Теоретические основы биотехнологии как научной дисциплины

1
Лекция № 1. ТОБ
Теоретические основы биотехнологии как научной
дисциплины
Литература:
1.
2.
3.
4.
Манаков М.Н., Победимский Д.Г. Теоретические основы технологии микробных производств. – М.: Агропромиздат, 1990.
Кантере В.М. Теоретические основы технологии микробиологических производств. – М.
Безбородов А.М. Биохимические основы микробиологического
синтеза. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.
Воробьева Л.И. Промышленная микробиология. – М.: МГУ, 1990.
План лекции
1. Предмет и объекты, цели и задачи дисциплины.
2. Основные термины и определения курса.
3. Кривая роста микроорганизмов в периодических условиях применительно к биотехнологии.
4. Классификация биосинтетических процессов.
В.1. Предмет и объекты, цели и задачи дисциплины.
Биотехнология – совокупность промышленных методов, основанных на
использовании мко, клеток и тканей растений или животных, а также изолированных из клеток биологических структур, и направленных на получение
полезных для человека продуктов.
Характерными чертами современного этапа развития биотехнологии являются:
 реализация в лабораторных и промышленных масштабах методов генетической и клеточной инженерии с целью придания биообъектам (в первую
очередь, мко) заданных свойств;
 преимущественное использование в биотехнологических процессах в
качестве действующего биообъекта культур мко или ферментов микробного
происхождения.
2
Исходя из этого, биотехнология как научная дисциплина и отрасль промышленной деятельности основывается на функциональных достижениях
биохимии, молекулярной биологии, микробиологии и химической технологии.
Предметом дисциплины «Теоретические основы биотехнологии», является изучение биохимических закономерностей метаболизма микроорганизмов; кинетики биохимических и микробиологических процессов; принципов реализации процессов культивирования мко в различных условиях.
Объектами дисциплины являются мко, способы и количественные показатели их культивирования: метаболиты, образующиеся в результате жизнедеятельности мко, методы их получения.
Цели и задачи дисциплины:
 изучение кинетики роста микроорганизмов, принципов моделирования ростовых процессов;
 анализ факторов, влияющих на скорость роста мко, способов культивирования с целью оптимизации биотехнологических процессов;
 изучение основных метаболических процессов, протекающих в
микробной клетке, принципов их регуляции;
 рассмотрение биохимических особенностей метаболизма клеток
мко при росте на различных субстратах и биосинтеза целевых продуктов (метаболитов);
 исследование химического состава микробной клетки и механизмов транспорта питательных веществ с целью интенсификации
процессов роста и накопления биомассы.
В.2. Основные термины и определения курса.
Процессы культивирования мко в биотехнологических производствах
направлены на получение целевых продуктов, в качестве которых могут
3
выступать как клетки микроорганизмов, так и продукты их жизнедеятельности. В то же время термин «культивирование» неразрывно связан с ростом и
размножением клеток мко.
Рост – необратимое увеличение живой клеточной массы, приводящее к
увеличению числа клеток мко в результате размножения. Важнейшей количественной характеристикой этого процесса является удельная скорость роста (µ), выражающая увеличение биомассы клеток в единицу времени.
Таким образом, ростовые процессы приводят к накоплению биомассы,
которая в ряде случаев является целевым продуктом.
Концентрация биомассы (Х) – масса абсолютно сухого вещества клеток мко (АСБ), приведенная к единице объема питательной среды (культуральной жидкости).
Эффективность биотехнологического процесса (Y) в данном случае
оценивается выходом продукта по субстрату («экономический коэффициент»): Y = ΔХ/ΔS.
В ряде случаев целевыми продуктами выступают продукты жизнедеятельности мко, которые разделяют на первичные и вторичные метаболиты.
Первичные метаболиты – низкомолекулярные соединения, являющиеся промежуточными продуктами конструктивного метаболизма клетки, т.е.
служащие для биосинтеза различных ее структур (аминокислоты, нуклеотиды, органические кислоты, витамины, промежуточные продукты гликолиза и
ЦТК).
Вторичные метаболиты – вещества, образующиеся на поздних фазах
развития мко и не участвующие в конструктивном метаболизме клетки. К
ним относятся антибиотики, микотоксины, пигменты. В ряде случаев вторичные метаболиты вообще не образуются.
4
5. В.3. Кривая роста микроорганизмов в периодических условиях применительно к биотехнологии.
В биотехнологии большое значение имеет анализ основных закономерностей роста и развития культивируемого мко. В его основу положена кривая
роста микроорганизмов в простых периодических условиях.
Рис. 1. S – образная кривая роста микроорганизмов [1, c.175]/
1 и 2 (лаг-фаза и фаза ускорения роста) – побор условий культивирования и состава питательной среды; 3 (лог-фаза) – синтез первичных метаболитов, образование биомассы; 4 и 5 (фаза торможения и стационарная) – синтез
вторичных метаболитов, «урожай биомассы»; 6 (фаза отмирания) – процессы
стерилизации внутриклеточные метаболиты.
В.4. Классификация биосинтетических процессов.
Исходя из рассмотренных выше закономерностей, реализуемых при
культивировании мко, биосинтетические процессы можно разделить на две
группы:
1.
Образование продуктов связано с ростом (продукты энергетиче-
ского метаболизма – спирты, кислоты, первичные метаболиты, продукты пе-
5
реноса генетической информации). Синтез продуктов протекает синхронно с
ростом культуры и может продолжаться по его завершении.
Образование продуктов не связано с ростом (вторичные метаболиты). Стадия их синтеза, как правило, происходит после завершения процесса
роста.
Так, биосинтез многих аминокислот происходит как во время роста
культуры, так и по его завершении. Синтез ферментов, антибиотиков, как
правило в стационарной фазе.