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.