Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989
Введение в микробиологию
Перспективы дальнейшего изучения
Приведенные в этой главе краткие сведения о строении и классификации клеток позволяют убедиться в обоснованности и полезности клеточной теории в качестве основы биологической науки. Здесь мы также неоднократно подчеркивали важность фундаментальных основ биохимии для понимания процессов биохимической технологии. И в последующих главах мы постоянно будем уделять внимание основным положениям биологии клетки.
В гл. 2 будут рассмотрены основные типы химических соединений, которые клетка должна синтезировать для обеспечения нормальной жизнедеятельности и размножения; гл. 3 и 4 посвящены биологическим катализаторам, используемым клеткой для осуществления химических реакций. Затем в гл. 5 мы изучим последовательности реакций, необходимые для нормального функционирования клеток, а гл. 6 будет посвящена главным образом способам контроля и регулирования этих реакций и проблемам генетики. В гл. 7 мы рассмотрим вопросы кинетики роста микробных систем, а последующие главы будут посвящены проблемам анализа, проектирования, контроля и оптимизации процессов биохимической технологии.
Упражнения
1.1. Выдающиеся микробиологи. Ознакомьтесь с биографией одного из известных в прошлом микробиологов, например Роберта Гука, Антони ван Левенгука, Ладзаро Спалланцани, Луи Пастера, Уолтера Рида, Д. И. Ивановского, П. Роуза, Теодора Шванна или М. Я. Шлейдена. Подготовьте краткий обзор, указав в нем, какие технические и социальные трудности пришлось преодолеть этим ученым, какие методические достижения были (или не были) достигнуты в ходе его работ, укажите, какое место занимали методы индукции и дедукции в его исследованиях.
1.2. Экспериментальная микробиология. Микробиология располагает множеством простых и хорошо отработанных методик, которые, однако, могут оказаться незнакомыми специалистам в области общей, органической и физической химии. Поскольку любое экспериментальное изучение базируется на наблюдениях и измерениях, необходимо ознакомиться с методами практического исследования, в том числе с обеспечиваемой ими точностью. Если вы ранее не прошли курс лабораторных работ по микробиологии, то желательно сделать это одновременно с изучением данного теоретического курса или после него. При отсутствии такой возможности внимательно изучите разделы краткого руководства по лабораторным работам (например, [7]), соответствующие главам этой книги. При этом не забывайте высказывание Клода Бернара: «Постановка эксперимента без четко поставленной цели равносильна бесцельному блужданию». При изучении экспериментальных методов в лаборатории или по руководству старайтесь сформулировать цель (или цели) каждого эксперимента. Подумайте, какую дополнительную информацию можно получить в ходе каждого эксперимента.
1.3. Методы изучения. Ознакомьтесь с кратким описанием методов микроскопии в том числе с методами темного поля, фазового контраста флуоресцентной и электронной микроскопии. Сформулируйте относительные преимущества и недостатки каждого из методов.
1.4. Определения терминов. Дайте определения пречисленным ниже терминам, а при наличии нескольких терминов в одной строке постарайтесь дать сравнительную их оценку:
а) клеточная стенка, плазматическая мембрана, эндоплазматический ретикулум;
в) цитоплазма;
г) ядро, нуклеоид;
д) рибосома, митохондрия, хлоропласт;
е) морфология;
ж) спиральные, сферические и палочковые формы бактерий;
з) почкование, половое слияние, деление, спорообразование;
и) простейшие, водоросли, мицелий, амебы.
1.5. Идентификация и классификация, а) Начертите схему царства протистов (по памяти). б) Таксономическое деление микроорганизмов на виды в основном базируется на результатах визуальных наблюдений с помощью оптического микроскопа. Найдите изображения микроорганизмов Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus и Spirillum serpens в справочных пособиях [например, Краткий определитель бактерий Берги (М.: Мир, 1980) или «А Guide to the Identification of the Genera of Bacteria» Скермана]. Перечислите отличительные черты любых двух видов из этих бактерий, которые позволили бы идентифицировать их достаточно надежно. Начните с самых общих черт и постепенно переходите от семейства к более детализированным подразделениям (подсемейству, роду) и, наконец, к виду.
1.6. Поэтапное изучение проблемы. Выберите интересную микробиологическую тему (процессы брожения в пивоварении, производство антибиотиков, рост дрожжей, обработка сточных вод, микробиология почвы, вакцины, квашение, производство сыра, экология озер, микробиология морской воды и т. д.). Сначала ознакомьтесь с темой в том объеме, в каком она изложена в общих руководствах, например, в книге «Encyclopedia of Chemical Technology» Кирка и Отмера. Начертите схему технологического процесса или явлений, происходящих в природной системе, укажите важнейшие участвующие в этом процессе микроорганизмы, источники их питания, потоки сточных вод или отходящие потоки. В ходе изучения курса каждую неделю добавляйте к этой схеме одну-две страницы текста, в которых указывайте, в частности, важность (или ее отсутствие) темы пройденной главы для данного процесса. По окончании курса подготовьте краткий доклад по вашей теме и представьте его студентам вашей группы.
1.7. Промышленная микробиология. Краткое описание истории промышленной микробиологии и ряд предложений по ее развитию можно найти в статье «Industrial Microbiology» [Demain A. L., Solomon N. A., Scientific American, 245, 67—75 (1981)]. Прочтите эту статью и подготовьте краткий (объемом около одной страницы) обзор об историческом развитии промышленной микробиологии, датах основных событий, продуктах и (или) процессах этой отрасли промышленности и о видах применяющихся микроорганизмов.
1.8. Подвижность простейших. Предположим, что с помощью микроскопа вы наблюдаете движение сферических простейших и можете определить их размеры и скорость движения, выраженную в количестве длин организма, преодолеваемых им в единицу времени.
а) Вычислите числа Рейнольдса для потока жидкости вокруг организма для приведенных ниже размеров организмов и скоростей их движения при условии, что жидкостью является вода при 20 °С и что поток жидкости
практически не подвергается возмущению жгутиками, слизистыми оболочками или вращением организмов.
Размеры: 10 мкм, 50 мкм, 100 мкм.
Скорости: 10 длин организма в секунду;
1 длина организма в секунду;
0,1 длины организма в секунду.
Какие режимы потоков характерны для этих движений клеток?
б) Для замедления движения микроорганизмов и, следовательно, для облегчения наблюдений за ними в микроскопии часто применяют раствор метилцеллюлозы. Как скажется на скорости движения клеток увеличение вязкости окружающей их жидкости в 104 раз, если принять, что расходы энергии на движение организма не меняются?
1.9. Пластинчатая разводка Е. coli. При выращивании Е. coli для дальнейших экспериментов желательно иметь генетически гомогенную популяцию. Обычно для этой цели исходный бульон разбавляют до такой концентрации, при которой на агаровых пластинках образуются отдельные колонии, образовавшиеся из одной клетки. Далее популяцию выращивают на основе одной из таких колоний.
а) Предположим, что нам даны круглая агаровая пластинка радиусом 4 см, 1 мл бульона с концентрацией 1010 клеток на литр и 1 л стерильного бульона для разбавления. Насколько следует разбавить бактериальный бульон, чтобы на агаровой пластинке образовалось около 100 отдельных колоний? (Примите, что пластинку радиусом 4 см можно покрыть 5 мл раствора.)
б) Как вы смогли бы получить колонии из индивидуальных клеток, если концентрация клеток в бульоне неизвестна?
1.10. Разделение с помощью центрифугирования. Рассмотрим разбавленную суспензию частиц типа А и типа В. Первоначально однородная суспензия вращалась в центрифуге с угловой скоростью со в течение времени t. Найдите уравнение, позволяющее определить, сколько частиц типа А осталось в супернатантной суспензии после центрифугирования (по отношению к исходной относительной концентрации f0частиц А). Время t следует принять достаточно малым, чтобы в суспензии остались частицы как типа А, так и типа В.
1.11. Центрифугирование с угловым ротором. Рассмотрим схематично изображенную на рис. 1У11.1 центрифугу, в которой пробирки расположены под углом к оси вращения. Найдите время, за которое сферическая частица радиусом R и плотностью рр пройдет расстояние от r = r1 до r = r2 при угловой скорости вращения ротора со, плотности жидкости рj и ее вязкости μj, если угол вращения составляет θ от вертикали. Учтите, что стеклянная стенка пробирки прилагает к частице вертикально направленную силу.
РИС. 1У11.1.
Литература
1. Sistrom W. R., Microbial Life, 2d ed., Holt, Rinehart and Winston, Inc., N.Y., 1969. В первых трех главах этого введения в микробиологию рассмотрено большинство тем первой главы настоящего учебного пособия. В эту книгу включены также сведения о метаболизме, росте и генетике микроорганизмов, которые здесь будут рассмотрены в последующих главах.
2. Frobisher M, Fundamentals of Microbiology, 8th ed., W. B. Saunders Company, Phila., 1968. В этой книге описаны различные формы микробной жизни, а также классификация клеток, вирусы, проблемы стерилизации, иммунологии и применения микроорганизмов. Особое внимание уделено многочисленным связям между микроорганизмами и человеком.
3. Pelczar М. J., Jr., Reid R. D., Chan E. C. S., Microbiology, 4th ed., McGraw- Hill, New York, 1977. Пособие для углубленного изучения микробиологии. Детально рассмотрены грибы, водоросли, простейшие и вирусы, а также промышленная микробиология и микробиология окружающей среды, физические и химические методы регулирования размножения микроорганизмов.
4. Stanier R. Y., Doudoroff AL, Adelberg E. A., The Microbial World, 4th ed., Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs., N.J., 1975. Книга также довольно глубокого содержания, написанная очень хорошим языком. В ней рассмотрены история микробиологии, классы микроорганизмов, вопросы симбиоза, природы заболеваний, а также микробного метаболизма. Детально освещена генетика на молекулярном уровне, включая проблемы мутаций и регуляции.
5. The Living Cell, readings from Scientific American, W. H. Freeman and Company, San Francisco, 1965. Сборник статей из журнала «Scientific American», посвященных проблемам строения, энергетики, синтеза, деления и дифференциации клеток, а также ряду специальных вопросов, например коммуникации, стимулированию и сокращению мышц. Несмотря на то что некоторые статьи отчасти устарели, этот тематически разнообразный и хорошо иллюстрированный сборник все еще заслуживает большого внимания.
6. Paul J., Cell and Tissue Culture, 5th ed., Churchill Livingstone, Edinburgh, 1975. Великолепная исчерпывающая вводная монография, посвященная линиям животных клеток, методам и принципам культивирования клеток и практическому использованию результатов биологических исследований.
Литература к разделу «Упражнения»
7. Crabtree К. Т., Hinsdill R. D., Fundamental Experiments in Microbiology, W. B. Saunders Co., Phila., 1974.