Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989
Введение в микробиологию
Важнейшие типы клеток
Плесени
Плесени — это высшие грибы, обладающие вегетативной структурой, называемой мицелием. Как показано на рис. 1.8, мицелий представляет собой сильно разветвленную систему трубок. Внутри этих трубок находится подвижная цитоплазма, содержащая множество ядер. Мицелий может состоять из нескольких типов родственных клеток. Длинные, тонкие нити клеток мицелия называют гифами. В некоторых случаях мицелий может быть очень плотным. Учитывая необходимость подачи кислорода для нормальной жизнедеятельности плесеней, это обстоятельство может вызвать большие затруднения в их культивировании, поскольку мицелий может оказывать существенное сопротивление массопередаче. Эта проблема, как и необычные гидродинамические свойства суспензий мицелия, будут подробнее рассмотрены в гл. 4 и 8.
Как и дрожжи, плесени не содержат хлорофилла и обычно не способны передвигаться. Как правило, плесени размножаются спорами половым или бесполым путем. Свойства спор играют большую роль в классификации грибов.
С промышленной точки зрения наиболее важны плесени Aspergillus и Penlcllllum (рис. 1.9). К числу основных продуктов метаболизма этих микроорганизмов относятся антибиотики (продукты жизнедеятельности, убивающие некоторые микроорганизмы или подавляющие их рост), органические кислоты и биологические катализаторы.
Один из штаммов Aspergillus niger в нормальных условиях продуцирует щавелевую кислоту (НО2ССО2Н), но если питательная среда обеднена фосфатами и ионами некоторых металлов, например меди, железа и магния, то преимущественно образуется лимонная кислота НООССН2С(ОН) (СООН)СН2СООН. Эта особенность лежит в основе промышленного биохимического способа производства лимонной кислоты. Таким образом, плесень A. niger может служить интересным примером различия в подходах к разработке и оптимизации биохимических и небиологических процессов. В биологических системах путем сравнительно небольшого изменения состава питательной среды иногда может быть достигнута значительно большая селективность.
РИС. 1.8. Структура мицелия плесеней. Условия в центре плотного мицелия и в его периферийных участках могут существенно различаться.
Этот пример, как и приведенный ниже пример пенициллина, показывает, насколько для специалиста в области биохимической технологии важно знать строение клеток, их метаболизм и функции; другие многочисленные подтверждения этого положения мы найдем в последующем изложении. Без учета основных свойств клеток и происходящих в них процессов все умение инженера-технолога, проявляемое при разработке, проектировании и анализе различных промышленных биохимических процессов, может оказаться совершенно бесполезным, поскольку при этом не будут приниматься во внимание ключевые биологические свойства изучаемой системы.
Второе фундаментальное различие между микробиологическими и небиологическими процессами можно проиллюстрировать на примере производства пенициллина. Основные успехи в производстве пенициллина были достигнуты благодаря получению высокопродуктивных мутантов исходного штамма Penicillium путем ультрафиолетового облучения его спор (рис. 1.10). Мутации могут вызываться различными агентами и часто приводят к увеличению выхода нужного продукта метаболизма на несколько порядков. Рассматриваемая в гл. 6 технология рекомбинантных ДНК позволяет получать генетически видоизмененные варианты некоторых организмов иным, целенаправленным и строго контролируемым путем. Таким образом стало возможным, в частности, наладить производство некоторых продуктов жизнедеятельности животных организмов (белков) с помощью простых бактерий. Эти примеры говорят о той большой роли, которую играет в биохимической технологии генетика. В настоящее время генетике уделяется большое внимание как в высших учебных заведениях и научных учреждениях, так и в промышленных исследовательских центрах биологического направления. Практическая важность разработки генетически модифицированных организмов (или, в других случаях, сохранения исходной генетической природы организма) свидетельствует о необходимости тесного сотрудничества инженеров, биологов и биохимиков в ходе планирования и критической оценки промышленных биохимических процессов. История развития производства пенициллина является примером разработки новых методов, включая культивирование в чрезвычайно толстом слое, экстракцию больших количеств лабильных соединений растворителями, стерилизацию больших объемов воздуха при высоких скоростях потока и выделение мутантных микроорганизмов, продуцирующих большие количества пенициллина.
РИС. 1.9. Гифы Aspergillus и Penicillium двух промышленно важных плесеней.
РИС. 1.10. Повышение выхода пенициллина за 30-летний период исследований, Разработка методов получения особых мутантных штаммов плесени привела к экспоненциальному росту выхода за прошедшие 25 лет. Аналогичная тенденция характерна и для производства антибиотика стрептомицина. [Воспроизведено с разрешения из работы: Detnain A. L., Overproduction of Microbial Metabolites due to Alteration of Regulation, in Advances in Biochemical Engineering 1, Ghose T. K., Fiechter A. (eds.), p. 129, Springer-Verlag, New York, 1971.]
Прежде чем закончить этот раздел, посвященный бактериям и грибам, следует кратко упомянуть об актиномицетах — группе микроорганизмов, которые обладают свойствами как грибов, так и бактерий. Эти микроорганизмы широко применяются в производстве очень важных антибиотиков. Хотя формально актиномицеты относят к бактериям, по способности образовывать длинные, чрезвычайно разветвленные гифы они напоминают грибы. Процессы производства антибиотиков с использованием актиномицетов и плесеней также имеют много общего. Актиномицеты сближает с бактериями их восприимчивость к заражению одними и теми же вирусами и к вирусным заболеваниям. Вирусы мы вкратце рассмотрим ниже, в гл. 6.