Основы генетики микроорганизмов

Генетика – наука о наследственности и изменчивости, которая изучает механизмы передачи наследственных признаков от материнской клетки к дочерней из поколения в поколение.

Носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты – ДНК (в основном) и РНК. ДНК локализуется в нуклеоиде у прокариот и в ядре у эукариот. Нуклеоид бактерий называют условной бактериальной хромосомой. Вдоль хромосомы в линейном порядке располагаются неоднородные генетические участки – гены. Каждый ген контролирует развитие определенных свойств организма. Совокупность генов, которыми обладает организм, составляет генотип, т.е. наследственные признаки, полученные им от материнской клетки. Сумма признаков, которые имеет генотип, реализованных в конкретных условиях, составляет его фенотип. В зависимости от условий организмы одного генотипа могут образовывать особи с разными фенотипами. Кроме хромосом, в некоторых бактериальных клетках содержатся внехромосомные генетические структуры – плазмиды. Это тоже молекулы ДНК.

Сохранение определенных свойств организма на протяжении ряда поколений называется наследственностью. Под влиянием экологических факторов наследственные признаки могут изменяться. Различают фенотипическую и генотипическую изменчивость.

При фенотипической изменчивости бактерии, образовавшиеся из одной материнской клетки, могут различаться между собой по ферментативной активности, морфологическим признакам, потребности в источниках питания. Фенотип не наследуется. Фенотипические изменения не затрагивают генотипа и могут носить временный характер. К фенотипической изменчивости относятся: физиологическая адаптация – изменение, связанное с приспособлением микроорганизмов к развитию в новых условиях жизни; диссоциация – культуральная изменчивость, когда, например, из засеянной на плотную питательную среду чистой культуры вырастают резко отличающиеся по морфологической структуре колонии (тип S – гладкие, тип R –шероховатые, тип М – слизистые); модификация – обратимые изменения, легко исчезающие при устранении условий, их вызвавших.

Генотип передается по наследству. Однако он подвержен изменениям в связи с тем, что генетическая информация, закодированная в ДНК, не стабильна и образуется в результате структурных изменений генов, приводящих к появлению нового признака. Это так называемая генотипическая изменчивость.

Мутация – внезапные, случайные наследственные изменения у микроорганизмов. Эти изменения стойкие, необратимые, передаются по наследству. Особенно часто получение стойких мутаций микроорганизмов

Возможно при воздействии лучистой энергии (рентгеновскими, ультрафиолетовыми лучами), некоторых химических веществ (азотистой кислотой и др.). Такие факторы называют мутагенными. Кроме мутаций к изменению наследственности приводят рекомбинации – изменение комбинации генов. Рекомбинации представляют собой процесс обмена фрагмента ДНК клетки-донора (клетки, передающей свойственный ей признак) с подобным фрагментом ДНК клетки-реципиента (клетки, воспринимающей новое для нее свойство). Рекомбинации осуществляются путем трансформации, конъюгации, трансдукции и фаговой конверсии.

Трансформация – перестройка генотипа клетки-реципиента под влиянием поглощенной из среды свободной ДНК, выделенной из микроорганизма-донора. Ее источником могут быть свежеубитые микроорганизмы.

Конъюгация (спаривание) – передача генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту путем их непосредственного контакта через цитоплазматический мостик.

Трансдукция – перенос генетического материала из одной клетки в другую бактериофагом.

Фаговая конверсия – это изменение свойств клетки (фенотипа), обусловленное заражением клетки фагом.

Процессы развития изменчивости микроорганизмов. Хотя и подчиняются общим биологическим законам, происходят гораздо быстрее, чем у растений и животных. Одной из задач генетики является улучшение полезных свойств уже применяющихся производственных рас микроорганизмов и выведение новых рас с ценными свойствами. Так, с помощью мутагенных факторов был получен штамм гриба рода Penicillium, обладающей повышенной способностью продуцировать пенициллин. Адаптация стала одним из методов селекции микроорганизмов для производственных целей, например

Адаптация дрожжей к спирту, высокой концентрации сухих веществ, высокой кислотности среды и т.п.

 

Биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, и их использование в пищевых производствах.

В пищевых производствах используются процессы, основанные на жизнедеятельности микроорганизмов – хемогетеротрофов (микроорганизмов, для которых источником углерода являются органические соединения, а для биосинтеза собственных биополимеров они используют энергию, выделяющуюся в результате окислительно-восстановительных реакций). По характеру субстрата, на который воздействуют хемогетеротрофные микроорганизмы, все процессы можно разделить на две основные группы: превращения органических веществ, не содержащих азота (различные виды брожения и окисления); превращения органических веществ, содержащих азот (гниение).

Превращения безазотистых органических веществ

Анаэробные процессы.

К анаэробным процессам относятся спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое брожение и брожение пектиновых веществ.

6.1.1.1. Спиртовое брожение. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, a также некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов. Основные возбудители этого брожения дрожжи-сахаромицеты, являющиеся факультативными анаэробами (рис.1). В аэробных условиях дрожжи получают энергию путем полного окисления моно- и дисахаридов до СО₂ и Н₂О, т.е. путем аэробного дыхания. Этот процесс лежит в основе производства хлебопекарных (прессованных) и кормовых дрожжей, где необходимо, чтобы сахар потреблялся, главным образом, на размножение дрожжей, в результате чего накапливалась бы значительная биомасса.

В анаэробных условиях необходимую для жизнедеятельности энергию дрожжи получают путем сбраживания моно- и дисахаридов по следующему суммарному уравнению:

С₆Н₁₂О₆ --» 2СНзСН₂ОН + 2СО₂ +118 кДж

Глюкоза Этиловый спирт

Рис.1. Дрожжи рода Saccharomyces

 

Процесс этот, как и любое брожение - сложный многоэтапный протекающий при участии комплекса разнообразных ферментов, имеющихся у дрожжей. Каждая стадия катализируется соответствующим ферментом.

Наряду с основными продуктами брожения в незначительных количествах образуются побочные продукты: глицерин, уксусный аль­дегид, уксусная и янтарная кислоты, сивушные масла (смесь высших спиртов).

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения оказывают влияние многие факторы, состав сбражи­ваемой среды, содержание спирта, температура, рН, раса дрожжей.

Большинство дрожжей способы сбраживать моносахариды (глюкозу, фруктозу) и дисахариды (сахарозу, мальтозу). Некоторые дрожжи могут сбраживать пентозы (ксилозу, арабинозу). Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них от­сутствуют, поэтому крахмалистое сырье для бродильных производств предварительно подвергают осахариванию при участии ферментов амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10-15 % наиболее благоприятна для боль­шинства дрожжей.

В качестве источника азота для дрожжей наиболее благоприятны аммонийные соли органических кислот, могут использоваться также аминокислоты.

На дрожжи оказывает неблагоприятное действие этиловый спирт, накапливающийся в среде. Отношение различных дрожжей к спирту неодинаково. Угнетающее действие проявляется уже при кон­центрации 2-5об.%, брожение прекращается в большинстве случаев при 12-14 об.%. Имеются и спиртоустойчивые дрожжи, они выносят до 18 об.% спирта.

По отношению к температуре дрожжи-сахаромицеты подразде­ляются на верховые и низовые. Верховые (рис.2а), или дрожжи верхового бро­жения вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20-28⁰С, всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродиль­ных сосудов, образуя рыхлый осадок.

а б

Рис. 2. Дрожжи низового (а) и верхового (б) брожения

 

Низовые (рис.2б), или дрожжи низового брожения осуществляют более спокойное или медленное брожение, особенно если его ведут при тем­пературе 5-10⁰С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше. По окончании брожения дрожжи оседают на дно сосуда, образуя плотный осадок.

Спиртовое брожение протекает при кислых значениях рН 4 - 4,5. При подщелачивании среды до рН 8 или при введении в среду сульфи­та (или бисульфита) натрия дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин (до 40% по отношению к сброженному сахару). Это так называемая глицериновая форма спир­тового брожения:

2С₆Н₁₂О₆ + Н₂О = 2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + СН₃СН₂ОН +

глюкоза глицерин этиловый спирт

 

+ СН₃СООН + 2СО₂ + Х кДж

уксусная

кислота

Этот процесс используется для промышленного получения гли­церина, применяющегося в различных отраслях промышленности.

Ряд пищевых производств основан на жизнедеятельности дрожжей-сахаромицетов, вызывающих спиртовое брожение. Оно ле­жит в основе производства этилового спирта, пива, вина, а также хле­бопечения.

Совместно с молочнокислым брожением оно используется для производства кваса, кефира, кумыса. Дрожжи, используемые на том или ином производстве, обладают специфическими качествами. Более того, в одном и том же производстве могут применяться разновид­ности одного и того же вида, отличающиеся между собой одной или несколькими особенностями. Такие культуры обычно называют раса­ми (штаммами). Их получают, как правило, из одной клетки. Каждое производство располагает несколькими расами, удовлетворяющими определенным требованиям.

Этиловый спирт находит широкое применение во многих отрас­лях народного хозяйства. Основными потребителями спирта являются пищевая, медицинская и химическая промышленности. Ведущиеся ис­следования и разработки показали, что спирт может быть использован и как источник углерода для производства биомассы микроорганиз­мов, в частности, дрожжей. Кроме того, в ряде стран ведутся работы по использованию спирта в качестве транспортного топлива.

Сырьем для производства пищевого этилового спирта служат уг­леводы' растительного происхождения (картофель, злаки, сахарная свекла) и отходы свеклосахарного производства (меласса). Для получе­ния технического спирта используются отходы целлюлозно-бумажной промышленности (сульфитный щелок), гидролизаты древесины и различных сельскохозяйственных отходов.

Производство пищевого этилового спирта включает следующие основные стадии: подготовку сырья для сбраживания; сбраживание сусла; отгонку спир­та из бражки и его очистку. Каждая стадия имеет свои технологические особенности, обуславливаемые используемым сырьем.

Крахмалосодержащее сырье в процессе подготовки к сбражива­нию разваривают и подвергают осахариванию - гидролизу крахмала амилолитическими ферментами. В качестве источников ферментов используется солод - проросшее и высушенное зерно злаковых культур, и микробные ферментные препараты.

Подготовка мелассы для сбраживания включает разбавление ее водой и добавление источников фосфора и азота.

Для производства спирта применяют расы верховых дрожжей S. cerevisiae, быстро размножающиеся, обладающие активным комплек­сом ферментов, спиртоустойчивые и способные переносить высокие концентрации сухих веществ в среде.

Дрожжи - возбудители брожения, предварительно выращивают в аэробных условиях на сусле, подкисленном серной кислотой.

Основной стадией производства спирта является брожение. Обычно в спирт сбраживают сусло с 13-15 % сахаров при температуре 29-32^ОС, рН 4,2-5,2. Процесс брожения ведут 2-3 суток.

По окончании брожения дрожжи выделяют из сброженного сусла (бражки), а спирт - отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получают спирт - сырец, который далее подвергается ректификации.

Выделенные из бражки спиртовые дрожжи после промывания и прессования используют в качестве хлебопекарных дрожжей, Отходом спиртового производства является СО₂ и барда (остаток после отгонки спирта), которую используют как корм для животных или как пита­тельную среду для выращивания кормовых дрожжей.

Производство пива

Пиво — слабоалкогольный напиток — получают путем сбра­живания охмеленного сусла специальными расами дрожжей. Вкус и аромат его создают экстрактивные вещества, извлечен­ные из солода, горькие и ароматические вещества хмеля, а также этиловый спирт, углекислый газ и другие продукты брожения. Сортовые различия пива определяются типом используемого со­лода, количеством и видом добавляемых неосоложенных продук­тов. Процесс производства пива включает ряд стадий: изготовле­ние солода из ячменя, получение охмеленного сусла, сбражива­ние сусла, дображивание и созревание молодого пива, фильтра­цию и розлив.

Пивные дрожжи, используемые в пивоваренной промышлен­ности, обладают высокой флокуляционной способностью, медлен­но и полно оседают при осветлении молодого пива в конце глав­ного брожения и готового — в конце дображивания. Они активно сбраживают глюкозу и фруктозу, медленнее — мальтозу и еще медленнее — трисахарид мальтотриозу. Декстрины не сбражи­ваются и играют важную роль в создании полноты и вкуса пива. Пивные дрожжи в незначительном количестве накапливают выс­шие спирты, диацетил и сернистые соединения, а также обеспе­чивают насыщенность пива углекислотой. В настоящее время в СССР в пивоваренной промышленности применяют главным образом дрожжи S. cerevisiae низового брожения (наиболее широко используют расы 776, 41, 44, S-Львовская, 11, 8а(М), а также расы Р и F).

При производстве пива могут развиваться посторонние виды дрожжей. Они ухудшают процесс брожения и осветления пива, вызывают его помутнение, придают посторонний вкус и запах. Описано около 30 видов «диких дрожжей», инфицирующих пиво. Однако детальное изучение свойств многих из них показало, что многочисленные «виды» в большинстве случаев являются мутантами культурных дрожжей. В настоящее время предложено рассматривать такие «виды» как синонимы S. cerevisiae.

Микробиология вина. Вино – продукт спиртового брожения виноградного или плодово-ягодного соков (сусла). Состав сусла разнообразен, но все они являются хорошей питательной средой не только для культурных винных дрожжей, но и для нежелательных микроорганизмов – вредителей производства, которые представлены главным образом аэробными дикими дрожжами, молочнокислыми и уксуснокислыми бактериями. Сусло предварительно сульфитируют (обрабатывают SO₂), а затем подвергают брожению. Сернистый ангидрид является не только антисептиком, но и антиоксидантом. Он связывает кислород, понижая окислительно-восстановительный потенциал среды и тем самым предотвращая развитие аэробных микроорганизмов.

Для брожения применяют чистые культуры винных дрожжей низового брожения Saccharomyces cerevisiae (S. ellipsoideus, S.oviformis), которые селекционированы для определенных типов вин. При выборе производственных рас дрожжей руководствуются определенными требованиями. Винные дрожжи должны полностью выбраживать сусло, быть устойчивы к повышенному содержанию сахара, спирта и SO₂, к низкому значению рН, хорошо и быстро флокулировать. В процессе брожения дрожжи образуют этиловый спирт, диоксид углерода и побочные продукты (глицерин, уксусный альдегид, органические кислоты и другие соединения). В зависимости от используемого сырья, биологических особенностей применяемой расы дрожжей и характера технологического процесса получают различные вина.

В сбраживаемое сусло и виноматериал из сырья, воздуха, воды и оборудования попадают посторонние микроорганизмы, вызывающие болезни вина. Так пленчатые дрожжи родов Pichia, Hansenula, Candida и Hanseniaspora являются аэробами, развиваются на поверхности вина в виде пленки и вызывают так называемую цвель вина. Они окисляют углеводы, спирт и органические кислоты, образуя летучие кислоты и эфиры, придающие вину острый вкус и неприятный посторонний запах, кроме того вино мутнеет. Скисание вина вызывают гетероферментативные молочнокислые бактерии. Больное вино мутнеет, тускнеет, приобретает острый сладковато-кислый вкус, иногда с мышиным привкусом.

Распространенной и опасной болезнью столовых вин является уксусное скисание, вызываемое уксуснокислыми бактериями. На поверхности вина образуется тонкая сероватая пленка. Вино приобретает запах и вкус уксусной кислоты; значительно снижается содержание спирта.

Некоторые уксуснокислые и молочнокислые бактерии, а также дикие дрожжи вызывают ослизнение (тягучесть) вин – болезнь, называемую ожирением.

Для предохранения от микробной порчи вина пастеризуют, вводят антисептики (SO₂, сорбиновую кислоту и ее соли). Эффективна «холодная» стерилизация, т.е.обработка ультразвуком, ультрафиолетовыми лучами и т.п.).