Бактериальная целлюлоза - Институт фундаментальной

Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Базовая кафедра биотехнологии
РЕФЕРАТ
Свойства бактериальной целлюлозы, продуцируемой в культуре
Acetobacter xylinum
Преподаватель
Студент
ББ12-01М
Красноярск 2013
И.Е. Суковатая
О.С. Умняшкина
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3
Бактериальная целлюлоза ................................................................................... 3
Исследования свойств бактериальной целлюлозы ........................................... 4
Очистка экспериментальных пленок ................................................................. 6
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................. 7
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время внеклеточная бактериальная целлюлоза получила
широкое применение в нескольких отраслях народного хозяйства в мировой
практике: для создания биофильтров с различными размерами, для
иммобилизации микроорганизмов и ферментов; в бумажной и упаковочной
промышленностях.
В
текстильной
промышленности
бактериальную
целлюлозу используют для создания новых тканей, в медицине для
производства искусственной кожи; в высокотехничной промышленности для
производства новых материалов, нанокомпозитов, в экологии для очистки
сточных вод [1].
Механизм биосинтеза изучается главным образом в клетках бактерий
рода Acetobacter. Acetobacter - это грамотрицательная, строго аэробная
палочковидная бактерия. Она характеризуется способностью продуцировать
многочисленные
цепи
поли-бета-1,4-глюкана,
химически
идентичного
целлюлозе. Целлюлозные цепи в виде микрофибрилл синтезируются на
поверхности бактерий на сайтах, расположенных вне клеточной мембраны.
Бактериальная целлюлоза
Бактериальная целлюлоза (БЦ) обладает уникальными свойствами,
которые отсутствуют в целлюлозе растительного происхождения. БЦ — это
полимер
глюкозы,
образуется
при
статическом
бактериальном
культивировании, является достаточно прочной гель-пленкой (соотношение
сухой полимер/вода около 1/100) с определенной архитектурой, образуемой
кристаллическими микрофибриллами на наноструктурном уровне. Вода
может быть заменена на органическую жидкость с сохранением огромной
внутренней поверхности.
В гель-пленке целлюлозы, производимой бактерией
Acetobacter
xylinum, могут формироваться различающиеся по толщине водные области:
3
внутри
фибрилл
(образованных
миникристаллами,
продуцируемыми
терминальными комплексами бактерии), на поверхности фибрилл и на
поверхности лент, в которые могут организовываться микрофибриллы, а
также в различных заполненных водой порах сетки из кристаллических лент
и микрофибрилл [2].
Таким образом, гель-пленка БЦ может являться мембраной-носителем
практически любых лекарственных препаратов для наружного и внутреннего
применения в медицине и разнообразных веществ для техники [3].
Исследования свойств бактериальной целлюлозы
Широкое применение БЦ ограничено низкой доходностью и высокой
стоимостью. 1- метилциклопропен (1 - МКП) является мощным ингибитором
во время старения растений и его стали применять для сохранения овощей и
фруктов. Было произведено исследование, целью которого стало изучение
влияния 1- МКП на биосинтез Acetobacter xylinum. Было три группы образцов
с различными концентрациями 1- МКП в среде, эксперимент шел в течение
12 дней, по итогу было выявлено, что 1 – MКП положительно влияет на рост
БЦ, увеличивая выход. Это было первое исследование использовать
ингибитор роста растений на бактериях [4].
Ведутся разработки по созданию пленок БЦ с желатином. В среду с
культурой Acetobacter xylinum добавляли определенное количество желатина,
в ходе биосинтеза целлюлоза и желатин взаимодействовали между собой,
образуя плотную и однородную пленку. Оба полимера имеют определенную
степень
растворимости.
Включение
желатина
в
пленку
привело
к
значительному улучшению оптической прозрачности и водопоглащению [5].
Были исследованы пленки бактериальной целлюлозы Glucoacetobacter
xylinus с содержанием воды менее 1% с целью выяснения особенностей
связывания воды с первичным гидроксилом в бактериальной целлюлозе.
4
Методом
диэлектрической
температурной
обработки
спектроскопии
пленки
БЦ
на
исследовано
подвижность
влияние
первичного
гидроксила. Показано наличие двух областей релаксации первичного
гидроксила в БЦ [6].
Было произведено исследование по добавлению в волокна БЦ
коммерческого
крахмала Mater-Bi®. БЦ получали культивированием
Acetobacter xylinum в течение 21 дней на среде с глюкозой. Для получения
нановолокна БЦ без воды, пленки подвергали сублимационной сушке при
давлении 130 мбар. Крахмал Mater-Bi и БЦ были смешаны с использованием
мини экструдера при 160°С в течение 10 мин при скорости вращения ротора
50 об. Была измерена кристалличность и температура плавления образцов.
Результаты показали значительное улучшение механических и термических
свойств при добавлении крахмала Mater-Bi . Волокна БЦ легко включаются в
матрицы Mater-Bi [7].
Новый композит – БЦ с коллагеном был создан путем погружения
влажной пленки БЦ, выделенной Acetobacter xylinum, в раствор коллагена с
последующим процессом заморозки-сушки. Продукт по структуре похож на
пену. Морфологию композита исследовали с помощью сканирующего
электронного микроскопа (SEM). СЭМ изображения показали, что молекулы
коллагена не только нанесены на поверхность фибрилл БЦ но и проникают
внутрь. Дальнейшие исследования показали, что коллагеновые каркасы
являются биологически активным и подходят для клеточной адгезии, могут
быть использованы для раневой повязки или ткани [8].
Путем агрегирования в водной суспензии получен композит из двух
наноразмерных биосовместимых веществ – целлюлозы Acetobacter xylinum и
фосфата кальция. Методами рентгеновской и электронной дифракции,
электронной микроскопии исследована структура исходных компонентов и
композита. Минеральный компонент состоит из двух кристаллических фаз –
гидроксиапатита и витлокита (трикальций фосфата с магнием), которые
5
представляют собой наноразмерные пластинчатые кристаллы. Композит
сохраняет кристаллические структуры исходных фосфатов кальция и
целлюлозы. Кристаллиты гидроксиапатита и витлокита при формировании
композита
адсорбируются
целлюлозы.
На
на
поверхностях
поверхности
нанофибриллярных
целлюлозных
лент
лент
осаждаются
преимущественно нанокристаллы витлокита. Методом компьютерного
моделирования
кристаллических
(гидроксиапатита
проведен
структур
и
анализ
взаимной
целлюлозы
витлокита),
и
ориентации
двух
предложены
поверхностей
фосфатов
варианты
кальция
взаимного
расположения их поверхностей при формировании межфазной границы [9].
Активная роль БЦ заключается в стимулировании регенерационных
процессов. Она помогает восстановлению базальной мембраны, ускоряет
эпителизацию и зарубцовывание. Когда пленку смачивают физиологическим
раствором, она приобретает прозрачность, эластичность и плотность, близкие
к таковым для неповрежденной кожи человека; более того, пленка обладает
селективной проницаемостью для газа и паров воды и, в тоже время, она
непроницаема для воды и бактерий [3].
Очистка экспериментальных пленок
Для очистки пленку БЦ помещали в 0,5 % раствор NaOH на 24 часа при
температуре 25-27°С и периодически перемешивали. После промывки в
дистиллированной воде пленку помещали в 0,5% раствор соляной кислоты
на 24 ч, после чего промывают дистиллированной водой до получения
реакции промывочных вод pH 6-7 и высушивали на воздухе при комнатной
температуре до постоянной массы [10].
6
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Hwan J, Kon Park H and J. Improvement of bacterial cellulose production
in Acetobacter xylinum using byproduct produced by Gluconacetobacter hansenii
Korean J. Chem. Eng. 2012; 29(5): 563-566
2 Т. А. Бабушкина, Т. П. Климова, Э. В. Штыкова и др.
3 Пиневич А.В. Чудо-пленки, или Слово о бактериальной целлюлозе //
Санкт-Петербургский университет. 2007. №3
4 Hu Y., Catchmark J.M. Influence of 1-methylcyclopropene (1-MCP) on
the production of bacterial cellulose biosynthesized by Acetobacter xylinum under
the agitated culture. The Society for Applied Microbiology. 2010; 51: 109–113
5 Taokaew S., Seetabhawang S., Siripong P., Phisalaphong M. Biosynthesis
and Characterization of Nanocellulose-Gelatin Films. Materials. 2013; 6: 782-794
6 Хайруллин А. Р., Паутов В. Д., Темникова Н. Е. Влияние воды на
релаксационные характеристики первичного гидроксила в целлюлозе
Glucoacetobacter xylinus (часть 2)
7 Nainggolan H., Gea S., Bilotti E, Peijs T., Hutagalun S.D. Mechanical and
thermal
properties
of
bacterial-cellulose-fibre-reinforced
Mater-Bi®
bionanocomposite. Beilstein J. Nanotechnol. 2013, 4: 325–329
8 Zhijiang C, Guang Y. Bacterial Cellulose/Collagen Composite:
Characterization and First Evaluation of Cytocompatibility. Journal of Applied
Polymer Science. 2011: 2938–2944
9 Баклагина Ю. Г., Лукашева Н. В., Хрипунов А. К. и др.
Взаимодействие между наноразмерными кристаллическими компонентами
композита на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция.
Высокомолекулярные соединения. 2010; Серия А , том 52, № 4, с. 615–627
10 Митрофанов Р.Ю., Будаева В.В., Сакович Г.В. Получение и свойства
гель-пленки бактериальной целлюлозы // Химия в интересах устойчивого
развития. Бийск. 2010. №18. С.587-592
7