Антибиотики. Реферат По дисциплине Биотехнологические процессы в производстве ферментированных продуктов По теме Биотехнология производства антибиотиков
 Скачать 32.86 Kb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Реферат По дисциплине: «Биотехнологические процессы в производстве ферментированных продуктов» По теме: «Биотехнология производства антибиотиков» Выполнил: магистр 1 курса ТФ группы 5227 направления 19.04.03 «Продукты питания животного происхождения» Гардаш С. О. Проверил: к. б. н., доцент Зарицкая В. В. Благовещенск 2018 Содержание Введение 2 Классификация 3 Получение продуцентов антибиотических веществ 4 Влияние условий культивирования на биосинтез антибиотиков 6 Стадии развития продуцентов 12 Выделение и химическая очистка антибиотиков 13 Список источников 15 Введение Антибиотики - самый большой класс фармацевтических препаратов, которые синтезируются микроорганизмами. Некоторые из антибиотиков используют в сельском хозяйстве против различных сельскохозяйственных вредителей (например, полиоксин, баридакицин, косгалицин), другие - в медицинских целях (пенициллины, тетрациклины, цефалоспорин С и др.). Шесть родов феламентозных грибов производят около 1000 различных антибиотиков. Много антибиотиков синтезируют актиномицеты (один только вид Streptomyces griscus производит более 50 антибиотиков). В практике реально используют небольшое число из известных пауке антибиотиков, производимых микроорганизмами. Это в первую очередь пенициллины и цефалоспорины, продуцируемые грибами родов Penicillum; стрептомицин, гентамицин, канамицин, эритромицин и тетрациклины, синтезируемые актиномицетами рода Streptomyces и бактериями родов Micromonospora и Bacillus, и некоторые другие. До “эры” генной инженерии ценные для промышленности штаммы-продуценты антибиотиков с повышенной продуктивностью получали в основном с помощью мутагенеза и селекции природных микроорганизмов. Например, в результате селекции и улучшения техники ферментации промышленный выход пенициллина достиг 20 г/л, что в 10 тыс. раз выше уровня, который имелся в исходном штамме Penicillum chrysogenum. Разработан также метод так называемого мутасинтеза, позволяющий получать модифицированные антибиотики. В этом случае используют мутантные штаммы-продуценты, в которых нарушен синтез определенных участков молекулы антибиотика. Для биосинтеза функционально-активного антибиотика в среду культивирования продуцента вносят аналоги этих участков. В связи с постепенным приобретением патогенными бактериями устойчивости к антибиотикам созданы методы внесения специальных модификаций в структуры антибиотиков, сохраняющие их антибактернальные эффекты. В настоящее время широко распространены полусинтетические антибиотики, например ампициллин, цефалексин, метициллин и др. Классификация По химической природе выделяют несколько основных групп:
Производство фитонцидов происходит в процессе преобразования растительных объектов. Антибиотики классифицируют также по типу и спектру действия: бактерицидные и бактериостатические соединения, узкого и широкого профиля. Основа молекулярного механизма их работы заключается в избирательном нарушении деятельности одного или нескольких микроорганизмов:
Получение продуцентов антибиотических веществ Первая задача при поиске продуцентов антибиотиков — выделение их из природных источников. Вместе с тем для этих целей широко применяется метод изменения генома выделенного продуцента антибиотика путем мутагенеза и генной инженерии. В основу большинства приемов выделения продуцентов положен принцип выделения чистой культуры микроба и непосредственного испытания его по отношению к используемым тест-организмам. Большинство сапрофитных бактерий хорошо развивается на богатых по составу натуральных средах (мясопептонный агар, картофельный агар, сусло-агар и др.) при рН около 7,0 и температуре 30–37 °С. В этих же условиях развиваются актиномицеты и некоторые грибы, но для них они менее благоприятны, чем для бактерий. Актиномицеты растут медленнее, чем бактерии; они могут использовать такие источники питания, которые не очень хорошо усваиваются бактериями. Для выделения актиномицетов рекомендуются среды, приведенные в табл. 1. Значение рН среды после стерилизации устанавливается в пределах 6,8–7,1. Мицелиальные грибы предпочтительнее развиваются на средах с несколько пониженным значением рН (4,5–5,0), на которых плохо растут многие бактерии и актиномицеты. Для выделения мицелиальных грибов можно рекомендовать среды, приведенные в табл. 2. Таблица 1. Состав питательных сред, рекомендуемых для выделения актиномицетов
Таблица 2. Состав питательных сред, рекомендуемых для выделения мицелиальных грибов
Влияние условий культивирования на биосинтез антибиотиков К числу наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на проявление антибиотических свойств микроорганизмов, относятся состав среды, ее активная кислотность, окислительно-восстановительные условия, температура культивирования, методы совместного выращивания двух или большего числа микроорганизмов и другие факторы. Среды для культивирования микроорганизмов. Натуральные (комплексные) среды, состоящие из природных соединений и имеющие неопределенный химический состав (части зеленых растений, животные ткани, солод, дрожжи, фрукты, овощи, навоз, почва и т. д.), содержат все компоненты, необходимые для роста и развития микроорганизмов большинства видов. Используются следующие среды:
Поскольку натуральные среды не позволяют получать строгие количественные данные для изучения физиологических и биохимических особенностей организма, применяют синтетические среды, которые подбирают для отдельных продуцентов индивидуально. Синтетические среды могут быть как относительно простыми, так и сложными, для составления которых используют методы математического планирования эксперимента. Источниками углерода могут быть органические кислоты, спирты, углеводы, сочетания различных углеродсодержащих соединений (табл. 3). Таблица 3. Влияние источника углерода на рост B. brevis subsp. G.B. и биосинтез грамицидина (48 ч культивирования)
При промышленном получении ряда антибиотиков в качестве источников углерода нередко применяют картофельный крахмал, кукурузную муку или другие растительные материалы. Однако не все продуценты обладают достаточно активными амилазами, способными осуществлять гидролиз крахмалсодержащего сырья. Предварительное осахаривание крахмалсодержащих материалов с помощью ферментов значительно облегчает использование микроорганизмами этих материалов. Источники азота оказывают большое влияние на образование микроорганизмами антибиотических веществ. Обычно в средах для культивирования микроорганизмов источником азота служат соли азотной (реже азотистой) кислоты, аммонийные соли органических и неорганических кислот, аминокислоты, белки и продукты их гидролиза. Многие микроорганизмы успешно используют и окисленные формы азота, некоторые из них нуждаются именно в нитратном источнике азота (Streptomyces auranticus, S. subtropicus и некоторые другие). Ряд актиномицетов иногда усваивают лучше нитраты, чем аммонийные соли; они могут использовать даже нитриты, если их вносят в среду в небольших количествах (не более 50 мг NaNO2 / 1 л среды). При этом усвоение нитритов тесно связано с источником углерода; например в присутствии глицерина нитриты потребляются гораздо лучше, чем в присутствии глюкозы. Использование аммония и некоторых органических источников азота плесневыми грибами улучшается в присутствии небольших количеств (0,1–0,2 %) некоторых дикарбоновых (янтарной и фумаровой) кислот. В ряде случаев для накопления антибиотика необходимо присутствие и аммонийного, и нитратного источника азота (биосинтез пенициллина). Обычно наиболее благоприятным для микроорганизмов является соотношение C : N = 20. Однако для образования антибиотика такое соотношение не всегда оптимально. Поэтому для каждого продуцента необходимо подбирать соответствующее соотношение углерода и азота. Источниками минерального питания служат фосфор, сера и другие макро- и микроэлементы. Большинство микроорганизмов легко используют в качестве источников фосфора ортофосфаты. Отдельные виды наряду с этим потребляют и фитаты (соли инозитфосфорных кислот). Продуценты антибиотиков по отношению к концентрации фосфора в среде можно разделить на три группы:
Сера входит в состав некоторых антибиотиков, образуемых грибами (пенициллин, цефалоспорин, глиотоксин и др.), бактериями (бацитрацины, субтилины, низины) и актиномицетами (эхиномицины, группа тиострептона). Обычно источником серы в среде служат сульфаты. Однако при биосинтезе пенициллина лучшим источником серы для продуцента служит тиосульфат натрия. Кроме того, для биосинтеза антибиотиков необходимы и отдельные микроэлементы. Так, продуцент альбомицина S. subtropicus образует антибиотик при значительной концентрации железа в среде. Железо необходимо для образования хлорамфеникола и других антибиотиков. Биосинтезу ряда антибиотических веществ (хлорамфеникола, стрептомицина, пенициллина и др.) способствуют ионы цинка. Стимулирующее влияние на биосинтез гентамицина, курамицина А, фософономицина оказывают ионы кобальта. Ионы галогенов входят в состав некоторых тетрациклиновых антибиотиков и хлорамфеникола. Влияние рН среды. Многие бактериальные организмы, синтезирующие антибиотики, лучше развиваются при рН около 7,0, хотя некоторые, например молочнокислые стрептококки, продуцирующие низин, лучше развиваются в среде при рН = 5,5÷6,0. Большинство актиномицетов хорошо развиваются при начальных значениях рН среды в пределах от 6,7 до 7,8; в большинстве случаев жизнеспособность актиномицетов при рН ниже 4,0–4,5 подавлена. Температура. Для большинства бактериальных организмов температурный оптимум развития лежит в диапазоне 30–37 °С. Для продуцента грамицидина С (B. brevis) оптимальная температура для развития и биосинтеза равна 40 °С. Актиномицеты, как правило, культивируются при температуре 26–30 °С, хотя некоторые виды стрептомицетов могут развиваться как при пониженных (от 0 до 18 °С), так и при повышенных (55–60 °С) температурах. Для большинства мицелиальных грибов оптимальная температура составляет 25–28 °С. Аэрация. Большинство изученных продуцентов антибиотиков являются аэробами. Для биосинтеза многих антибиотиков (пенициллин, стрептомицин и др.) максимальное их накопление происходит при степени аэрации, равной единице, при которой через определенный объем среды за 1 мин продувается такой же объем воздуха. В процессе развития продуцента антибиотика в промышленных условиях потребность организма в кислороде меняется в зависимости от стадии развития, вязкости КЖ и других факторов. На определенных стадиях могут возникнуть ситуации, связанные с кислородным голоданием продуцента. В этих условиях следует принимать дополнительные меры, например, повышение концентрации окислителя добавлением пероксида водорода. Стадии развития продуцентов В условиях глубинной культуры процесс развития организма и синтеза антибиотика проходит в две фазы. В первой фазе развития культуры или, как ее иногда называют, тропофазе (фаза сбалансированного роста микроорганизма), наблюдается интенсивное накопление биомассы продуцента, связанное с быстрым потреблением основных компонентов среды и с высоким уровнем поглощения кислорода. Во второй фазе развития, именуемой идиофазой (фаза несбалансированного роста микроорганизма), накопление биомассы замедлено или даже уменьшено. В этот период продукты метаболизма микроорганизма лишь частично используются на построение клеточного материала, они в основном направляются на биосинтез антибиотика. Обычно максимум продукции антибиотика в среде наступает после максимума накопления биомассы. Интенсифицировать антибиотикообразование можно путем совместного культивирования продуцента антибиотика с другими специально подобранными видами микроорганизмов. В частности, штаммы продуцента трихотецина (Trichothecium roseum) наибольшую биологическую активность проявляют при совместном развитии с микроскопическими грибами рода Penicillium; выход антибиотика повышается в этом случае в несколько раз. Увеличение образования бацитрацина происходит в том случае, если продуцент антибиотика B. subtilis культивируется совместно с Pseudomonas sp. Повышение биосинтеза леворина культурой S. levoris наблюдается при совместном культивировании актиномицета с дрожжеподобным грибом Candida tropicalis. При совместном культивировании двух мутантных штаммов Streptomyces noursei, потерявших способность к биосинтезу нистатина, антибиотик образуется в том же количестве, что и при развитии исходного активного штамма (табл. 4). Таблица 4. Образование нистатина при совместном выращивании двух неактивных штаммов St. noursei (4-е сутки)
Методы культивирования продуцентов антибиотиков. Наиболее перспективным методом выращивания микроорганизмов — продуцентов антибиотиков признан метод глубинного культивирования с использованием периодических процессов. Выделение и химическая очистка антибиотиков В зависимости от того, где сосредоточено антибиотическое вещество, применяют соответствующие методы его извлечения. Если антибиотик находится в КЖ, его выделяют методами экстракции, используя для этого не смешивающийся с водой растворитель, осаждают в виде нерастворимого соединения или сорбируют ионитами. Из клеток микроорганизмов антибиотик выделяют экстрагированием органическими растворителями. Если антибиотик содержится и в КЖ, и в клетках продуцента, то сначала его переводят в фазу, из которой наиболее целесообразно извлекать целевое вещество. Отделение раствора от биомассы и взвешенных частиц проводят методами фильтрации или центрифугирования. Очистка антибиотика (отделение от примесей) осуществляется методами экстракции, ионообменной сорбции и осаждения. После химической очистки антибиотик высушивают, для чего применяют лиофильную сушку, высушивание в распылительной сушилке, высушивание во взвешенном слое или в вакуум-сушильных аппаратах. Список источников:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||