | | |ьные |белка | |

| | | |бактерии, | | |

| | | |риккетсии, | | |

| | | |хламидии, | | |

| | | |простейшие | | |

|Макролиды |Антибактериа|Актиномицеты|Грамположител|То же |Токсичность |

| |льные: |рода |ьные бактерии|Нарушение | |

| |эритромицин |Streptomyces|Грибы, |плазматическ| |

| |Противогрибк|То же |некоторые |ой | |

| |овые и | |простейшие |мембраны | |

| |антипротозой| | | | |

| |ные: полиены| | | | |

| | | | | | |

|Полипептидн|Полимиксины,|Различные |В основном |Механизм |Высокая |

|ые и |грамицидины,|микро-органи|грамотрицател|действия |токсичность |

|депсипептид|бацитрацины |змы |ьные |различен | |

|ные | | |бактерии | | |

3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез

отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования

вносят аналоги этих фрагментов. Микроорганизм использует эти аналоги для

биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.

4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми

комбинациями агликона и Сахаров.

5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганизма информации о

ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика,

например его метилирования при помощи метилаз.

Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5


Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.