Дипломдық ЖҰмыс биополимерлерді синтездеудің микробиологиялық жолдарын зерттеу 5В070100-«Биотехнология» мамандығы

Сурет-6. Орташа тізбекті полигидроксиалканоат биосинтезінің метаболикалық жолдары

1.5 ПГА өндіру үшін қолданылатын субстраттар

Полигидроксиалканоат бағасының үлкен үлесі бастапқы шикізаттың үлесіне тиетіндіктен, бүгінгі күні зерттеулердің негізгі бағыты жаңа субстраттарды іздеумен, табумен және полигидроксиалканоат өндірісі үшін шикізат базасын ұлғайтумен тікелей байланысты. Сондықтан әртүрлі субстраттарды тиімді пайдалануға қабілетті жаңа штаммдарды іздей отырып, алдын белгілі және жақсы зерттелген бактериялық штаммдар көмегімен полигидроксиалканоат өсуі мен синтезі зерттеледі.

Субстраттар түрінде зерттеледі:

а) танымал субстраттар – сүт сарысуы, көмірқышқыл қоспалары және сутегі, фруктоза, маниока, глюкоза, меласса, метанол, лактоза, тапиока [61];

б) жаңа субстраттар - көмірсутекті қышқылдар, олеин, октан, пентан нонан және октан, ақуыз гидролизаттары, оның ішінде пептон және казеин, ксилоза, глюконат, гемицеллюлоз гидролизаттары, жануар және өсімдік тектес май қышқылдарының қоспалары, зәйтүн және пальма майы өндірісінің қалдықтары.

в) ерекше субстраттар – триглицеридтер, метакрил қышқылы және көмірді қайта өңдеу нәтижесінде пайда болған сұйық өнімдері.

Қант түрлі бактериялармен, сонымен қатар сутекті бактериялармен полигидроксиалканоаттарды синтездеу процесі үшін субстрат көзі ретінде қолданылады.

Полигидроксиалканоаттар бағасы жоғары дәрежеде оларды өндіру үшін жұмсалатын бастапқы шикізаттың бағасы негізінде анықталады, сол себепті зерттеулердің басты бағыттарының бірі арзан субстраттарды іздеуге және табуға негізделген. Полигидроксиалканоат биосинтезі үшін әртүрлі субстраттардың кең түрі пайдаланылады. Олардың қатарында: көмірқышқыл газы мен сутегі, спирттер, органикалық қышқылдар, қант, сонымен қатар өндіру процесі жағдайында алынатын қалдықтар: қант, майлар, гидролизаттар және токсикалық ерекше, арнайы субстраттар [62;63;64;65;66;67;68].

Полигидроксиалканоаттар биосинтезіне арналған шикізат түрін таңдап алу продуценттер штаммдарының физиолого-биохимиялық қасиеттеріне және таңдап алынған қолдану саласындағы дайын өнімнің экономикалық тұрғыдан бәсекелестігіне байланысты. Полигидроксиалканоаттар медициналық, фармакологиялық, тамақ, сонымен қатар коммуналдық және ауыл шаруашылықта, өнеркәсіптің түрлі салаларында жақсы қолдану үшін перспективалы болып келеді. Пайдалану саласына және дайын өнімнің сапасына қойылатын талаптарға байланысты полимерлер өндірісінің ауқымы әртүрлі болады. Мысалы, фармакология және медицина үшін 100 кг-дан ауыл шаруашылығы және орау үшін жыл сайын 100,000 тоннаға дейін. Сондықтан, әртүрлі пайдалану салалары үшін шикізаттың бағасы мен сапасына қойылатын талаптар түрліше болуы керек. Полигидроксиалканоат биосинтезі үшін шикізат көзі ретінде түрліше параметрлері бар түр-түрлі субстраттардың кең желісі қолданылуы мүмкін (1-кесте).

1.6 ПГА штамм продуценттері

Полигидроксиалканоат синтездеуге және жинауға қабілетті продуценттер штаммдарының жалпы саны 300 түрден асады; олардың ішінде продуценттің табиғи және генетикалық модифицирленген штаммдары бар. Ralstonia eutropha, Alcaligenes latus, Pseudomonas, Aeromonas, Rhodococcus ruber, Syntrophomonas wolfei және тағы басқа секілді продуценттер көміртегі көзі мен өсіру шарттарына байланысты полигидроксиалканоат кең, ауқымды спектрін синтездеуге қабілетті болып табылады. Танымал продуценттер штаммдарының қатарында – аэробты, анаэробты, гетеротрофты, хемоорганотрофты, фототрофты прокариоттар, хемоавтотрофты, олиготрофты полипростек бактериялары, анаэробты фототрофты бактериялар, аэробты фотобактериялар, архебактериялар және тағы басқалары бар [65;73;75;76;]. Ірі масштабты қолдану мақсатында бірінші орында бірнеше продуцент түрлерін қолданылып келеді: әртүрлі көміртекті субстраттарды қажетке қолдана алатын Ralstonia хемоорганотрофты штаммы, сонымен қатар гетеротрофты продуценттер штаммдары. Олар Pseudomonas, Methylotrophus, Azotobacter, Methylobacterium бактериялары [75;76;77;78;79;80;81]. Бүгінгі таңда генетикалық модифицирленген бактериялар – полигидроксиалканоат продуценттері штамдарын құрастыруға және зерттеуге арналған білімнің үлкен қоры жиналған. Полигидроксиалканоаттардың жоғары өнімді рекомбинантты продуцент штаммдары E.coli, Pseudomonas putida, сонымен бірге поли үш гидроксибутират синтезінің гендері бар Arabidopsis thaliana трансгендік жоғары өсімдіктері алынды. [68;70;77;82;83;84;85].

Полигидроксиалканоат продуцентінің штаммын таңдаудың басты қойылатын шарттары келесідей көрсеткіштер болып табылады: жасушалар мен полимердің биомассаны жақсы жинауы, полимердің биосинтезіне көміртегі субстратының кететін шығындары және полимердің химиялық құрамы (2-кесте). C.necator түрлеріне полимерлерді синтездеудің күшті жасушаішілік құрылымы тән. Осы топқа кіретін бактериялар өнеркәсіптік және ауыл шаруашылығы өндірісінің қалдықтарымын қоса, әртүрлі субстраттарда өсу жағдайында жоғары өнімділік көрсеткіш беретін түрлі химиялық құрылымдағы полигидроксиалканоаттарды шоғырландырады. R.eutropha табиғи штаммдары арқылы синтезделген полигидроксиалканоат негізгі мономер қысқа тізбекті үш-гидроксибутират болып табылады. Поли үш гидроксибутират өнімділігі арнайы режимдерде құрғақ биомасса салмағының 80 және 90%-ын құрауы мүмкін. РҒА СБ биофизика институтында жасалған R.eutropha бактерияларындағы полигидроксиалканоат түзілу заңдылықтарын кешенді зерттеу негізінде көп компонентті полигидроксиалканоат кең спектрін, оның ішінде жаңа химиялық құрылымдарды синтездеуге болатын биосинтез режимдері іске қосылды. [86;87;88;89;90;91].

Сонымен қатар Alcaligenes latus перспективалы полигидроксиалканоат продуценті болып табылады, дегенмен R.еutrophа-дан айырмашылығы, бұл бактериялар қандай да бір шектеулерсіз өнімді өсу процесі сәтінде полигидроксиалканоат синтездеу қабілеттілігімен сипатталады. Бұл бактериялар өсу жылдамдығының үлкен мәндері жағдайында полигидроксиалканоатты шоғырландыруына байланысты культивирлеу бір сатыдa немесе бүгінгі уақытта белгілі өнімнің ең жоғары мәндері кезінде ағынды режимде жүргізіледі. Ол он сегіз сағат ферментация үшін өнім және культурадағы полимердің концентрациясы 142 және 68 г/л жетеді [70]. Pseudomonas putida бактериялары глюкозада және құрамында май бар әртүрлі субстраттарда өсу процесі кезінде құрамы жағынан түрлі полигидроксиалканоат синтездеуге қабілетті болып табылаы. Көп компонентті полимерде: үш-гидроксигексаноат, үш-гидроксиоктаноат, үш-гидроксидеканоат негізгі басты мономер ретінде және көміртегі атомының 12-ден 14-ке дейінгі көміртекті атомдар тізбeгінің ұзындығы бар қаныққан және моноқанықпаған мономерлер сәйкестендірілді. Әр түрлі субстраттарда бактериялар көмегі арқылы полигидроксиалканоат жинақтау 2 кестеде берілген.

2-кесте. - Әр түрлі субстраттарда бактериялар көмегімен полигидроксиалканоаттар жинақтау. [ 65;67;73;75].