Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

2. Ионизирующая радиация. Большие дозы облучения подав­ ляют размножение микробных клеток, угнетают процесс деления ядра, изменяют строение нуклеиновых кислот, что влияет на обра­ зование характерных для данной клетки белков. Повреждаются также и другие структурные элементы цитоплазмы. Например, ми­ тохондрии под влиянием излучений не вырабатывают достаточ­ ного количества энергии, и многие процессы синтеза тормозятся. Было установлено также, что под влиянием космической радиа­ ции в наследственных структурах микроорганизмов возникают на­ рушения (хромосомные перестройки, слипание хромосом). Следо­ вательно, ионизирующие облучения нарушают биохимические и физико-химические процессы в клетке, причем при больших дозах облучения клетки могут погибнуть.

3.Ультразвуковые волны. Они вызывают ряд изменений жиз­ ненных проявлений микробной клетки вследствие возникновения больших электрических напряжений.

4.Температура окружающей среды. Это очень существенный фактор, определяющий не только интенсивность, но и возможность развития микроорганизмов. Жизнедеятельность каждого из них протекает в определенных температурных границах. Зависимость жизнедеятельности микробов от температуры определяется тремя кардинальными точками: минимумом, оптимумом и максимумом, различными для разных микроорганизмов.

Минимальной называется температура, при которой и ниже ко­ торой жизнедеятельность микробов замедляется или приостанав­ ливается. Оптимальная — это температура, при которой процессы происходят с наибольшей интенсивностью. Максимальная — тем­ пература, при которой клетки погибают, вследствие коагуляции белков цитоплазмы и инактивации ферментов. Для дрожжей кардинальные точки температуры колеблются в следующих пределах: минимум —0,5 ч 8 ° С, оптимум 25—33° С и максимум

40—55° С.

5.Давление. Микроорганизмы давление переносят хорошо, ме­ ханическое движение действует на них губительно.

Б и о л о г и ч е с к и е ф а к т о р ы . Между микроорганизмами, ко­ торые совместно присутствуют в среде, устанавливаются опреде­ ленные взаимоотношения.

1.Совместная жизнь двух микроорганизмов для них взаимно

выход биомассы благодаря своей способности усваивать, кроме гексоз и ксилозы, арабинозу и органические кислоты. Но эти гри­ бы более чувствительны к вреднодействующим веществам гидро­ лизных сред, чем дрожжи С. tropicalis, которые адсорбируют часть вредных веществ и дают возможность для развития гриба Trichosporon; последний синтезирует биотин, необходимый для жизнедеятельности дрожжей. Таким образом, симбиоз обычно по­ вышает выход общей биомассы дрожжей за счет лучшего исполь­ зования энергетического материала среды.

170

2.Один микроорганизм развивается за счет другого (парази­ тизм). Например, вирусы существуют только в цитоплазме живой клетки организма, который они разрушают.

3.На некоторых дрожжевых заводах наблюдается антагонизм между различными культурами дрожжей, причем иногда урожай­ ная активная культура вытесняется малопроизводительной.

4.Продукты жизнедеятельности одного вида микроорганизмов (антибиотики) губительно действуют на другие виды (см. стр. 237).

3.ИЗМЕНЧИВОСТЬ И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ

Микроорганизмы, как и другие организмы, претерпевают непре­ рывный процесс эволюции, в основе которого лежат изменчивость и наследственность. Под изменчивостью понимается существую­ щее разнообразие организмов и возникновение организмов с но­ выми признаками и свойствами. Наследственность — свойство жи­ вых организмов воспроизводить подобных себе в ряду поколений. Благодаря процессам изменчивости происходит образование но­ вых форм микроорганизмов, а благодаря наследственности новые признаки, свойства и качества их передаются по наследству.

Под влиянием внешних условий происходят изменения как не­ значительные, так и более значительные, как наследуемые, так и ненаследуемые. Наследственная изменчивость может быть для ор­ ганизма нейтральной, вредной и полезной. В ходе отбора полезные изменения закрепляются и передаются из поколения в поколение. Микроорганизмы могут изменять свои свойства в зависимости от состава питательной среды и под воздействием различных физиче­ ских, химических и биологических факторов. Под их влиянием мо­ гут изменяться как биохимические свойства (качественный и ко­ личественный состав ферментов, приобретение способности усва­ ивать новые питательные вещества), так и морфологические (внешняя форма, способность к спорообразованию).

Умело изменяя условия существования, можно вызвать соответ­ ствующие изменения в природе микроорганизмов и добиться стой­ ких изменений, передаваемых по наследству.

В настоящее время явление изменчивости и наследственности стало возможным изучать на молекулярном уровне, так как от­ крыта исключительно важная роль дезоксирибонуклеиновых кис­ лот в передаче признаков и свойств по наследству. Некоторые ис­ следователи считают, что в передаче наследственных признаков и свойств участвует не только ДНК, но и другие компоненты клетки.

Существуют три типа изменчивости микроорганизмов: модифи­ кации, длительные модификации и мутации.

Модификации — это изменения, возникающие у микробов под действием определенных условий внешней среды и сохраняющиеся в период действия этого внешнего фактора; модификационная изменчивость обратима и не передается по наследству. Приме­ ром модификации у микроорганизмов является адаптивный (при­ способленный) синтез ферментов. В культуре, адаптированной

171

к какому-либо фактору внешней среды, осуществляется индуциру­ емый синтез ферментов, обеспечивающих появление новых свойств и признаков. Используя меченые аминокислоты, удалось показать, что ферментативная адаптация, или индукция, сопровождается синтезом новых белков. Если прекращается синтез индуцируемых ферментов, т. е. из среды выводится вещество (индуктор), стиму­ лирующее их образование, то клетки восстанавливают свойства исходной культуры.

При продолжительном сохранении специфических условий, вы­ звавших изменения, последние закрепляются, становятся длитель­ ными и сохраняются в потомстве определенное время после воз­ вращения культуры микроорганизма в обычные условия. Такая изменчивость носит название длительной модификации.

Длительность сохранения модификационной изменчивости (да­ же, когда фактор, вызывающий изменение, перестал действовать) обеспечивается тем, что дочерним клеткам в процессе размноже­ ния передаются не только наследственные структуры, но и все продукты обмена веществ материнской клетки.

Физиологические условия, созданные внутри клетки действием какого-либо фактора, будут длительно воспроизводиться клеткой, обеспечивая видимость настоящего наследственного изменения. Однако в отличие от мутаций, длительные модификации не свя­ заны с изменением наследственных структур клетки. Таким обра­ зом, длительные модификационные изменения передаются в ряду поколений и сохраняются благодаря созданию устойчивых про­ цессов обмена веществ в клетке. Возможно, что при длительном воздействии факторов внешней среды могут произойти изменения в ДНК.

Под влиянием определенных физических и химических факто­ ров у микроорганизмов могут возникнуть внезапные необратимые изменения наследственных свойств и признаков. Такие изменения называются мутациями. Основной чертой мутационного процесса является химическое изменение отрезков молекул ДНК, т. е. ге­ нов, следствием чего и является возникновение новых признаков или качеств. Изменение одного или многих генов влечет за собой также перестройку структуры специфических белков — ферментов, что может вызвать нарушения в обмене веществ микроорганизма.

Чтобы вызвать изменение структуры ДНК, необходимо действие факторов на молекулярном уровне. Поэтому свойства, возникшие у мутантов (новых микроорганизмов), являются наследственно закрепленными независимо от продолжительности действия фак­ тора, вызвавшего эти изменения.

Изменяя условия жизнедеятельности микроорганизмов, можно изменять темп и характер мутаций. В настоящее время постав­ лена проблема получения направленных мутаций, полезных че­ ловеку.

Путем воздействия на культуру сильнодействующими факто­ рами (ионизирующей радиацией, химическими ядами) можно по­ высить наследственную изменчивость микроорганизмов в десятки

172

и сотни раз, благодаря чему ускоряется процесс отбора высоко­ продуктивных, полезных мутантов. Таким образом получены мно­ гие активные промышленные штаммы микробов, образующих большие количества антибиотиков, витаминов, аминокислот. Име­ ются данные о влиянии металлов, например меди, на появление хромосомных мутаций. Способность ионов металлов к образова­ нию комплексов с белками является причиной их мутагенной ак­ тивности. Особенно эффективным оказалось совместное воздейст­ вие металлов и ионизирующей радиации.

Для изменения природы микроорганизмов существуют различ­ ные методы.

1.Гибридизация (скрещивание)-— получение гибридов половым путем. Гибридизация основана на способности спор или половых клеток копулировать. У большинства дрожжей и дрожжеподобных грибов, используемых в гидролизной промышленности, половой процесс размножения отсутствует и к ним метод половой гибриди­ зации неприменим.

2.Трансформация — это передача определенных свойств одного вида микроорганизмов другому виду посредством каких-либо бел­ ковых компонентов клеток, продуктов их жизнедеятельности или нуклеиновых кислот. Так, если из одного микроорганизма выде­ лить ДНК и внести ее в другую культуру, то в последней появля­ ются клетки, получившие свойство первого микроба, причем это

свойство устойчиво передается по наследству. ДНК переносит с собой возможность развития в клетке определенных признаков. Следовательно, трансформация может иметь определенную прак­ тическую ценность как способ скрещивания микроорганизмов и получения гибридов с полезными свойствами.

3. Метод направленного приспособления — ферментативной адаптации. Применяется в гидролизной промышленности для по­ лучения культур дрожжей с новыми, полезными производству свойствами.

Изменение физиологических особенностей в этом случае свя­ зано с появлением новой ферментативной системы, образование которой происходит под действием специфических веществ среды. Так, для приобретения дрожжами способности сбраживать галак­ тозу их выращивали на средах, постепенно увеличивая в послед­ них концентрацию этого сахара. Через некоторое время (индук­ ционный период) произошел синтез фермента галактокиназы, бла­ годаря чему дрожжи начали хорошо сбраживать галактозу. Это новое свойство дрожжей передается по наследству, так как фак­ тор, вызвавший его, действует постоянно (галактоза входит в со­ став гидролизного сусла). Этот метод особенно эффективен при непрерывном выращивании микроорганизмов в определенной среде

иусловиях.

4.Методы селекции (отбора), основанные на использовании биохимических и биофизических свойств микроорганизмов. Се­ лекция наиболее эффективных культур микроорганизмов осущест­ вляется из производственных культур. Микроорганизмы можно

173