Upload
vuongbao
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BIOSYNTEZA I
NADPRODUKCJA
AMINOKWASÓW Nadprodukcja podstawowych
produktów metabolizmu (kwas
cytrynowy, enzymy aminokwasy)
KTÓRE AMINOKWASY
OTRZYMYWANE SĄ METODAMI
BIOTECHNOLOGICZNYMI?
Liczba aminokwasów znanych – ponad 200
Liczba aminokwasów białkowych – ponad 20
Liczba aminokwasów egzogennych dla człowieka
– 8 (a-aminokwasy o konfiguracji L: Phe, Ile, Leu,
Lys, Met, Thr, Try, Val)
Aminokwasy względnie egzogenne – 2: His, Asn
Metody otrzymywania aminokwasów:
•Biosynteza
•Wydzielanie z hydrolizatów białkowych
•Synteza chemiczna
Umożliwiają selektywne otrzymanie
aminokwasów L
Powstaje mieszanina D/L aminokwasów
W produkcji dominują:
Kwas L-glutaminowy: 50% produkcji, > 400 000
ton/rok stosowany w postaci soli sodowej jako
przyprawa smakowo zapachowa,
L-lizyna: 40 000 ton/rok, aminokwas egzogenny,
dodawany do produktów spożywczych
Zastosowanie aminokwasów:
• Składnik żywności
• Dodatki do pasz
• Składniki leków
• Składniki kosmetyków
NEGATYWNA KONTROLA
METABOLICZNA BIOSYNTEZY
AMINOKWASÓW
Stężenie aminokwasu potrzebne dla normalnego
rozwoju organizmu blokuje syntezę enzymów
uczestniczących w wytwarzaniu
Okresowy nadmiar aminokwasu hamuje
aktywność wszystkich kluczowych enzymów
szlaku, względnie pierwszego enzymu w jego
odgałęzieniu
MIKROORGANIZMY WYKORZYSTYWANE W
OTRZYMYWANIU AMINOKWASÓW
Powinny cechować się nadprodukcją
aminokwasów, czyli:
Powinny nie mieć sprawnie działających
mechanizmów kontrolnych
Powinny mieć możliwość (zdolność) transportu
aminokwasów na zewnątrz komórki
Grzyby – nie - sprawnie działające
mechanizmy kontrolne
Bakterie – tak, ale istnieją duże
różnice między gatunkami, np. E. coli
–precyzyjna regulacja
Które organizmy spełniają te warunki?
METODY STOSOWANE DLA UZYSKANIA
NADPRODUKCJI AMINOKWASÓW
Zmiana preferencji metabolicznych – przez
zmianę preferencyjnego kierunku syntezy w
punkcie rozgałęzienia szlaku, przez hamowanie
jednego z z nich nadmiarem produktu
Dodatek prekursorów
Zmiana (zwiększenie) aktywności enzymów
limitujących proces biosyntezy
Uzyskanie wzrostu przepuszczalności przez błonę
cytoplazmatyczną
Modyfikacja szczepów – zakłócenie lub
wyeliminowanie kontroli metabolicznej:
Mutanty auksotroficzne (żywieniowe)
– auksotrofia- blokada enzymatyczna szlaku metabolicznego
– wytworzone białko pozbawione jest aktywności katalitycznej
– wymagają uzupełnienia podłoża brakującym metabolitem
– przy jego ograniczonej ilości mogą wytwarzać duże ilości
metabolitów pośrednich lub produktów odgałęzień szlaku
Mutanty regulatorowe – mutacja genu regulatorowego lub
operatorowego - mutanty niewrażliwe na nadmiar
odpowiednich metabolitów
Szczepy uzyskane metodami inżynierii genetycznej
KWAS L-GLUTAMINOWY
Jakie mikroorganizmy stosowane są w produkcji
kwasu glutaminowego?
Batrerie z rodzajów Corynebacterium, Brevibacterium,
Microbacterium, Arthrobacter
Głównie C. glutamicum i B. flavum
Dlaczego te rodzaje bakterii?
Mają zdolność wydajnej biosyntezy kwasu L-glutaminowego
(nadprodukcji) – specyfika metabolizmu
Mają zdolność wydzielania produktu do podłoża – efekt
niepełnosprawnej błony cytoplazmatycznej, jeżeli są
hodowane w podłożu deficytowym w stosunku do biotyny
TECHNOLOGIA Podłoże zawiera:
Źródło węgla: glukoza, sacharoza, octan, etanol,
n-alkany
Źródło azotu: mocznik, amoniak
Składniki są dozowane!!
pH podłoża 7-8
Temperatura 30-35 oC
Wysokie natlenianie, 3-5 mmoli O2/ml.min !!!
Zbyt słabe natlenianie- produkt kwas bursztynowy
Zbyt silne natlenianie – produkt kwas 2-oksoglutarowy
Dla uzyskania wydzielania kwasu
glutaminowego do podłoża:
Biotyna w stężeniu 2,5 ug/ml – niskie stężenie
kluczowe dla wydzielania produktu do podłoża. Przy
stężeniu optymalnym dla szczepu (25ug/ml) 1/3
kwasu glutaminowego pozostaje w komórce
hamując dalszą syntezę.
20 mg/1gs.m. 2300 mg/1g s.m.
Detergenty – również ułatwiają uwalnianie produktu
Dodatek penicylin i cefalosporyn(antybiotyki
hamujące syntezę peptydoglikanu)
Dodatek nasyconych kwasów tłuszczowych –
hamuje syntezą kwasu oleinowego ( i znosi barierę
przepuszczalności błony
mikroorganizmy w optymalnych warunkach wykazują bardzo szybki wzrost, a niektóre z nich podwajają swoją masę co 0,5-1 godz;
efektywność biosyntezy białka przez zwierzęta (bydło), rośliny (soja) i drobnoustroje (drożdże) wyraża się stosunkiem 1:81:100 000;
mikroorganizmy można namnażać w sposób ciągły, co zapewnia dużą wydajność biosyntezy niezależnie od warunków klimatycznych
Korzyści wynikające z zastosowania mikroorganizmów do syntezy białka
OPTYMALIZACJA PROCESU
mikroorganizmy łatwiej podlegają modyfikacji genetycznej dla nadania ich biomasie cech wymaganych przez człowieka (np. szybkości wzrostu, poprawy składu aminokwasowego) aniżeli rośliny i zwierzęta;
mikroorganizmy mogą przetwarzać produkty uboczne, surowce odpadowe i ścieki;
poprzez zmianę składu pożywki i parametrów hodowli można zmieniać skład aminokwasowy białka.
mikroorganizmy zawierają dużą ilość białka
odpowiedniej jakości;
mogą zawierać również dużą ilość tłuszczów,
węglowodanów i witamin
Wada
często wysoka zawartość kwasów nukleinowych
Jakość produktu
Wysoka zawartość kwasów nukleinowych w SCP: (bakterie –
głównie DNA; grzyby –głównie RNA
Zasady purynowe są metabolizowane do kwasu moczowego,
którego nagromadzenie w organizmie jest szkodliwe.
Eliminacja RNA i DNA z komórek grzybowych:
Autoliza komórek w temperaturze 50 – 60C.
Enzymy proteolityczne są inaktywowane, a nukleazy i
rybonukleazy trawią kwasy nukleinowe do zasad azotowych,
które można łatwo oddzielić od SCP.
INNE WADY:
Niekorzystne właściwości organoleptyczne – głównie bakterie
Obecność substancji toksycznych – głównie grzyby
(mykotoksyny)
JAKIE MIKROORGANIZMY MOŻNA WYKORZYSTAĆ DO BIOSYNTEZY SCP?
Grzyby (głównie pleśniowe)
Drożdże
Bakterie
Ze względu na wartości odżywcze i bezpieczeństwo
stosowania:
odpowiednim składem chemicznym biomasy,
odpowiadającym wysokoodżywczym produktom
spożywczym i paszowym (wysoką zawartością białka,
tłuszczu, węglowodanów i witamin, brakiem substancji
antyżywieniowych, niską zawartością kwasów nukleinowych);
Drobnoustroje używane do biosyntezy białka powinny odznaczać się:
właściwościami syntetyzowania korzystnych i
wymaganych w środkach odżywczych, substancji
o działaniu oligodynamicznym (witamin i
specyficznych organicznych połączeń związków
mineralnych);
brakiem zdolności syntezy substancji
toksycznych;
brakiem zdolności adsorpcji substancji
toksycznych lub rakotwórczych z pożywki
Ze względów technologicznych
zdolnością do wszechstronnego i maksymalnego
wykorzystania odżywczych składników podłoża
(węglowodanów, związków azotowych, kwasów
organicznych, alkoholi, aldehydów, substancji
mineralnych);
dobrze rozbudowanym kompleksem enzymów
oddechowych, warunkujących szybki wzrost
biomasy
odpornością na niekorzystne zmiany składu
podłoża i warunków hodowli;
korzystnymi cechami technologicznymi,
ułatwiającymi dalszą obróbkę technologiczną
biomasy (wydzielanie, dezintegrację itp.);
DROBNOUSTROJE WYKORZYSTYWANE DO OTRZYMYWANIA SCP:
Drożdże: Saccharomyces cerevisiae,
Saccharomyces carlsbergensis, Candida utilis,
Candida tropicalis, Candida lipolytica,
Kluyveromuces marxianus
Grzyby: Fusarium gravinearum, Paecilomyces
varioti
Bakterie: Methylomonas, Methylococcus,
Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas,
Micrococcus