Stiri Online, Enciclopedie, Revista presei

Microorganisme utilizate în biotehnologii

in Biologie/Chimie

Microorganismele care sintetizează diverse produse sunt în număr de câteva sute de specii din cele peste 100 milioane câte se cunosc în natură. Aceste specii aparţin procariotelor şi eucariotelor, respectiv la 5 grupe: bacterii, actinomicete (bacterii miceliene), levuri, mucegaiuri şi alge.

Numai în secolul 20 s-au înregistrat progrese majore în cunoaşterea structurii şi funcţiei acestor microorganisme, precum şi a geneticilor. S-a început de exemplu cu inducerea artificială de mutaţii cu ajutorul radiaţiilor X, al radiaţiilor UV sau cu ajutorul unor substanţe chimice, fapt care a condus la intensificarea procesului de selecţie a unor microorganisme utile omului.

Un exemplu în acest sens îl constituie producerea de antibiotice cu ajutorul microorganismelor. Tulpini sălbatice de Penicillium produceau ~ 60 mg de penicilină per litru de mediu de cultură. După un proces intens de selecţie realizat prin folosirea unor mutanţi s-au obţinut tulpini capabile să producă ~ 20 g penicilină per litru de mediu de cultură, adică de peste 10.000 de ori mai mult decât tulpinile sălbatice neameliorate.

Odată cu apariţia ingineriei genetice s-au creat condiţii favorabile pentru manipularea informaţiei genetice a microorganismelor utilizate în biotehnologie pentru transferul de gene de la o specie la alta şi pentru crearea de programe genetice artificiale. S-au putut astfel obţine tulpini noi de microorganisme capabile să mărească considerabil eficienţa proceselor microbiologice în producerea de substanţe utile omului.

Speciile de bacterii folositoare fac parte din grupul Eubacteriilor, denumite şi „bacterii adevărate”. De ex, bacteriile acetice cuprinse în genul Acetobacter sunt bacili Gram negativi care transformă etanolul în acid acetic. Genul Bacillus cuprinde bacterii Gram pozitive care formează endospori şi care sunt înconjurate de numeroşi cili dispuşi peritrih. Din genul Bacillus, specia Bacillus subtilis este o specie strict aerobă, sporulată, folosită mult în biotehnologie. Tot dintre Eubacterii fac parte şi cele incluse în genul Clostridium. Sunt bacterii sporulate care produc fermentaţii în urma cărora rezultă diverşi produşi.

Bacteriile lactice sunt specii ce aparţin genurilor Lactobacillus, Leuconostoc şi Streptococcus. Sunt bacterii nesporulate, Gram pozitive, care tolerează prezenţa O2. Aceste bacterii lactice se pot împărţi în 2 grupe:

•Bacterii lactice homofermentative care în urma fermentaţiei pe care o produc, produc numai acid lactic.
•Bacterii lactice heterofermentative, în urma fermentaţiei lor rezultând acid lactic, etanol şi CO2.

Bacteriile lactice homofermentative fac parte din genul Streptococcus, iar cele din grupul bacteriilor heterofermentative din genul Leuconostoc.

Bacteriile cuprinse în genul Corynebacterium sunt bacterii imobile, Gram pozitive, nu formează spori, unele specii sunt patogene, iar cele nepatogene care trăiesc în sol prezintă interes pentru industrie. De ex, Corynebacterium glutamicum produce lizină şi acid glutamic.

Actinomicetele (bacteriile miceliene) sunt strict aerobe, Gram pozitive şi nu formează spori. Cel mai important gen dintre actinomicete este genul Streptomyces care cuprinde specii producătoare de antibiotice.

Drojdiile sunt fungi microscopici unicelulari şi formează un grup de microorganisme eucariote cu numeroase specii care dpdv al modului de reproducere au fost clasificate în drojdii cu reproducere sexuată sau asexuată. Drojdiile aparţin la 3 clase de fungi şi anume: Ascomicete, Basidiomicete şi Deuteromicete. Cea mai veche în serviciul omului şi cea mai intens cultivată este specia Saccharomyces cerevisiae.

Numeroase tulpini de levuri sunt folosite pentru fabricarea vinului, a berii, a băuturii sake, a băuturilor alcoolice, la fabricarea pâinii etc. Specia Saccharomyces lipolytica degradează hidrocarburile şi este utilizată la fabricarea biomasei proteice.

Alte specii utile omului aparţin genului Candida, cu o specie reprezentativă Candida utilis. Această specie poate fi cultivată pe deşeuri rezultate din industria hârtiei. În general, levurile folosite în industrie nu se reproduc sexuat, nu formează spori şi sunt poliploide, fapt care explică vigoarea lor şi adaptabilitatea la schimbările din mediu.

Mucegaiurile sunt un grup de fungi filamentoşi, de tip eucariot care produc numeroase transformări în mediul solid, care preced fermentaţiile. De ex, hidroliza amidonului din orez în producerea industrială a băuturii sake.

Mucegaiurile produc enzime utilizate în industrie ca amilaze, proteaze, pectinaze, acizi organici (citric, lactic etc.), antibiotice. Mucegaiurile sunt folosite şi în industria de fabricare a unor brânzeturi. De ex, în prepararea brânzei de tip Roquefort se foloseşte specia Penicillium roqueforti. În industria obţinerii brânzei de Camembert se foloseşte specia Penicillium camemberti.

Specii de mucegai precum Penicillium chrysogenum se folosesc la obţinerea antibioticului penicilina. La obţinerea băuturii sake se foloseşte specia Aspergillus oryzae. Specia Aspergillus niger se foloseşte în industrie la obţinerea acidului citric.

Din familia de mucegaiuri cu numele de Mucoraceae, importante sunt speciile care aparţin la 2 genuri: Rhizopus (R. oryzae,R. japonicus) şi Mucor (M. javanicus), specii utilizate în procesul de fermentaţie alcoolică.

Un alt exemplu este familia Aspergillaceae cu genurile mai reprezentative Aspergillus şi Penicillium, dintre care specia Aspergillus niger folosită în industria de producere a acidului citric prin fermentaţia glucidelor şi Aspergillus oryzae utilizată în obţinerea prin fermentaţie alcoolică a sucului de orez sau sake.

Speciile Aspergillus fumigatus şi Aspergillus clavatus produc antibiotice numite fumigatina şi clavacina. Genul Penicillium are 2 specii importante: P. notatum şi P. chrysogenum, producătoare de pencilină.

Fiziologia microrganismelor de interes industrial

Microorganismele în general şi în special cele de interes biotehnologic au nevoie atât pentru creştere şi multiplicare, cât şi pentru producerea unor substanţe biologic active de prezenţa în mediul de cultură a celor mai adecvate substanţe nutritive care să conţină pe de o parte elementele chimice necesare sintezei propriilor constituenţi celulari, a unor enzime specifice, a sistemului de transport celular, iar pe de altă parte să furnizeze substanţele necesare producerii de energie atât pentru procesele celulare proprii, cât şi pentru procesele de biosinteză a unor produşi biologic activi.

Prin urmare, fiecare microorganism folosit într-un anumit proces biotehnologic necesită un mediu de cultură a cărui compoziţie să-i ofere elementele necesare proceselor biosintetice. Din grupul elementelor necesare amintim: bioelementele, necesarul de O2, surse nutritive, surse de energie şi altele.

Bioelementele sunt absolut necesare microorganismelor. Acestea au nevoie de acele elemente care constituie structura oricărui sistem biologic. Unele au fost denumite bioelemente majore, foarte importante, iar altele, necesare în cantităţi foarte mici, au fost denumite bioelemente minore.

Bioelementele majore sunt reprezentate de C, H, O, N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, dar dintre acestea carbonul, oxigenul, hidrogenul, azotul, sulful şi fosforul formează ~ 95% din greutatea uscată a microorganismului, deci reprezintă constituenţii principali care trebuie incluşi în componentele mediilor de cultură. Unele elemente, precum C, H, O, N sunt implicate în toate structurile şi sintezele celulare, compuşii lor furnizând energia necesară desfăşurării proceselor metabolice. S şi P sunt implicate numai în anumite procese celulare.

Bioelementele minore sunt reprezentate de Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Co, Cu. Ele sunt necesare microrganismelor în cantităţi foarte mici. Unele ca de ex Zn şi Mn sunt necesare pentru toate microorganismele, în timp ce Mo, Co şi Cu sunt necesare numai pentru sinteza unor enzime, precum şi pentru dezvoltarea şi desfăşurarea unor procese industriale de biosinteză, ele intrând în structura unor molecule biologic active. De ex, Co intră în procesul de sinteză a vitaminei B12, iar Cu pentru sinteza şi activitatea unor enzime respiratorii.

Necesarul de O2. O2 este furnizat microorganismelor în primul rând de diferiţii nutrienţi şi de apa care intră în compoziţia mediilor de cultură. Datorită solubilităţii sale scăzute, O2 aflat în soluţie este utilizat foarte repede de către bacteriile aerobe care se dezvoltă în sistemul de cultivare.

Acest lucru face ca densitatea atinsă de o cultură microbiană să fie mult limitată de rata de solvire a O2 în lichid. În culturile aerate din flacoanele agitate necesităţile de aerare sunt mai limitate.
În instalaţiile industriale, unde se măreşte mult aria interfaţei aer-lichid, în special prin folosirea tehnicii de barbotare a aerului şi de amestecare a lichidelor, creşterea microorganismelor este mai intensă, dar poate deveni limitată atunci când necesităţile în O2 nu sunt satisfăcute corespunzător.

În funcţie de necesităţile în O2, microorganismele se pot grupa în:

1.Microorganisme strict (obligat) aerobe care au nevoie absolută de prezenţa O2, ele neputând trăi în anaerobioză.

2.Microorganisme strict (obligat) anaerobe care nu se pot dezvolta în prezenţa O2 molecular şi ca urmare cultivarea lor trebuie realizată în medii lipsite de O2.

3.Microorganisme microaerofile care se dezvoltă cel mai bine la concentraţii foarte mici de O2 în mediu.

4.Microorganisme facultativ anaerobe care au capacitatea de a se dezvolta atât în prezenţa O2, cât şi în absenţa lui.

Unele dintre acestea, ca de exemplu bacteriile lactice desfăşoară un metabolism de tip fermentativ, dar fără aer chiar şi atunci când cantitatea de O2 din mediu este suficientă. Alte microorganisme îşi orientează metabolismul în funcţie de prezenţa sau absenţa O2 în mediul de cultură, fără să-şi modifice activităţile celulare.

Sursele nutritive
Microorganismele utilizate în biotehnologii folosesc surse nutritive foarte diverse, dar cele mai multe necesită pentru desfăşurarea activităţii lor un mediu de cultură în care să intre o sursă de energie, o sursă de C, o sursă de N şi o sursă de factori de creştere.

Sursa de energie. Procesele de creştere a tuturor microorganismelor sunt endogene şi deci energia necesară creşterii lor trebuie obţinută fie din oxidarea unor componente ale mediului, fie din lumina solară. Energia obţinută pe una dintre aceste căi este înmagazinată în substanţe macroergice. De aceea, rezervorul energetic cel mai important al microorganismelor este ATP-ul.

La bacteriile fotosintetizante şi la alge, producerea de ATP se realizează prin utilizarea energiei luminoase, pe când microorganismele autotrofe îşi procură energia prin oxidarea compuşilor anorganici, iar microorganismele heterotrofe din oxidarea compuşilor organici.

În procesele industriale, sursele cele mai importante de energie sunt sursele de C şi de aceea, de cele mai multe ori, sursa de C se confundă cu sursa de energie. Orientările biotehnologice din ultimii ani au arătat clar că între cele 2 surse există deosebiri nete, mai ales atunci când sursa de energie este un compus necarbonat.

Sursa de C. În funcţie de natura sursei de C folosită de microorganisme pentru creştere şi pentru producerea de substanţe active, microorganismele se pot clasifica în 2 grupe:

1.Microorganisme autotrofe care folosesc CO2 ca unică sau ca principală sursă de C celular.
2.Microorganisme heterotrofe / organotrofe la care sursa de C şi, în egală măsură, şi cea de energie este un compus organic.

În cazul microorganismelor care folosesc substanţe organice, rolul de sursă de energie este asigurat prin faptul că oxidarea sau catabolizarea lor se face cu eliberare de energie şi de produşi intermediari necesari în procesele de biosinteză.

Deci compuşii organici cu C utilizaţi ca nutrienţi sunt produşii de plecare în sinteza miilor de substanţe organice şi a produşilor biotehnologici. În mod frecvent, necesarul de C al unei celule este suplimentat cu sursa de energie, însă bacteriile autotrofe şi cele fotosintetizante folosesc CO2.

Calea pe care microorganismele heterotrofe metabolizează carbonul din substrat este importantă de cunoscut pentru a şti cât din întreaga cantitate este convertită în material celular propriu.
S-a stabilit că microorganismele facultative încorporează ~ 10% din carbonul substratului atunci când calea de metabolizare este aerobă.

În cazul microorganismelor obligate, acestea pot încorpora cantităţi de C de 50 – 80 % din cantitatea totală de C din mediu. Aceste microorganisme sunt cele mai importante pentru producerea de proteine microbiene.

Sursa de N. Azotul este necesar microorganismelor în cantităţi mari, deoarece reprezintă ~ 10% din greutatea uscată a celulei microbiene. În celula microbiană, azotul este încorporat sub formă de grupări amino.

Sursa de N poate fi reprezentată de NH3 sau de săruri de amoniu pentru cele mai multe microorganisme de interes biotehnologic. Cantitatea de N necesară microorganismelor de interes industrial este în strânsă dependenţă cu posibilităţile genetice ale producătorului. S-a constatat că atunci când microorganismele solicită cantităţi mari de N şi capacitatea metabolică de asimilare a sa este mare şi deci cantitatea de produs obţinut este superioară.

Compuşii organici necesitaţi de multe procese biotehnologice microbiene sunt relativ scumpi şi de aceea s-a recurs la utilizarea unor surse la prepararea mediilor ca soia, făină de peşte, extract de drojdii, caseină etc.

Factorii de creştere. Se ştie că levurile nu se pot dezvolta pe mediile de cultură sintetice decât dacă se adaugă la mediu extract de levuri, extracte vegetale sau gălbenuş de ou. Prin urmare, mediul sintetic nu satisface nevoile metabolice ale levurilor. Produsele menţionate conţin în ele vitamine şi AA care joacă rol de factori de creştere.

La multe microorganisme factorii de creştere sunt de origine endogenă, fiind elaboraţi prin propriile
sale procese metabolice, astfel că prezenţa lor în mediul de cultură nu este necesară.

Factorii de creştere necesari microorganismelor au fost clasificaţi în 3 categorii:

1.Aminoacizi care reprezintă factori de creştere necesari în biosinteza proteinelor.

2.Purine şi pirimidine, factori necesari în sinteza acizilor nucleici şi a unor coenzime.

3.Vitaminele necesare în sinteza unor enzime şi a unor coenzime.
Aceşti factori de creştere, indiferent din ce categorie fac parte, sunt necesari în cantităţi mici, ei jucându-şi rolul într-un anumit moment al metabolismului producătorului.

loading...
DESCARCA APLICATIA CYD PE MOBIL
Aplicatie CYD Google Play

Nu sunt un artist, nu sunt un talentat scriitor, sunt om ca si tine. Doar ca diferentele dintre mine si tine o fac obiceiurile noastre si viata pe care o traim. Nu ne invartim in aceleasi anturaje, nu avem acelasi limbaj, la dracu nici macar nu ne cunoastem, dar sigur avem de impartit idei sau am avut aceleasi idei o data, desi repet nu ne cunoastem. Nu te stiu, nu te cunosc, nu te vad, nu te ating, nu te caracterizez, nu te critic, nu te injur, nu te admir, nu te laud, dar tu poti sa ma critici, aplauzi, caracterizezi, poate chiar si sa ma apreciezi. E dreptul tau, e timpul tau.

Latest from Biologie

LIKE-ul tau CONTEAZA!Ti-a placut articolul si ai dat LIKE? Inchide aici
Mergi la Sus

Copyright © 2016 by CYD.RO. Toate drepturile sunt rezervate
Designed by Dianys Media Solutions - realizare site web - creare site web