Задание 13.

ТЕМА ЗАНЯТИЯ:Получение аминокислот с применением методов биотехнологии.

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:Изучение особенностей биотехнологического получения аминокислот: лизина, треонина, триптофана и глутаминовой кислот, а также возможностей получения аминокислот с помощью иммобилизованных ферментов.

Вопросы, выносимые на семинар:

1. Перечислите сферы практического применения аминокислот.

2. Перечислите и охарактеризуйте преимущества и недостатки основных способов получения аминокислот.

3. Укажите продуценты, используемые для получения аминокислот. Поясните особенности производства аминокислот с применением ауксотрофных мутантов.

4. Охарактеризуйте стадии биотехнологического производства глутаминовой кислоты.

5. Охарактеризуйте значение лизина для жизнедеятельности живых организмов. Рассмотрите этапы становления лизиновой промышленности. Приведите сравнительную характеристику методов получения лизина. Поясните, с какими проблемами связано становление лизинового производства.

6. Рассмотрите технологическую схему микробиологического производства лизина.

7. Перечислите, какие группы продуктов можно получить при реализации лизинового производства. Поясните особенности их получения.

8. Объясните сущность химико-энзиматического способа получения лизина.

9. Поясните особенности одноступенчатого синтеза триптофана с помощью бактериальных ауксотрофных мутантов.

10. Охарактеризуйте особенности двухступенчатого синтеза триптофана.

11. Охарактеризуйте классы ферментов, применяемых для биосинтеза аминокислот. Охарактеризуйте процесс разделения рацемических смесей D- иL-аминокислот с помощью иммобилизованных ферментов.

12. Разъясните особенности получения L-аспарагиновой кислоты с использованием иммобилизованных ферментов.

13. Охарактеризуйте возможности получения L-тирозина иL-диоксифенилаланина (ДОФА) с помощью иммобилизованных ферментов.

14. Поясните особенности получения аминокислот в результате осуществления ферментативных превращений циклических соединений.

Задание 1:Изучить учебный материал.

Учебный материал.

1. Общая характеристика аминокислот и основных способов их получения.

Среди наиболее важных для промышленности метаболитов можно выделить, прежде всего, аминокислоты, находящие применение во многих сферах производства: 1) в качестве пищевых добавок, например, лизином, триптофаном и треонином обогащают растительные белки, а метионин включают в блюда из сои; 2)в роли усилителей вкуса; 3)в медицине(лекарственные препараты, смеси для парентерального питания), а некоторые аналоги аминокислот используют в лечении психических заболеваний; 4)в химической и фармацевтической промышленности аминокислоты широко используют как предшественники в производстве детергенов, полиаминокислот, полиуретана и т.п.; 5)в сельском хозяйстве (кормовые балансирующие добавки),

Возможны три способа промышленного получения незаменимых аминокислот: гидролиз белков растительного и животного происхождения, химический и микробиологический синтез.

Более 60% всех производимых промышленностью чистых препаратов аминокислот получают путем микробиологического синтеза.На втором месте по объему производства находитсяхимический синтез.Основным недостатком химического синтеза является получение смеси аминокислот, состоящей из изомеров, относящихся как кD- так и кL-ряду, тогда как биологической активностью в организме человека и животных обладают лишьL-изомеры, аD-изомеры аминокислот не перерабатываются их ферментными системами, кроме того, некоторые из них токсичны для человека и животных. Исключением в этом отношении является аминокислота метионин, у которой биологически активными являются какD-, так иL-изомеры, в связи, с чем данная аминокислота производится преимущественно путем химического синтеза.

Технологии получения аминокислот за счет гидролиза белковэкономически менее выгодны, поэтому они не получили широкого распространения.

Микробиологический способ производства аминокислот, дающий в настоящее время самые высокие технико-экономические показатели по сравнению с другими методами, включает не только биосинтез аминокислот высокоактивными штаммами-продуцентами (способными накапливать в культуральной жидкости не менее 60 г/л синтезируемой аминокислоты), но и технологические операции по получению различных товарных форм. При микробиологическом синтезе образуются толькоL-аминокислоты.

На всех этапах технологического процесса за время, прошедшее с момента его первой практической реализации в СССР (конец 60-х годов), был достигнут значительный прогресс:

• исследован широкий спектр сырьевых источников (меласса тростниковая и свеклосахарная, сахар-сырец, глюкозный сироп, фуражное зерно);

• расширена номенклатура производимых аминокислот (лизин, триптофан, глутаминовая кислота, лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин);

• освоены полупериодический, объемно-доливной и непрерывный процессы биосинтеза аминокислот;

• разработаны математические модели и алгоритмы оптимального управления процессом биосинтеза аминокислот;

• освоено использование мембранных методов при выделении аминокислот;

• предложено применение энергосберегающих методов при получении готовых препаратов;

• достигнута экологическая безопасность производства аминокислот;

• подготовлены исходные данные на разработку АСУ ТП производства кристаллических аминокислот и их кормовых концентратов.

Достигнутые к настоящему моменту в лабораторных условиях показатели обеспечивают при наличии инвестиций создание конкурентоспособных производств перечисленных выше аминокислот. Унификация биотехнологии аминокислот позволяет производить их на типовой модульной технологической линии.

Чаще всего для микробиологического синтеза аминокислот используют ауксотрофные мутантные штаммы, которые получают обычными методами селекции или генной инженерии. С помощью мутагенных факторов у таких ауксотрофных штаммов индуцируется мутация, в результате которой прекращается или ингибируется синтез одного из продуктов, оказывающих регуляторное воздействие на ферментные системы, катализирующие образование данной аминокислоты, в результате чего концентрация этой аминокислоты в клетках мутанта и в культуральной жидкости повышается.

На основе культивирования микроорганизмов с целью получения чистых препаратов аминокислот применяют промышленные технологии, включающие одно- и двухступенчатый синтез аминокислот.

При одноступенчатом синтезе в промышленных культиваторах выращивают ауксотрофные регуляторные мутанты, являющиеся сверхпродуцентами тех или иных аминокислот. После завершения рабочего цикла их выращивания культуральную жидкость отделяют от клеток микроорганизмов, сгущают и получают из нее товарный продукт с высокой концентрацией синтезированной микробами аминокислоты.

В процессе двухступенчатого синтеза аминокислоты вначале получают ее предшественник (часто наиболее дешевым химическим синтезом), а затем с помощью ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, превращают предшественник в аминокислоту, при этом образуется толькоL-изомеры. В качестве источника фермента могут быть использованы либо суспензия клеток микроорганизмов, либо полученный после разрушения этих клеток ферментный раствор.

2. Продуценты аминокислот.

Как уже отмечалось выше, в качестве продуцентов аминокислот используют генетически измененные штаммы, обладающие способностью к сверхсинтезу аминокислот. Наиболее лучшими продуцентами аминокислот являются ауксотрофные мутанты, т.е. микроорганизмы, лишенные целого ряда ферментных систем, поэтому они очень требовательны к составу питательной среды, в которой должно присутствовать большое количество факторов роста. В качестве продуцентов аминокислот используютграмположительные бесспоровые бактерииродаCorynebacterium, родаBrevibacterium, родаMicrococcus.

Продуцирование аминокислот осуществляется внутри бактериальной клетки в виде свободных аминокислот, которые затем выделяют в окружающую среду. Наибольшее накопление аминокислот происходит в середине экспоненциальной фазы роста.