Какими свойствами должны обладать промышленные штаммы

Общая характеристика микроорганизмов, используемых в микробиологической промышленности.

Микроорганизмы-продуценты

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные антитела, используемые в качестве диагностических и лечебных препаратов.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился. Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов.

Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, – классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.

Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.

Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.

Некоторые грибы родов Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) способны гидролизовать сердечные глюкозиды, ксилозиды и рамнозиды, а также гликозиды, содержащие в качестве конечного сахара глюкозу, галактозу или арабинозу. С помощью A.terreus получают никотиновую кислоту.

В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен.

Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлазу, способствующий разложению клетчатки (целлюлозы).

Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.

Классификация и особенности использования промышленных продуцентов

Продукты. Ассортимент продуктов, получаемых в биотехнологических процессах, чрезвычайно широк. По разнообразию и объемам производства на первом месте стоят продукты, получаемые в процессах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов. Эти продукты подразделяются на три основные группы: 1-я группа – биомасса, которая является целевым продуктом (белок одноклеточных) или используется в качестве биологического агента (биометаногенез, бактериальное выщелачивание металлов); 2-я группа – первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения, необходимые для роста микроорганизмов в качестве строительных блоков макромолекул, коферментов (аминокислоты, витамины, органические кислоты); 3-я группа – вторичные метаболиты (идиолиты) – это соединения, не требующиеся для роста микроорганизмов и не связанные с их ростом (анти- биотики, алкалоиды, гормоны роста и токсины). Среди продуктов микробиологического синтеза – огромное количество различных биологически активных соединений, в том числе белковых и ле- карственных веществ, ферментов, а также энергоносители (биогаз, спирты) и минеральные ресурсы (металлы), средства для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (биоинсектициды) и биоудобрения (слайд). В связи с развитием новейших методов биотехнологии (инженерной энзимологии, клеточной и генной инженерии) спектр целевых продуктов непрерывно дополняется. Среди них все большее место занимают средства диагностики и лечения (гибридомы, моноклональные антитела, вакцины и сыворотки, гормоны, модифицированные антибиотики).

Способы получения промышленных штаммов.

Методы современной селекции продуцентов основываются на генетическом конструировании in vivo и in vitro. Генетическое конструирование in vivo: позволяет получить и выделить мутанты, используя различные способы обмена генетической информацией между живыми микробными клетками.
Генетическое конструирование in vitro: основано на введении индивидуальных фрагментов ДНК в живую клетку с получением рекомбинантных генетических структур с заданными свойствами Стратегия селекционной работы с микроорганизмами заключается в поиске природных форм, которые обладают какими-либо полезными для человека свойствами (синтез ценных соединений, высокая скорость роста, способность к усвоению дешевых и доступных субстратов и т. д.), а так же дальнейшем их улучшении, создании на их основе промышленных штаммов. Эта задача решается обычно путем изменения регуляции метаболической активности клетки. Современные тенденции развития селекции продуцентов – конструирование промышленных штаммов с заданными свойствами с использованием новейших достижений фундаментальных отраслей биологии в сочетании с приемами классической селекции.

Накопление желаемых микроорганизмов происходит за счет создания элективных условий культивирования, благоприятных для данной группы. Для этого нужно учитывать физиолого-биохимические особенности выделяемой культуры. Избирательного подавления роста определенных групп микроорганизмов можно достичь внесением в среду антибиотиков.

Например, для получения накопительной культуры азотфиксирующих микроорганизмов следует приготовить среду без связанных форм азота. Для замедления развития грамположительных бактерий можно добавить пенициллин. Получение накопительных культур представляет собой основной этап процесса, который позволяет получить чистые культуры. Оно также дает возможность оценить различные воздействия факторов окружающей среды на смешанную микробную популяцию, благодаря которым может происходить отбор микроорганизмов, способных взаимодействовать со специфическими субстратами или хорошо расти в необычных условиях.

Выделение чистой культуры данного микроорганизма будет успешным, если он присутствует в смешанной популяции в достаточно высокой концентрации. Как правило, накопительные культуры получают в закрытых системах, т. е. микроорганизмы выращивают в обычных периодических (стационарных) условиях на чашках Петри, в колбах или пробирках, где в среде культивирования концентрация питательных веществ и продуктов метаболизма постоянно изменяется в процессе роста клеток. Для получения накопительных культур используются также открытые хемостатные системы, позволяющие контролировать концентрацию питательных веществ, лимитирующих рост клеток, что, в свою очередь, может избирательно влиять на скорость роста различных организмов в смешанной культуре, в результате чего какой-то микроорганизм начинает количественно преобладать. Для выделения микроорганизмов в виде чистых культур известно сравнительно мало методов. Чаще всего используют способ изолирования отдельных клеток на твердой питательной среде, применяя при этом метод посева штрихом или разлива по чашкам небольшого количества жидкой культуры (метод предельных разведений).

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Источник

Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В этой теме рассматриваются требования, предъявляемые к промышленным штаммам, методы создания организмов с нужными (целевыми) свойствами, а также способы консервации полученных продуцентов.

Глоссарий

Штамм – микроорганизмы одного вида, выращенные в определенных условиях, вследствие чего обладающие определенными свойствами, которые отличаются от других чистых культур данного вида.

Микроорганизмы-продуценты – микроорганизмы, обладающие способностью под воздействием внешних факторов (состава среды, условий культивирования, температуры, pH среды и т.д.) образовывать в больших количествах преимущественно то соединение, которое является главным (целевым) продуктом данного производства.

Селекция – это направленный отбор мутантов, то есть микроорганизмов, наследственные признаки которых претерпели изменения в нужном для человека направлении.

Сверхсинтез – способность микроорганизмов синтезировать определенный продукт в количествах, превосходящих физиологические потребности.

Мутагенез – естественный или искусственный (индуцированный) – процесс, приводящий к возникновению мутаций в организме. Использунется для создания мутантных организмов для нужд биотехнологии.

Генная (генетическая) инженерия – совокупность методов и технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, по выделению генов из опганизма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы.

Понятие о микроорганизмах-продуцентах. Требования, предъявляемые к промышленным штаммам. Выбор исходного штамма

В биотехнологии обычно используются чистые культуры микроорганизмов-продуцентов, так как это позволяет получить продукт с заранее известными свойствами.

К микроорганизмам-продуцентам предъявляется ряд обязательных требований. Микроорганизмы должны:

– расти на дешевых и доступных питательных средах;
– максимально усваивать питательные вещества среды;
– обладать высокой скоростью роста биомассы и давать высокий выход целевого продукта;
– проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта; образование побочных продуктов должно быть незначительным;
– быть генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности, требований к питательному субстрату и условиям культивирования;
– быть устойчивыми к фагам и другой посторонней микрофлоре;
– быть безвредными для людей (не обладать патогенными свойствами) и для окружающей среды;
– образуемый продукт должен иметь экономическую ценность и легко выделяться.

Выгодным объектом для биотехнологии являются термофильные, ацидофильные (или алкалофильные) штаммы, поскольку с ними легче поддерживать стерильность в производстве. Интерес представляют анаэробные микроорганизмы, так как для культивирования аэробов требуется аэрирование.

Подбор продуцентов можно осуществить:

• путем изолирования микробов из природных источников, для этого отбираются пробы из мест, где обитание того или иного продуцента наиболее вероятно. Например, углеводородокисляющие микроорганизмы из почвы возле бензоколонок, винные дрожжи из винограда, анаэробные целлюлозоразлагающие и метанобразующие микроорганизмы из рубца жвачных животных. Образцы проб вносят в жидкие питательные среды специального состава, получая накопительные культуры микроорганизмов. Затем выделяют чистые культуры, используя плотные питательные среды, на которые засевают образцы проб из накопительных культур;
• из имеющихся коллекций микроорганизмов, при этом руководствуются физиологическими и биохимическими свойствами различных групп микроорганизмов. Например, продуцентов антибиотиков находят среди актиномицетов, внеклеточное выделение гидролитических ферментов характерно для грамположительных бактерий, основные продуценты этанола -дрожжи и т. д.

Выделение и подбор объекта – важный этап биотехноло-гичекого процесса. Однако путем простого подбора не удается получить высокоактивных продуцентов, поэтому возникает задача изменения природы организма в нужном направлении. Для этого используют методы селекции. С их помощью получены промышленные штаммы микроорганизмов, синтетическая активность которых превышает активность исходных штаммов в десятки и сотни раз.

Источник

Приложение
к положению о порядке апробации новых
биологических препаратов, применяемых
в животноводстве и ветеринарии,
утвержденному 19 июля 1978 г.

Требования к производственным и контрольным штаммам микроорганизмов

1. Основные определения

1.1. Штамм – культура определенного вида микроорганизма с характерными для него генетически закрепленными свойствами.

1.2. В зависимости от степени патогенности производственные штаммы подразделяют на вирулентные (“полевые” или эпизоотические) и аттенуированные (вакцинные).

2. Производственные штаммы

2.1. Все производственные и контрольные штаммы должны быть классифицированы, клонированы и представлять собой однородную популяцию микроорганизмов, происходящих из одной клетки или вируссодержащей бляшки. Допускается наличие не более 5% диссоциированных форм при условии отсутствия отрицательного влияния их на генетические свойства штамма.

2.2. Производственные штаммы, предназначенные для изготовления инактивированных (“убитых”) вакцин, анатоксинов или диагностикумов, – культуры типичных представителей определенных родов и видов микроорганизмов – должны сохранять высокий уровень вирулентности. Этот уровень устанавливается на соответствующем (определенном) виде восприимчивых сельскохозяйственных и лабораторных животных, птице, развивающихся эмбрионах птиц или культурах клеток и выражается количеством соответственно , , , , . По антигенным и другим свойствам производственные штаммы должны соответствовать (быть идентичными) большинству циркулирующих эпизоотических штаммов.

2.3. Вакцинный штамм – аттенуированная культура, стабильно сохраняющая высокий уровень иммуногенности при значительном снижении вирулентности с обязательным наличием характерных генетических признаков (маркеров), отличающих ее от “полевых” штаммов данного вида микроорганизмов.

2.4. Вакцинные штаммы не должны обладать выраженной контагиозностью. Допускается “остаточная” контагиозность и вирулентность штаммов при условии, что не вызывает их реверсии, они сохраняют на допустимом уровне вирулентность и это свойство является наследственно закрепленным.

Стабильность свойств (стойкость аттенуации) вакцинных штаммов проверяют многократными (не менее пяти) последовательными пассажами штаммов через организм восприимчивых животных (естественных хозяев данного вида возбудителя и чувствительных к нему лабораторных “моделей”).

2.5. Вакцинный штамм должен обладать способностью размножаться и расселяться (приживляться) в организме восприимчивого животного, вызывая скоропроходящую генерализацию, которая сменяется наличием регионарных “находок” культуры вакцинного штамма и наступлением в большинстве случаев стерильной фазы иммунитета.

Длительность диссеминации культур разных штаммов может колебаться от нескольких суток до нескольких месяцев.

2.6. Дозы культур вакцинных штаммов выражают определенным количеством живых микроорганизмов, заключенных в единице объема.

2.7. Вирусы вакцинных штаммов должны иметь определенные титры активности (инфекционности) в той или иной конкретной биологической системе (макроорганизмах, развивающихся эмбрионах птиц, культурах клеток, тканей), а бактериофаги – на соответствующих им микроорганизмах.

2.8. Для каждого вакцинного штамма должны быть определены сроки его выделения от иммунизированных животных во внешнюю среду (с мочой, фекалиями, слюной, молоком и др.).

2.9. Живые культуры вакцинных штаммов, а также инактивированные вакцины и анатоксины должны вызывать образование длительного и напряженного иммунитета у 70-100% однократно вакцинированных животных в зависимости от их возраста и других физиологических особенностей.

2.10. Для определения иммунитета у вакцинированных животных необходимо иметь отработанные контрольные (вирулентные) штаммы микроорганизмов тех видов, против которых используют живые и инактивированные вакцины.

Контрольные штаммы должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к производственным вирулентным штаммам.

3. Паспортизация штаммов

3.1. В паспортах на производственные штаммы, предназначаемые для изготовления из них препаратов (вакцин, анатоксинов, бактериофагов и диагностикумов), а также на контрольные штаммы указывают: лимиты вирулентности, за пределами которых данные штаммы для изготовления и контроля указанных препаратов считаются непригодными; естественно восприимчивых к ним сельскохозяйственных и лабораторных животных, основные пути и методы их заражения, продолжительность инкубационного периода, а также опасность для человека; подробную характеристику серологических свойств с указанием времени образования специфических антител у вакцинированных животных и титров антител соответственно в РСК, РДСК, РП, РДП в агаровом геле, РА, РЗГА, РН, , РНГА и других реакциях.

4. Хранение штаммов

4.1. Производственные и контрольные штаммы, как правило, хранят в лиофилизированном состоянии при минусовых температурах.

В процессе высушивания активность вирусов не должна снижаться более чем на 1,5 логарифма, а отмирание микробных клеток – превышать 50%.

4.2. Производственные штаммы хранят в строгом соответствии с инструкцией и другими указаниями, изданными Министерством сельского хозяйства СССР, по вопросу порядка хранения, обращения, отпуска, а также вывоза и ввоза в СССР из зарубежных стран культур микроорганизмов, токсинов и ядов животного и растительного происхождения, во Всесоюзном государственном научно-контрольном институте ветеринарных препаратов или в другом учреждении (с разрешения Главного управления ветеринарии) в виде эталонных образцов, используемых для производства и контроля соответствующих вакцин, анатоксинов и диагностикумов.

Дубликаты эталонных штаммов хранят в лиофильно-высушенном состоянии в ампулах в архивах отделов биологического контроля ВГНКИ ветеринарных препаратов, на биологических предприятиях, изготавливающих из них соответствующие вакцины, анатоксины и диагностикумы, с подробными на них паспортами.

Источник