Биотехнология получения аминокислот

 

 

План

 

Введение ………………………………………………………….... 3

 

Глава 1.Образование и получение аминокислот ……………….7

 

Глава 2. Микробиологический синтез. Получение аминокислот методом прямой ферментации. Использование диких штаммов ………… 11

 

2.1. Технология получения L-глутаминовой кислоты микробиологическим синтезом ……………………………………… 17

 

2.1.1. Одноступенчатый способ  получения. ……………………. 20

 

2.1.2. Двухступенчатый способ получения.  .…………………….. 25

 

Заключение …………………………………………………………... 30

 

Список литературы ………………………………………………….. 32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Техническая микробиология не только быстро развивающаяся в настоящее время наука, но и наука, имеющая большое будущее. Ее достижения вносят вклад в решение очень важных социальных проблем, обусловленных истощением топливных, кормовых, пищевых ресурсов, происходящих на фоне быстрого роста населения на земном шаре. При участии промышленной микробиологии возможна частичная компенсация дефицита указанных продуктов на нашей планете. Она призвана участвовать в очистке и охране окружающей среды от всевозможных загрязнений, создающих угрозу жизни.

Важная роль отводится промышленной микробиологии в создании и производстве лекарственных препаратов для охраны здоровья людей. Все эти многообразные формы участия прикладной микробиологии в поддержании жизни на земле обусловлены своеобразными свойствами микроорганизмов: они чрезвычайно быстро растут, обладают разнообразными субстратными возможностями и отличаются высоким содержанием белка в клетках — это, с одной стороны. С другой стороны, они могут использовать возобновляемое сырье.

Природные свойства микроорганизмов и достаточно высокий уровень знаний о них позволяют возлагать большие надежды на биотехнологию — ключевую технологию настоящего и будущего, в составе которой технической микробиологии отводится центральное место микробиологическим процессам, которые лежат в основе крупных промышленных микробиологических производств: получение ферментов, антибиотиков, аминокислот, препаратов на основе микробной биомассы.

Техническая микробиология изучает получение веществ, полезных человеку, с помощью микроорганизмов и занимаете также биологическими процессами биогеотехнологии и очистки окружающей среды. Около 40% всех продуктов развивающейся экономики имеет биологическую природу или происхождения. Производство ряда продуктов может полностью или частично базироваться на микробном синтезе. В первом случае продукт имеет, как правило, микробиологическое происхождение.

Исключение составляют некоторые белки человека, продуцируемые специально сконструированными штаммами кишечной палочки.

Во втором случае продукты имеют растительное, животне происхождение или синтезируются химическим путем.

Производства такого типа: сыроделие, виноделие, хлебопечение, синтез витамина С и другие включают микробиологические реакции как обязательные стадии общего процесса.

Микробиологическим путем производят: сложные белковые продукты — биомассу, ферменты, азотные бактериальные удобрения, которые химическим путем получить очень трудно.

Микробный синтез применяется для производства уникальных веществ сложного строения, синтезируемых только микрорганизмами, например витамина B12, некоторых антибиотиков и для производства простых веществ, например аминокислот или этилового спирта, бутанола, ацетона, некоторых органических кислот, которые могут быть получены иным путем (из белковых субстратов или нефтехимического сырья), но микробный синтез на данном этапе оказывается экономически выгодным.

В основе всех микробиологических производств лежит хорошее знание физиолого-биохимических свойств продуцента и его генетики. Конструирование новых штаммов методами генетической инженерии и достижения инженерной технологии сильно увеличили возможности промышленной микробиологии. Теперь с помощью микроорганизмов возможно получение веществ, которые они ранее никогда не синтезировали, например белков животных, растений и человека.

Важное значение имеют работы по сохранению ценных свойств штаммов, сконструированных методами генетической инженерии, созданию новых штаммов и усовершенствованию уже имеющихся.

Иммобилизация клеток и ферментов создает возможности для автоматизации производственных процессов.

Мы живем в период постепенного истощения пищевых и кормовых ресурсов. Потребность людей в животном белке удовлетворяется в настоящее время только на 40%, и одна четверть населения земного шара голодает. Дефицит животного белка увеличивается в связи с быстрым ростом народонаселения. Согласно официальным прогнозам население земного шара возрастет с 4,8 до 6,2 млрд. к 2000 г., а ежегодный прирост производства животного белка достигает пока лишь 2—3%.

Синтез белка из неорганических субстратов — энергозависимый процесс, осуществляемый растениями. Но эффективность утилизации солнечной энергии при фотосинтезе очень низкая, и зеленые листья урожайных растений должны иметь большую поверхность, поэтому сельское хозяйство является экстенсивным процессом, утилизирующим большие площади при низком уровне продуктивности на единицу площади. На Земле обрабатывается примерно 10% суши. Остальные 90% — земли «неудобные»: это либо пустыни, либо крутые каменистые склоны или мерзлые почвы. Требуется много труда, чтобы такие площади подготовить для культивирования растений.

Очевидные трудности в сельскохозяйственной практике связаны с потребностью в воде, соответствующими пределами температуры, необходимостью защиты растений от вредных насекомых и применения неорганических удобрений в большом масштабе, так как растения и животные уносят азот с сельскохозяйственных площадей.

Нельзя ли как-нибудь иначе добывать пищу? Можно, если к этой работе привлечь микроорганизмы. Для их культивирования не нужно больших площадей и вышеперечисленных условий. Стоимость микробных белковых препаратов не зависит от погоды, эпидемий и снижения урожая.

Существует много микроорганизмов, которые превращают неорганический азот в органическую форму за счет различных и многих источников энергии. Микроорганизмы очень быстро растут. Поросенок или цыпленок могут удваивать вес за 1 мес., а дрожжевая клетка за 3 ч. Причем около половины микробной клетки, растущей при соответствующих условиях, состоит из белка и высокие скорости синтеза белка микробной системой составляют самое большое преимущество в сравнении с традиционным сельским хозяйством. Микроорганизмы можно выращивать на дешевом, непищевом субстрате, каким служит клетчатка, метанол, метан, водород и др. Биомасса может быть источником белков (ферментов), липидов, полисахаридов, витаминов, каротиноидов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Образование и получение аминокислот

Аминокислоты — важный строительный материал организма, из которого формируются пептиды и белки. Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать-все нужные им аминокислоты. Однако человеческий организм способен синтезировать лишь 12 аминокислот из 20. Остальные 8, получившие название незаменимых являются изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин., должны поступать в организм извне — с пищей. Для сельскохозяйственных животных к незаменимым относится также гистидин и аргинин, а для молодняка птицы — еще пролин.

Недостаток хотя бы одной из незаменимых аминокислот приводит к замедлению роста организма, возникновению болезней. В связи с этим важно корректировать рационы питания введением указанных аминокислот.

В мире получают их более 400 тыс. т. Производство многих аминокислот — крупнотоннажная отрасль химической промышленности. Но химики получают смесь оптических изомеров L- и D-аминокислот. В химических реакциях эти изомеры неразличимы, однако в большинстве случаев человеческий организм усваивает лишь L-аминокислоты. При микробиологическом производстве образуется только биологически активный L-изомер, в связи с этим 60% мировой продукции аминокислот получают путем микробиологического синтеза. Среди них наибольший объем производства имеют глутаминовая кислота и лизин.

Аминокислоты — это питательные вещества, ароматические и вкусовые агенты, и потому широко используются в пищевой промышленности в виде приправы к кушаньям.

Глутамат Na и глицин вносят в пищевые концентраты как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи.

В большом количестве аминокислоты применяют как добавку к растительным кормам, которые дефицитны по метионину, треонину, триптофану и лизину. Корма содержат их на 30— 40% меньше, чем требуется животным, вследствие чего биологическая ценность белков растительных кормов сильно снижается. Введение в корма дефицитных аминокислот позволяет снизить содержание белков животного происхождения при сохранении того же ростового эффекта. За последние года количество аминокислот, добавляемых в корма, выросло в 14 раз. Около 66% общего количества аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 — в пище и 4% — в медицине, косметике и в лабораторных исследованиях. По объему производства и по значимости первое место среди кормовых аминокислот занимает L-метионин. Во многих странах его добавляют к соевой муке — белковой добавке кормов, дефицитной по L-метионину. Поскольку млекопитающие могут утилизировать D-метионин, хотя и более медленно, чем L-форму, то применяют рацемическую смесь, получаемую химическим путем, так как это дешевле. Аминокислоты используют в медицине. Так, аргинин в cочетании, с аспартатом или глутаматом помогает при заболевании печени.

Под действием аргинина повышается активность иммунологической системы у послеоперационных больных. K-Na-аспартат снимает усталость и назначается для облегчения боли в сердце, его рекомендуют при заболевании печени и диабете. Цистеин защищает SH-ферменты в печени и других тканях от окисления и оказывает детоксицирующее действие. Он проявляет также защитное действие от повреждений, вызываемых облучением. Триптофан — антидепрессант, его используют при лечении алкоголизма и бессонницы.

Дегидроксифенилаланин и L-фенилаланин эффективны при болезни Паркинсона. Его аналог — 5-гидрокси-L-триптофан используют как психотерапевтическое средство. Из полиаминокислот получают хороший материал для хирургии и применяют его для замены человеческой кожи при лечении ожогов. Из аминокислот готовят искусственный подсластитель — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина — аспартам, который в 150 раз слаще, чем глюкоза. С помощью аспартама удается снизить на 95% калорийность ряда пищевых продуктов без изменения их вкусовых качеств. Аминокислоты применяют также в косметике. Для поддержания нормальной функции кожи их добавляют в кремы. В шампуни вносят цистеин. Таким образом, применение аминокислот многообразно, но пока ограничено уровнем производства и высокой себестоимостью. Аминокислоты относятся к важнейшим компонентам клетки, синтезируются в нужном для клетки количестве и их биосинтез находится под строгим генетическим контролем.

Для получения сверхсинтеза аминокислот нужно обойти этот контрольный механизм или изменить его. Если идут по первому пути, то работают с природным (диким) штаммом, выбор второго пути связан с получением мутантов. Из методов генетической инженерии для получения аминокислот наиболее употребительна амплификация генов.

Существуют 3 способа получения аминокислот: выделение из гидролизатов природных материалов; химический синтез; микробиологический или энзиматический синтез.

1-й и 3-й способы  дают оптически активные изморы (обычно L-формы), химический синтез — рацемическую смесь и требуется ее последующее разделение.

Получение аминокислот из гидролизатов связано с многоступенчатой очисткой и экстракцией. В качестве гидролизуемого сырья используют кератин, куриный белок, кровь, кормовые дрожжи, растительные материалы.

Микроорганизмы, которые используют для получения аминокислот, подразделяют на 4 класса: дикие штаммы, ауксотрофные мутанты, регуляторные мутанты и ауксотрофные регуляторные мутанты. Для стабилизации продукции (предотвращения обратных мутаций) в ауксотрофные мутанты вносят разные маркеры.

Промышленные штаммы обычно несут несколько мутаций затрагивающих механизмы регуляции соответствующей аминокислоты и ее предшественников.

В промышленности чаще всего используют штаммы коринебактерий (С. gluiamicum), бревибактерий (В. flavum) и в последние годы — штаммы Е. coli, сконструированные с помощью методов генетической инженерии. По окончании ферментации для получения кормовых препаратов культуральную жидкость высушивают. Для получения высокоочищенных препаратов для медицины и пищевой промышленности аминокислоты экстрагируют из культуральной жидкости и очищают чаще всего с помощью ионообменных смол с последующей кристаллизацией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Микробиологический синтез. Получение аминокислот методом прямой ферментации. Использование диких штаммов

Микробиологические способы включают в себя так называемую прямую ферментацию и микробный синтез из биосинтетических предшественников, полученных химическим путем. Под прямой ферментацией понимают микробную продукцию в процессе ферментирования углеводсодержащих субстратов. Этот способ позволяет утилизировать дешевое сырье (мелассу, мочевину, (NH4)2SО4), но его недостаток — длительность процесса, поскольку требуется время для выращивания клеток их сепарирования, выделения и очистки аминокислот, и т. д. Отходы этой промышленности могут загрязнять окружающую среду. Большую часть аминокислот получают в настоящее время прямой ферментацией, причем первое место по выпуску продукции занимает глутаминовая кислота, на втором месте — лизин.