girniy.ru 1 2 3
Ф КГМУ 4/3-04/01


ИП №6 УМС при КазГМА

от 14 июня 2007 г.


Қарағанды мемлекеттік медицина университеті

Химия курсымен фармацевтикалық пәндер кафедрасы


ДӘРІС


Тақырыбы: “ Биологиялық белсенді заттар алу үшін генді инженерияда қолданатын әдістер. (интерферондар, инсулин, өсу гормоны, молекулярлы және рекомбинантты вакциналар, диагностикумдар және т.б.)”


Пән: Биотехнология негіздері

Мамандығы: 051103фармация

Курс :4

Ұзақтығы : 1 сағат


Қарағанды-2010ж.


Кафедра мәжілісінде қарастырылған

Хаттама № “___”__________2010ж

Кафедра меңгерушісі бекіткен_________ Лосева И.В.


Тақырыбы: Биологиялық белсенді заттар алу үшін генді инженерияда қолданатын әдістер. (интерферондар, инсулин, өсу гормоны, молекулярлы және рекомбинантты вакциналар, диагностикумдар және т.б.)


Мақсаты: студенттерді генетикалық инженерия әдістерімен, рекомбинантты ДНҚ әдістерімен, микроорганизм жасушаларында адамдардың гендерін клондау, адам инсулинін, өсу гормонын, интерферондар, молекулалық вакцина алуы туралы түсінік беру.


Дәріс жоспары:


  1. Биотехнологияда қолданылатын микрооргонизмдер

  2. Өсу жөие көбею



Биотехнологияда қолданылатын микрооргонизмдер

Микроорганизмдерді зерттейтін биологиялық ғылым - микробиология, зерттеу нысаны бойынша карастырады: бактериялар мен актиномицеттерді (бактериология), мицеллалы саңырауқұлақтар мен ашытқыларды (микология), микробалдырларды (альгология), вирустарды (вирусология), қарапайымдыларды (протозоология). Биотехнология биологиялық ғылымның бір саласы болғандық-тан биообъект ретінде микроорганизмдердің атап кеткен таксоно-миялық топтарын қолданады. Осы ғылыми бағыттың жаңа даму сатыларында биотехнологиялық үрдіске микроорганизмдердің жаңа топтары, соның ішінде генетикалық модификацияланған түрлері де енуде.


Біріншіден, қолдану саласы бойынша микроорганизмдер топта¬ры бөлінбейді (мысалы: медициналық биотехнологияда микробтардың бір тобын, тағамдық биотехнологияда - келесі, ауыл-шаруашылық биотехнологияда - үшінші тобьш және т.б.). Айта кету керек, бір микробтық метаболитті (аминқышқылдар, органикалық қышқылдар, антибиотиктер, витаминдер және т.б.) түрлі таксономиядағы микроорганизмдер турлері (ашытқылар және бактериялар, мицелллалы саңырауқүлақтар мен актиномицеттер және т.б.) синтездей алады; сондай-ақ бір метаболита' әртүрлі салада қолдануға болады.

Екіншіден, әртүрлі салада биообъект ретінде қолданылатын микроорганизмдерге қойылатын талаптар әртүрлі, бір бірінен айырмашылықтары болады. Антибиотиктер өндір^тіндерге бір талап қойылады, вакцина түрінде қолданылатын штамына қойыла-тын талаптардан белек, ал пробиотик ретіндегі микроорганизм¬дерге қойылатын талап екеуіне мүлдем үқсамайды және т.б.

Үшіншіден, биотехнологияның турлі салаларында қолданылатын биообъект маңызы, рөлі және қатысуы жағынан ерекшеліктері болады. Микроорганизмдердің бейімделуі технологияльщ жағ-дайларға, өндірістің ауқымдылығына және жасанды (биореактор-да) тіршілік етуінде функциаланғанда техникалық, өндірістік микро-биологиядан "өндірістік микроорганизмдер" термині туындады.

Өнімнің сапасы мен көлемі негізінен бионысанның активтілігіне байланысты.

Айта кету керек, мүнай және мүнай өнімдерімен ластанған то-пырақтың биоремедиациясында, бионысан ретінде пайдаланыла-тын микроорганизмдер табиғи жағдайға жақын монодақыл болған-да емес, ал бақылауы төмен жағдайдағы әртүрлі топырақ микро-организмдерімен бірге функциялайды.

Төртіншіден, технологиялық міндеттерге байланысты бионы-санды монодақылда (антибиотиктер, витаминдер, аминкышқыл-дар өндіретіндер, вакциналық штамдар және т.б.) немесе ажыра-туы қиын қоғамдастағы таксономиялық топтар (ағынды суларды активті лаймен тазартуда) түрінде пайдалануға болады.

Жалпы алғанда, "бионысан" түсінігі биотехнологияның әртүрлі саласында қолданатын түрлі микроорганизмдер топтарын бірік-тіреді.


Бактериялар

Көптеген таксономиялық топтардан түратын бактериялар әле-мін Берджи анықтамасында төрт бөлімге топтастырылған:

- грациликуттер (Gracilicutes, gracilus - жүқа, нәзік, cutes -тері, қабыршақ) - клетка қабырғасы жүқа бактериялар, грам теріс-тер; бүл - фото- және хемотрофтылар, лито- және гетеротроф-тылар, аэробты және анаэробтылар;

- фирмикуттер (Firmicutes, firmus - қалың, мықты) - клетка қабырғасы қалың бактериялар, грам оңдылар, авто- және гетеро-трофтылар, аэробты және анаэробтылар;

- тенерекуттер (Tenericutes), грам теріс; клетка қабырғасы жоқ; бүл микоплазмалар;

- мендозикуттер (Mendosicutes), архебактериялар - клетка қа-бырғасының қүрылымы, рибосомалық мембрана қүрылысы мен рибосомалық РНҚ ерекшеліктері бар автотрофтылар.

1977 жылы Везе және Фокс 16S және 18S - рРНҚ толық емес қатарын сараптау барысында прокариоттарды бактерия және архей әлеміне немесе эубактерия және архебактерия деп бөлуді үсынды.

Прокариоттардың таксондарын ажырату үшін қазіргі заманғы жіктелу жүйесі фенотиптік сипаттамамен бірге акуыздар мен ДНҚ молекуласының анализіне негізделген.

Биотехиологияда метаболизмнің өзгеше әртурлілігінің арқасында әсіресе энергиямен камтамасыз ететін анаэробты реакцияларында, азот фиксациялау, метан түзуге және баска да реакцияларға кабілеттілігінен бактериялар кеңінен қолданылады. Биохимиялық үрдістер бойынша әртүрлі бактериялардың бірбірінен айырмашылыктары айқын көрінеді, ал көпклеткалы эукзриотты организмдерді салыстыратын болсақ айырмашылыктары .айтарлықтай жоғары емес.

Өндірістік прокариоттар көміртегі және энергиямен қамтамасыз ететін органикалық субстратта өсіріледі. Олар әдетте тек бір органикалық заттан немесе кез-келген азот көзінен клетканың барлық компоненттерін синтездейді.

Анаэробты бактерияларды қоректенуі бойынша ажыратады:

1. Гидролиздік бактериялар немесе ацидогенД олар субстраттың алғашқы гидролизін темен молекулалы қосылыстарға дейін ыдыратады;


2. Гетероацетатты бактериялар, сірке қышқылын синтездейді;

3. Метаногенді бактериялар метан түзеді. Оларды сутегін қа-былдайтындар - литотрофтылар және сірке қышқылымен қоректенетін метаногенді бактериялары - ацетотрофтылар деп атайды;

4. Сульфатредукциялаушы және денитрификациялайтын микро-организмдер, субстрат ішінде азот және күкіртті пайдаланады.

Gracilicutes бөліміне жататын аэробты, грам теріс бактериялар (таяқшалар және кокктар) биотехнологияда кеңінен қолданылады:

- Pseudomonas туыстығы, топырақта, суда, ағынды суда, органикалық және өсімдік қалдықтарында кездеседі; хемоорганотрофтылар, субстрат ретінде әртүрлі органикалық заттарды колдана алады - ақуыз, май, көмірсулар, сонымен қатар гумусты заттарды;

- Azotobacter туыстығы, таяқша пішінді, қозғалғыш бактерия¬лар. Атмосферадағы азотты фиксациялайды, топырақта кеңінен таралған;

- Rhizobiwn туыстығы, түйнек бактериялары, атмосферадагы азотты симбиозды түрде фиксациялайды;

- Agrobacterhim туыстығы, фитопатогендер, Ті-плазмиданы aлy көзі.

- Methylococcus және Methilomonos туыстықтары, қозғалмалы және қозғалмайтын кокктар және таяқшалар. Хемоорганотрофтылар. Олар үшін көміртегі және энергияның көзі тек қана метан және метил спирті;

- Acetobacter және Gluconobacter туыстыктары, этил спиртін сірке қышқылына дейін тотьқтырады;

- Thiobacillus туыстығы, хемолитотрофтылар, күкірт және оның қосындыларын метаболиздейді, Ұсақ таяқша клеткалары, спора түзбейтін, облигатты анаэробтар. Энергияны күкірті бар қосылыстарды тотықтырғанда алады, көміртегі көзі ретінде көмірқышқыл газын пайдаланады. Өте қышқыл ортада кебеюге қабілетті. Топы-рақта, су қоймаларында, ағынды суларда, күкіртті бүлақтарда кездеседі.

Грациликут бөліміне цианобактериялар да кіреді (жасыл-көк балдырлар). Олар грам теріс, прокариоттар, көп қабатты клетка қабыргасының ішкі жағында пептидогликанды қатар орналасады. Цианобактерия клеткаларында ішкі цитоплазмалық мембрана (тилакоидтар) жүйесі дамығандыктан фотосинтез процесі жүреді, фотопигменттер тән.


Firmicutes бөліміне жуан грам теріс кокктар мен таякшалар, сонымен қатар актиномицеттер, оған үқсас коринебактериялар мен микобактериялар жатады.

Клетка қабырғаның тығыздығы гликозидтік байланыспен байланысқан N-ацетилглюкозамин және N-ацетилмурам қышкыл қалдықтарынан парралель орналасқан гликан молекулаларынан тұратын пептидогликанға негізделген. Гликанды молекулалар көлденең пептидті байланыспен байланысқан. Осыдан полимердің атыя -пептидогликан деп атайды. Грам оң бактериялардың клетка қабыр-ғасында пептидогликан қүрғақ салмағының - 40-90%-ын алады, ал грам теріс бактерияларда - 5-10%.

Өндірістік биотехнологияда биологиялық нысан ретінде келесі бактерия топтары қолданады:

- Streptomyces, Leuconostoc, Pediococcus туыстықтары грам оң кокктар, хемоорганотрофтар, факультативті анаэробтар, көмірсуларды ашыту барысында сүт қышқылы, сірке қышқылы, қүмырска қышқылы, этанол және комірқышқыл газы түзеді. Топырақта, өсімдік бетінде, сүтте және сүт өнімдерінде кеңінен кездеседі.

- Bacillus туыстығы, грам он, спора түзуші бактериялар, таяқша пішінді аэробтар. Бүрында таяқша пішіндес бактериялардың барлығын бациллалар (bacillus - кішкентай таяқша) деп атайды. 1875 жылдан соң неміс ботанигі Ф. Кон шөп таяқшасы спора түзе-тінін ашты, сол жылдан бастап спора түзе алатын таяқша пішінді бактерияларды - бациллалар, ал спора түзбейтіндері - бактериялар атай бастады. Бациллалар топырақта, суда, жануар мен адам ішегінде және өсімдіктердс кездеседі. Сонымен қатар, адамдарда, жануарларда, жәндіктерде және өсімдіктерде ауру тудыратын түрлері анықталған.

- Lactobacillus туыстығы, грам оң таяқша пішінді бактерия, анаэробты және факультативті анаэробтылар, гомо- және гетеро-ферментативті (4-сурет);

- Corynebacterium туыстығы, грам оң, түйреуіш пішіндес (шок-пар тәрізді) (согупе - шоқпар) таяқшалар, аэробЧы және факуль¬тативе анаэробты, хемоорганотрофтылар, қышқылға төзімді;

- Arthrobacter туыстығы, грам оң аэробты, хемоорганотрофты¬лар, сапрофитті, гумустық органикалық заттарды ыдыратады;


- Propionibacterium туыстығы, бүтақталған немесе дұрыс пішінді таяқшалар, түйреуіш пішіндес немесе жіп тәріздес, грам оң, факультативе және облигатты анаэробтар, хемоорганотрофтылар. Көмірсуды ашытқанда пропион және сірке қышқылын, көмірқышқыл газын түзеді. Сүт өнімдерінде, қатты сырларда, теріде, асқазан-ішек жолдарында кездеседі.

Mendosicutes бөліміне бес архебактерия тобы жатады:

- метан түзуші бактериялар, Melhanomonas, Methanophilus

және т.б.;

- аэробты күкірт тотыктырушы, Sulfolobus;

- анаэробты, күкіртті күкіртсутекке тотыксыздандырады, Тһегmophilus, Desulfococcus;

- галобактериялар, 20-25%-дык еріген тұзға төзімді, Наіососcus, Halobacterium;

- термоацидофильді, хемоорганотрофтылар, рН 1-2 және 60°С

температурада көбейе алатын аэробты бактериялар, Thermoplasma.

Актиномицеттер

Актиномицеттер Берджи анықтамасы бойынша Firmicutes бөліміне жатады, клетка қабыргасы қалың, грам оңды бүтақталып тармақталған бактериялар (actis - нүр, myces - саңырауқүлақ,

өңез).

Актиномицеттер - прокариоттар, клетка қабырғасы құрамында пептидогликан бар, бірақ олар көп клеткалы, күрделі даму циклді, спора, спора тасушыларды түзеді. Актиномицеттердің көптеген туыстығы мен түрлері аэробтар, сонымен қатар анаэробты, факуль-тативті анаэробтылары да кездеседі, қоректік субстратқа талғам-паз емес, тығыз қоректік ортада өскен кезде субстратты және ауалы мицелий түзеді, вегетативті жолмен көбейеді.

Streptomyces туыстығында шамамен 500-дей түрі бар, субстратты және ауалы мицелий түзеді. Бұл туыстыққа жататын актиномицеттерде мицелий фрагментациялау жолымен таяқша және сфера тәріздес клеткаларға бөлінеді. Ауалы гифтердің үшында көбеюге арналған конидиеспоралар бар. Актиномицеттер споралары әдетте термостабильді емес.

Micromonospora туыстығына жататын актиномицеттерде ауалы мицелий болмайды, субстратты мицелийде бірен-саран споралар түзеді, оларды стрептомицеттер секілді антибиотиктер өндірісінде қолданады.


Frankia туыстығы - бұршақты емес қосжарнақты өсімдіктерде түйнек түзетін актиномицеттер (бүрген, қандыағаш, жиде және т.б.). Түйнек клеткалары гиф массамен толып тұрғанда, сфера немесе түйреуіш тәріздес ісініп түрады. Өсімдіктермен селбесіп өседі және түйнегінде атмосферадағы азотты сіңіре алады. Микро-аэрофильдер.

Актиномицеттермен жалпы филогенетикалық бұтақтасатын нокардия гәрізді актиномицеттер - таяқша тәрізді және дүрыс емес пішінді бактериялар. Кейбір туыстықтың өкілдері бұтақталады — Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia және т.б. Нокар¬дия тәрізді актиномицеттердің клетка қабырғасы арабиноздар және галактоздардан, сонымен қатар миколды және көп мөлшерде май қышқылдарынан тұрады.

Жалпы алғанда актиномицеттер геосмин атты затты түзетіндік-тен топырақты түзу үрдістеріне қатысады. Геосмин топыраққа белгілі бір өзіне тиесілі иіс береді. Актиномицеттер - актиномикоз, нокардия - нокардиоз, микобактерия - туберкулез, коринебак-терия - дифтерия деген ауруларды тудырады.

Ашытқы клеткалары

Ашытқы клеткалары - бүл бір клеткалы саңырауқүлақтар, 3 класқа бөлінеді: Ascomycetes, Basidiomycetes, Deiteromycetes.

- Аскомицеттер мицелий түзбейтін, клетка пішіні сопақша келген, диаметрі 3-15 мкм-ге жететін ашытқылар. Аскомицеттер бинарлы бөлінеді немесе аскоспорлар түзу арқылы жынысты жол-мен (споралар арнайы клетка ішінде - дорбада немесе аскыда) бүршіктеніп көбейеді.

Бүршіктеніп көбейгенде дамыған клетканың бетінде бір немесе бірнеше бүршік пайда болады және оларға цитоплазма мен ядро-ның бір бөлігі кіреді. Аналық және жас клетка арасы созылып тартылуы (жұқарған орны) азайып, белгілі бір уақыт келгенде жас клетка бөлініп түсіп қалады. Аналық клетканың бетінде перифериясы дөңгеленіп көтеріліп түрған тыртық қалады. Бүршіктеніп кобею жолы Saccharomyces туыстығына тән (5-сурет).

Бөліну арқылы көбейгенде клетка ортасында екі қабырғалы қалқа пайда болып, кейіннен екіге ыдырап болінеді (Schizosac-charomyces туыстығы).


Жынысты жолымен кобеюуінде - екі ашытқы клеткалары бірігіп (копуляция), арасындағы кабаты еріп кетеді. Ұрықтанған ядро 2 немесе 3 рет бөлінеді және 4 немесе 8 аскоспора пайда болады. Аскоспора қабығы қалың болғандықтан, ортаның қолайсыз факторларына төзімді. Біраз өсіп болған соң споралар жыныссыз кобейе бастайды.

Биотехнологияның гендік-инженерия саласында тәжірибелік жұмыстарға наубайханалық ашытқыларын кеп қолданады -Saccharomyces cerevisiae. Ашыткының глюкозаны этанол мен -көмір қышқыл газына айналдыру касиетін пайдаланнп, бұрыннан шарап өндірісінде, наубайханалық өнеркәсібінде қолданады. S.cerevisiae ашытқысының биохимиясы, физиологиясы зерттелген, барлық хромосома жинағындағы толық нуклеотидтік реті анықталған, зертханалық және өндірістік жағдайларда өсіру жеңіл, қоректік субстратты қажет етпейтін, күшті промоторлары бар, трансляциядан кейінгі модификациясы бар ашытқы сонымен қатар, GRAS - "generally recognized as safe" тізіміне енген, яғни қауіпсіз деп танылған организмдер. Saccharomyces lipolytica ақуызға бай биомассаны алуға қолданады.

Аскомицеттердің кейбір өкілдері - қара күйе (Claviceps purpurea) астық түқымдас өсімдіктерді зақымдайды, ал Nadsonia тагам өнімдерін бүзады.

- Базидиомицеттер ашытқылар, базидиалы типті жынысты қүрылым түзеді (базидиоспоралар). Ол қызыл түсті ашытқылар Rhodosporidium туыстығы және қызғылт түсті - Sporobolomyces туыстығы. Базидиомицеттер арасынан өндірістік штамдар жоқ.

- Дейтеромицеттер ашытқы тәрізді саңырауқүлақтар, бүршіктеніп көбейеді, ұштарында хламидоспоралары бар псевдомицелий түзеді (жіпше созылатын өспелі құтышалардан клеткалар бүршіктенеді). Нағыз ашытқыларда (аскомицеттер) псевдомицелий және хламидоспоралары жоқ, тек аскоспора түзеді.

Candida utilis, C.arborea - биотехнологияда ақуызды биомасса алуға қолданады; Torula spp. - сүт қышқыл ашытуда; Rhodotorula тағам өнімдерін бұзады; Trichoderma cutaneus - ағынды суларды тазартуға қолданады; С.albicans - адамдарда кандидоз ауруын тудырады.


Candida туыстығына жататык ашытқылар тері өндеу зауыттарында және кағаз-целлюлозалық өнеркәсіп орындарында түзіле-тін сульфитті ағынды суларда өседі. Олардың ішінде уыттарды, фенолдарды тотықтыратын штамдары бар. Ашытқылардың ішін-де форель мен лосось фаршының жүмсағына, қызғылт немесе қызғылт сары түс беретін каротиноидтардың (А провитаминнің бастауыш заты) продуценті белгілі.

Саңырауқұлақтар

Мицелиалы немесе зең саңырауқұлақтары ашытқылармен бірге Mycota бөліміне жатады. Қалыпты жағдайда саңырауқүлақтардың қатты клетка қабырғасы бір-бірімен байланысқан глюкоза (глюкан), глюкозамин (хитозан) - N-ацетилглюкозамин (хитин) полимерлерінен түрады. Кейде клетка қабырғасы тек хитиннен құралған. Мицелийлері септаланган (қалқалары бар) және септаланбаған (көпядролы клеткалар) гифтерден түрады.

Микромицеттер - бүл мицелиялы көпклеткалы эукариоттар. Егер ашытқы клеткалардың бірнеше жүздеген түрлері болса, ал мицелиалы саңырауқүлақтарда - жүз мыңнан астам түрлері бар. Олар табиғатта кең тараған, топырақта, өсімдік және жануарлар қалдықтарында, азық-түлікте және т.б. жерлерде кездеседі. Топы-рақта әртүрлі органикалық заттарды, сонымен қатар целлюлоза мен лигнинді ыдыратады. Микромицеттердің 6 кластары арасындагы шынайы саңырауқүлақтардың ішінде адамдарга, жануарларға және өсімдіктерге патогенді түрлерін кездестіруге болады.

Саңырауқүлақтардың көбісі гетеротрофтылар, аэробты, қоректік субстратқа талғампаз емес, кейбір өкілдері төменгі температурада, тіпті тоңазытқыш камерада (0-4°С) өсе береді.

Саңырауқүлақтар спора арқылы жынысты және жыныссыз жолмен, сонымен қатар, вегетативті (бүршіктену немесе гифтер фрагментациясы арқылы) көбейеді. Төменгі сатылы саңырауқүлақтарда жыныссыз көбею спорангия ішінде жетілетін эндогендік споралар және ұрық тасымалдаушы гифтер ұшында қалыптасатын конидийлер - экзогендік споралар көмегімен іске асады. Қолайлы жағдайда репродуктивті құрылымдар пайда болады. Жасанды жағдайда өсіргенде жынысты да, вегатативті де споралар дамымайды.


Аскомицеттер - ең кең таралған класс, жынысты көбейе алатын бүтақталған септаланган мицелийлері бар саңырауқүлақтар тобын біріктіреді. Аскомицеттер әртүрлі туыстықпен белгілі, сонын ішінде Aspergillus, Penicillium және т.б. (6, 7, 8, 9-суреттер).

Aspergillus niger бүтақталған мицелийі бар, гифтері септаланган. Мицелийден үшы жуандалған бір клеткалы конидиялар қапшығы бөлініп шыгады. Конидиялар қапшығы басында желпуіш тәрізді тікенекке үқсас қысқа стеригмалар орналасқан, одан кони¬дия немесе зкзоспоралар орналасады. Конидиялары қара түстес (аспергиллдердін көбісінде олар қызғылт түсте). Aspergillus niger -лимон және кымыздық қышқылдарының продуценті. Аспергилдер арасында инфекция (аспергиллез) қоздырғыштары да бар.

Penicillium chrvsogenum - пенициллин продуцекті, өңезді саңырауқұлақ, ядросы, митохондриясы бар, клетка қабырғасы хитиннен қүралған көпклеткалы эукариот, басқа да мицелиалы саңырауқұлақтар секілді даму циклі 6-7 тәулік. Топырақта, жемде/ сүт өнімдерінде, жемісте және дымқыл бөлмелерде кездеееді.

Дейтеромицеттер классы - жетілмеген саңырауқүлақтар, жыныс-сыз көбейеді, конидий түзілісі оқшауланған немесе конидиялар қапшықтарында орналасқан топтарда жүреді; өкілдері Alternaria,

Саңырауқүлақтар - амилаза, протеаза, пектиназа ферменттерінің, органикалық қышқылдардың (лимон, сүт қышқылы), антибиотиктер өндірістерінің көзі, кейбір сыр түрлерін жасау (кемамбер, рокфор) өндірісінде қолданады.

Өсу жөие көбею

Биотехнологиялық өндірісте микроорганизмдерді сәтті қолдану биореакторда олардың өсуі мен көбеюі үшін жасалған адекватты жағдайларға, субстратпен қамтамасыз еткенге, физикалықхимиялық факторларға (рН, температура, аэрация, араластыру және т.б.) және микробты дақылдың өсу фазаларымен дүрыс басқаруына (бірінші метаболиттерді, яғни микроорганизмдердің тірі клеткалары дамуының экспоненциалды фазасында бөліп алу, ал антибиотиктер мен ферменттерді дамудың стационарлы фазасында алған өнімдірек) байланысты.


Өсу - бүл клеткалардың салмағы мен көлемінің координациялы артуы, теңгерімді өсу - клетка санына пропорционалды олардың массасы мен барлық компонеиттердің (ақуыз, РНҚ, ДНҚ) саны жоғарлауы.

Даму - ата-аналық кезден тұқым қуалаған клетканьщ қызметі мен құрылымының уақыт өте келе жетілуі.

Әртүрлі топқа жататын микроорганизмдерге жалпы биологиялық заңдылық тән - өсу барысында даму, яғни жетілу, клетка ішілік құрылымды компоненттерінің (рибосома, нуклеоид, клетка қабырғасы, клетка ішілік мембраналары және т.б.) дифференцияциялануы.

Көбею - микроорганизмдер клеткалар саныңың белгілі бір уақыт аралығында артуы. Бактериялар, актиномицеттер, ашытқылар мен саңырауқұлақтардың көбеюінде елеулі айырмашылықтар бар, осыны биотехнологиялық үрдістерде есепке алады. Мысалы, бактериялар бөлініп көбейгенде, клеткалар суспензиясы жақсы аэрацияланатын болғандықтан тереңділік ферментация жағдайында араластырылып отырылады, ал саңырауқүлақтар, керісінше, бүтақталған мицелий түзу арқылы орта бетінде жайылып өседі. Сол себепті оларға өсірудің беткейлік технологиясы тиімдірек және т.б. Продуцент дақылдың даму фазаларын оңтайлы басқару биотехнологиялық өндірістің басты жүмыстарының бірі.

Бактериялардың көбеюі бинарлы бөліну арқылы жүреді, сон-дай-ақ жас клеткалар аналық клеткаға үқсас және әрбіреуі аналық клетканьщ даму циклін қайталайды.

Ашытқылар бүршіктеніп көбейеді. Клетка қабырғасының бетінде бүршік пайда болады. Сол бүршік аналық клетканың елшеміне жеткенге дейін өсе береді, содан соң болініп кетеді. Аналық клетканьң бетінде тыртық қалып қояды. Бүршіктеніп көбейетін жеке клетканың жасын аналық клетканың тыртықтарының саны бойынша есептеуге болады.

Тек қана бөліну немесе гифтер түзілу арқылы кобейетін ашытқылардың жасын жоғардағы әдіспен есептеп алуға болмайды, себебі аналық және жас клеткалар бір бірінен айырмашылығы бар.

Saccharomyces туыстығына кіретін сыра және наубайхана онер-кәсіптерінде пайдаланатын ашытқылардың кебісі (-) аталық және (+) аналық гаплоидтардан түратын гетерозиготты диплоидтар.


Аэробты дақылда азот қор затын шектейтін болсақ Saccharomyces cerevisiae клеткалары ұзарып, созылыңқы пішінде болады, ал Candida albicans клеткаларына глюкоза және оттегі қамтамасыз етілуін шектейтін болсак кебірек псевдомицелий түзеді. Кандидаладың клерка қабырғасының химиялық қүрамw. елеулі озгеріп, жүре келе хитин 1,5-2,0 есе жоғарлайды.

Микроскопиялық саңырауқүлақтар және актиномицеттер гиф түрінде өседі, гифтері үзарып, бүтақталып және күрделі өрмелі тармақталған мицелий түзеді. Осы микроорганизмдердің барлық клеткалары өсе бермейді, тек бетіндегі шеткі клеткалар өседі. Сол себепті саңырауқүлақтар мен актиномицеттердің өсу уақытында биомасса концентрациясы бактериялар мен ашытқылар сияқты экспоненциалды өспейді, тек сызықты (бүтақталмаған гифтердің өсу жағдайында) немесе одан да күрделі механизммен (бұтақталған гифтердің өсу жағдайында) өседі.

Мицелиалы микроорганизмдер өсу үрдістерінде тығыз қабыршақ (орта бетінде өскен жағдайда) немесе глобула түзеді (тереңдікте өскенде), сол себепті мицелий клеткаларына қор заттарының тасымалдануы және олардан метаболиттердің шығуы баяулайды.

Қоректік орта бетінде колония түрінде өскен саңырауқұлақтардың перифериялық аймағында мицелий жіпшелері жастау, орталық аймақтарындағы мицелий жіпшелері - кәрілеу болған-дықтан, онда өсуі шектелген. Физикалық-химиялық жағдайларға байланысты мицелийлер үзын және колемді, қысқа және күшті тармақталған болуы мүмкін.

Актиномицеттерде биомасса өсуі көбеюсіз іске асады - бір спо-радан көп ядролы, септаланбаған, жеке клеткаларға бөлінбеген мицелий өседі. Керісінше, сол актиномицеттердің спораға дейін мицелийлерінің фрагментациялануы клетканьщ өсуінсіз көбеюінде байқалады.

Биопродуцентті микроорганизмдер көп жағдайда биотехнологиялық үрдіс жағдайына, ферментациялық ортаға бейімделеді. Мысалы, Е.соіі қоректік орта қүрамында көміртегі козі ретінде глюкоза, глицерин, сірке қышқылы, этанол; азот көзі ретінде әртүрлі аминқышқылдар, аммиак, пурин және пиримидиндер және т.б. заттардың біреуі ғана болған жағдайда өсіп, дами алады. Егер осіретін қоректік ортада осындай заттардың қоспасы болса, онда эшерихиялар бірінші сініруге қолайлы затты қолданады, мысалы, бірінші аммиак емес аминқышкылды қолданады. Себебі аминқышқылдар зат алмасу үрдістеріне тура қатысатындықтан бірінші қолданылады. Аммиактан аминқышқыл түзілу реакциясын катализдейтін ферменттер синтезі репрессияланады. Осындай "механизмді қетртегі көзі бойынша да бақылайды. Мысалы, ортада глюкозаның болуы сәйкес ферменттердің репрессиясы жолымен басқа көмірсулардың ашытуын тежейді - арабиноза, галактоза, лактоза немесе мальтозаның; катаболизм үрдісіне тек глюкозаны пайдаланады.


Аминқышқылдар немесе глюкоза қоры жетіспеген жағдайда микроорганизм клеткаларында аммиак, арабиноза және т.б. заттарды утилизациясын катализдейтін ферменттер активтілігі инду-цияланады. Бүл диауксия феномені, яғни басты субстрат жетім-сіздігі байқалғанда микроорганизмдер тиімділігі темен басқа субс-тратты катаболизмге үшыратады.

Биотехнологиялық өндірісте микробтық биомассаны көбейту үшін қүндылығЪі күрделі қоректік орта, оның қүрамына тиімді көміртегі, азот көздері бай және т.б. заттар ендіреді. Кейін микробтық биомассаны кедей қоректік ортасы бар баска биореак-торға ауыстырады. Осындай жағдайларда микробтық клеткалар экспоненциалды даму фазадан стационарлық фазаға көшіп, анти-биотиктер, ферменттер және т.б. метаболиттерді синтездей бас-тайды.

Бактерияның даму фазалары қоректік орталарын ауыстырмаған жағдайда, яғни оқтын-оқтын осіру кезінде жақсы зерттелген.

- Лаг-фаза. Қоректік субстратқа себілген дақылдарды енгізгеннен кейін, микроорганизмдер жаңа жағдайларға жылдам бейімделе бастайды. Субстрат қүрамьша байланысты метаболизм жолдары белсенді жүреді, субстрат компоненттерін ыдыратуды катализдейтін индуцибельді ферменттер активті түрде синтезделеді, клетка ішілік ақуыздар түзілуі қарқынды өтеді.

Лаг фазаның ұзақтығы - биореакторға субстратпен қоса себілген дақылды енгізгеннен бастап микроорганизмдердің қарқынды көбеюіне дейінгі, биомасса өскенше созылады. Осы уақытты қысқартып, технологиялық циклдарды қысқарту үшін себілетін дақылды экспоненциалдық өсу фазасында қолдану қажет, ал дақылды еккен қоректік орта қүрамы ферментациялық үрдістегі аппараттағы қоректік ортаға жақын болуы қажет. Осы фазада биомассаның максимальды өсуі мақсатты метабо-литтің максимальды өнімділік деңгейіне тең емес, яғни кейбір жағдайларда масса көп болғанымен қажетті өнім аз болып келеді. Мұндай жағдайларда фазалық осудің және мақсатты бүтін метаболиттің өнімділігін қажетті сәйкестігіне қол жеткенше дейін арнайы технологиялық зерттеулер жүргізеді. Мицелийдің жоғары клеткалары ұшы бастап өсетін саңырауқүлактар мен актиномицеттердің экспоненциалық фазасы болмайды, себебі биомассаның концентрациясы жоғарлаған сайын өсу өзіндік жылдамдығы томендейді.


- Стационарлы фаза. Клеткалардың автолизі, яғни бір уақытта көбеюмен қатар өліп отырғандықтан тіршілікке қабілетті клеткалар саны тұрақты. Осы фазада клетка ішілік қор заттарымен активті қоректеніп, рибосома саны төмендейді, екінші метаболиттердің синтезі қарқынды жүреді.

- өлу фазасы. Автолиз, клеткалардың өлуі күрт өседі, биосинтез үрдістері тоқтайды.

Сонымен, лаг-фазаның соңына қарай клеткаларда РНҚ тез көбейгендіктен клеткалар бөліне бастайды да, экспоненциалдық өсу фазасы өтеді. Осу жылдамдығы жоғарлаған сайын ақуыз синтезі жоғарлайды, клеткаларда РНҚ мен рибосома көбейеді. Стационарлық фазада клеткаларда РНҚ концентрациясы азаяды (ал ДНҚ концентрациясы өзгермейді).

Бактериялардың өсу жылдамдығы өзгеруінің жалпы себептері - субстрат концентрациясының төмендеуіне, уытты метаболиттердің жиналуына, қоректік ортаның қүрамындағы заттарды, газдарды тасымалдауды қиындататын бактерия популяциясының тығыздығы жоғары болуына байланысты. Айта кету керек, клетка ішілік маңызды үрдістерге: ДНҚ репликациясы, РНҚ транскрипциясы, ақуыз биосинтезі, экспоненциалды фазада микроорганизмдер клеткаларының максималды жиналуына байланысты ферменттердің активтілігі, стационарлы фазаның үзақтылығы және олардың өлу кезеңінің басталуы жатады.

Ферментациялық үрдістердің динамикасын есептеу үшін, өсудің меншікті жылдамдығын, экономикалық және метаболиттік коэффициенттерді және т.б көрсеткіштерді анықтау қажет.

Өсудің меншікті жылдамдығы генерация уақытына, қоректік орта құрамына, рН, температура көрсеткішіне, осмолярлыққа, бастапқы метаболиттердің болуына, микроорганизмдердің ферментативтік белсенділігіне байланысты. Логарифмдік теңдікке келтірудің нәтижесінде өсудің меншікті жылдамдығының генерация уақыты ұзақтығымен байланысын көруге болады.

- Экономикалык коэффициенті (ү) бойынша қолданылған

субстраттың рентабельдігін анықтауға болады. Экономиқалық

коэффициенттің теңдігі пайда болған биомассаның пайдаланылған

субстрат санының қатынасымен есептелінеді.


следующая страница >>