Поиск и оптимизация условий культивирования, влияющих на синтез микроорганизмами экономически значимого продукта
Реферат - Биология
Другие рефераты по предмету Биология
(Пущино) и бывшего ВНИИ прикладной микробиологии, ныне Гос НИИ ПМ, бывшей фирмы Диавак (Оболенск, Моск. Обл.).
Поскольку личный опыт автора основан на работе с бактериями, а так же то, что микроорганизмы являются наиболее простыми из самостоятельно живущих организмов и, возможно, наиболее значимыми элементами в процессах биотехнологии, то основные примеры приведены из области микробиологии. По нашему мнению, предлагаемые математические и методологические подходы могут быть легко обобщены и для более сложных продуцентов, поскольку регуляция активности оперона условиями внешней среды одинакова для всех известных организмов / 15/.
Методологическое обоснование
Из всех биологических наук микробиология - наиболее точная и наиболее математизированная. Ряд задач микробиологии невозможно решить без математической обработки результатов измерений, по крайней мере, некоторых свойств и параметров микробиологической популяции и без применения хотя бы простейших математических моделей. Важность такого подхода подтверждается тем, что микроорганизмы являются продуцентами многих уникальных физиологически активных соединений, к которым можно отнести ферменты, антигены, антибиотики как наиболее значимые.
Современные технологические процессы невозможно вести без применения математики. Рост фармацевтической промышленности и биотехнологии в последнее время вызывает увеличение спроса на промышленно важные микроорганизмы.
Многие микроорганизмы способны синтезировать ряд ЦП, которые не синтезируют другие организмы. Но нередко перспективный штамм производит синтез экономически важного целевого продукта при выращивании на плотной питательной среде и не способен синтезировать его при глубинном культивировании. Возможен вариант, когда глубинное культивирование на питательных средах с использованием гидролизатов и вытяжек из сырья природного происхождения не обеспечивает стабильного получения ЦП и выход ЦП сильно зависит от партии питательной среды. Это ухудшает технологические показатели продуцента и может служить основанием для отказа от такого микроба при использовании в промышленных масштабах. В таком случае можно говорить о наличии метаболизируемых ингибиторов или индукторов нужного синтеза. Молекулярное клонирование и прочие генно-инженерные операции не решают проблемы, поскольку в изученный продуцент переносят рекомбинантную ДНК вместе с регуляторными участками. Необходимо проводить комплексное изучение продуцента.
Встает вопрос о возможности нахождения регуляторных факторов и переходе к управляемому культивированию. Названную операцию можно осуществить, если производить целенаправленный активный поиск регуляторных факторов.
Процесс поиска осложняется тем, что в качестве регуляторного фактора могут выступать несколько индивидуальных химических соединений разных классов (минеральные компоненты, углеводы, источники азота и т. д.), либо иных условий культивирования (рН, аэрация) действующих одновременно и взаимовлияюще [1]
На наш взгляд, проще производить поисковую работу, если проводить поиск на синтетических средах и средах контролируемого химического состава, что достаточно доступно на современном уровне. Поскольку теоретически возможное сочетание различных комбинаций факторов весьма велико, то необходимо вести некий оптимальный поиск. Так как каждый микроб достаточно ограничен в своих потенциальных возможностях, то задача имеет решение. Подобные работы уже проводили неоднократно и в литературе описаны ряд планов поиска, близких к оптимальному. Критерии оптимальности в большинстве случаев не сформулированы. Отсутствуют опубликованные правила построения и условия применения планов поиска, работу во многом производили на интуитивном уровне, не указаны ряд, на наш взгляд, существенных моментов поиска.
Применение микроорганизмов в технологическом процессе предъявляет ряд требований к свойствам промышленного штамма - глубинное культивирование, рентабельный выход ЦП, безопасность для окружающей среды, наличие нескольких селективных маркеров, желателен выход ЦП в культуральую среду, низкий уровень спонтанного мутагенеза и т.д..
Знание общих закономерностей питания микроорганизмов мало что дает при работе с конкретным продуцентом. Необходима стратегия поиска лимитирующих, ингибирующих и индуцирующих нужный синтез факторов (регуляторных факторов) среди множества возможных кандидатов из многочисленных потенциально осуществимых условий культивирования.
Выяснение количества и роли регуляторных факторов позволяет решить вопрос о целесообразности применения мутагенеза и перехода от дикого штамма к более технологичному мутанту.
Задача поиска регуляторных факторов осложняется наличием значительного межфакторного взаимодействия (сильная кривизна поверхности отклика - зависимости ВП от условий культивирования). При таких начальных условиях серия однофакторных экспериментов дает мало информации, а в ряде случаев, при наличии нескольких регуляторных факторов, в принципе не позволяет решить задачу поиска. Необходимо проводить многофакторный поиск, используя индивидуальные химические соединения в серии многофакторных экспериментов по планам, близким к оптимальным для поиска.
Последовательность применения математики в микробиологической работе - количественное измерение одного или нескольких свойств, построение таблиц, построение графиков, разработк