Биологический агент

Биологический агент является активным началом в биологиче­ских процессах и одним из наиболее важных из элементов. Номенкла­тура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего вре­мени важнейшее место занимает традиционный объект - микробная клетка. Микробные клетки могут быть выделены из природных источ­ников и далее существенно модифицированы и улучшены с помощью традиционных (селекции, отбора) и новейших (клеточной и генетиче­ской инженерии) методов. При выборе биологического агента и поста­новке его на производство прежде всего следует соблюдать принцип технологичности штаммов. Это значит, что микробная клетка, популя­ция или сообщество особей должны сохранять свои основные физиоло- го-биохимические свойства в процессе длительного ведения фермента­ции. Промышленные продуценты также должны обладать устойчиво­стью к мутационным воздействиям, фагам, заражению посторонней микрофлорой. характеризоваться безвредностью для людей и окружа­ющей среды, не иметь при выращивании побочных токсичных продук­тов обмена и отходов, иметь высокие выходы продукта и приемлемые технико-экономические показатели.

В настоящее время многие промышленные микробные техноло­гии базируются на использовании гетеротрофных организмов, а в бу­дущем решающее место среди продуцентов займут автотрофные мик­роорганизмы, не нуждающиеся для роста в дефицитных органических средах, а также экстремофилы - организмы, развивающиеся в экстре­мальных условиях (термофильные, алкало- и ацидофильные).

В последние годы расширяется применение смешанных микроб­ных культур и их природных ассоциаций. В такого рода смешанных культурах между микроорганизмами устанавливаются определенные взаимоотношения, основанные на экологических принципах взаимодей­ствия в смешанных популяциях. Возможны различные типы такого вза­имодействия:

• нейтрализм - практическое отсутствие взаимодействия между видами. Пример нейтрализма - рост штаммов Streptococcus и Lactobacillus (входящих в состав закваски при производстве йогурта). При скорости разведения 0,4 час^-1 оба вида микроорганизмов растут с одинаковой скоростью, такой же, как в чистых культурах;

• мутуализм - оба штамма быстрее растут в смешанной куль­туре, чем в соответствующих чистых культурах.

Пример: совместное культивирование штамма Lactobacillus, нуж­дающегося в фенилаланине, и штамма Streptococcus, нуждающегося в фолиевой кислоте.

На среде, не содержащей ни одного из этих компонентов, чистые культуры обоих штаммов практически не растут. Смешанная культура растет на этой среде хорошо. В данном случае мутуализм представляет собой взаимный обмен ростовыми факторами. Резко выраженный муту­ализм, когда один микроорганизм совершенно не может существовать без другого называют симбиозом.

Пример: в свое время была описана «бактерия» Metanobacillus omelianskii, которая при ближайшем рассмотрении оказалась смесью двух видов. Один из них окисляет этанол до ацетата с образованием во­дорода, но его рост подавляется продуцируемым им же водородом. Второй вид не способен расти на этаноле, но утилизирует водород, пре­вращая его в метан.

Если один вид продуцирует вещества, ускоряющие рост другого вида, говорят, что во взаимоотношениях между этими видами имеет ме­сто комменсализм. Противоположен комменсализму аменсализм, когда один вид продуцирует вещество, подавляющее рост второго вида.

По сравнению с монокультурами микробные ассоциации способ­ны потреблять сложные, неоднородные по составу субстраты, минера­лизуют сложные органические соединения, имея повышенную способ­ность к биотрансформации, имеют повышенную устойчивость к воздей­ствию неблагоприятных факторов среды и токсических веществ, а так­же повышенную продуктивность и возможность обмена генетической информацией между отдельными видами сообщества. Основные обла­сти применения смешанных культур - производство пищевых продук­тов, охрана окружающей среды, биодеградация и усвоение сложных субстратов.

Особая группа биологических агентов в биотехнологии - фермен­ты, катализаторы биологического происхождения. Ферменты находят все большее применение в медицине, пищевой промышленности и т. д. До 60-х гг. это направление сдерживалось трудностями их получения, неустойчивостью, высокой стоимостью. Как отдельную отрасль в со­здании и использовании новых биологических агентов следует выде­лить иммобилизованные ферменты: преимущество - стабильность и по­вышенная активность, удержание в объеме реактора, возможность пол­ного быстрого отделения продуктов ферментации с многократным ис­пользованием биологического агента.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе раз­вития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов - транс­генных клеток микроорганизмов, растений, животных - генно- инженерными методами. Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтети­ческих и биологических материалов (изотопы, антитела и др.) Разраба­тываются подходы к конструированию ферментов с заданными свой­ствами, имеющих повышенную реакционную активность и стабиль­ность.

Таким образом, в биотехнологических процессах возможно ис­пользование различных биологических агентов с разным уровнем орга­низации - от клеточной до молекулярной.