Разработка математической модели кинетики роста Lactococcus lactis и биосинтеза низина и ее использование для оптимизации процесса ферментации

• Автор: Осипов, Данила Сергеевич
• Шифр специальности: 03.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 198 с. : ил

1.1. Низин характеристика, биосинтез, ферментация.

1.1.1. История обнаружения низина

1.1.2. Характеристика и свойства низина

1.1.3. Единицы измерения и методы измерения низина.

1.1.4. Биосинтез низина культуройпродуцентом

1.1.5. Метаболизм культурыпродуцента низина.

1.1.6. Питательные среды для культурыпродуцента.

1.1.7. Ферментация продуцента низина.

1.2. Математическое моделирование как системный метод исследования биотехнологических систем

1.2.1. Моделирование микробиологического синтеза

1.2.2. Кинетические характеристики процесса биосинтеза

1.2.3. Кинетические модели удельной скорости роста биомассы
1.2.4. Модели диссимиляции отмирания биомассы.
1.2.5. Кинетические модели биосинтеза продуктов метаболизма
1.2.6. Разработанные кинетические модели биосинтеза
бактериоцинов
Выводы и постановка задачи
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Краткая характеристика штамма асососсия асЧя В .
2.2. Изучение динамики роста и биосинтеза.
2.3. Методы анализа.
Глава 3. Результаты и их обсуждение
3.1. Построение математической модели МБС низина.
3.2. Определение параметров модели
3.3. Обработка экспериментальных данных.
3.4. Выбор адекватной ММ МБС низина
3.5. Оптимизация процесса биосинтеза с использованием
разработанной ММ МБС низина
Глава 4. Практическая проверка и внедрение.
Основные результаты и выводы.
Библиографический список
Приложение 1.1 8
Приложение 2.
Приложение 3.
Приложение 4.
Приложение 5.
Приложение 6.
Приложение 7.
Приложение 8.
Основные обозначения и сокращения
АСБ абсолютно сухая биомасса БТС биотехнологическая система ДЭ дрожжевой экстракт МБС микробиологический синтез международные единицы ММ математическая модель СВ сухие вещества
ФБМ физиологобиохимическая модель
I ii i англ., международные единицы
П продуктивность, МЕмлч
С концентрация лактозы, гл
скорость разбавления, 1 ч
скорость подачи отбора среды, лч
объемный расход культуральной жидкости, отбираемой из аппарата для непрерывных процессов, лч
объемный расход подпитки, добавляемой в аппарат, лч концентрация АСБ в культуральной жидкости, гл концентрация молочной кислоты, гл Р концентрация продукта метаболизма низин, МЕмл скорость биосинтеза продукта метаболизма, глч
скорость деградации продуктов метаболизма, глч
скорость потребления субстрата, глч
x скорость роста биомассы, глч
x скорость отмирания биомассы, глч
Цм удельная скорость потребления субстрата на поддержание жизнедеятельности, 1ч
цт максимальная удельная скорость биосинтеза продукта метаболизма, 1 ч
дг удельная скорость биосинтеза продукта метаболизма,
удельная скорость потребления субстрата, 1 ч 6 концентрация лимитирующего субстрата ростового фактора, гл
время ферментации,ч V рабочий объем аппарата, л X концентрация живой биомассы, гл Хт концентрация мертвой биомассы, гл
У экономический коэффициент, выход единицы биомассы с единицы субстрата сХс
У рх выход единицы продукта с единицы биомассы 1Рс1Х
и удельная скорость роста биомассы, 1ч
р удельная скорость отмирания биомассы, 1ч
, максимальная удельная скорость роста биомассы, 1 ч
Введение


Пет доказательств о непереносимости низина человеческим организмом, а также о перекрестном действии с антибиотиками, применяемыми в медицине. Низин естественным образом содержится в молоке и сыре, а низинообразующие стрептококки встречаются в кишечнике, поэтому, можно допустить, что токсилогическое действие низина на человека маловероятно. Организация ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства рекомендовала использование низина в пищевой промышленности . В году Треймер и Фаулер предложили единицу измерения низина как активность, проявляемую 1 мкг коммерческого низина, выпускаемого фирмой i . Активность 1 мкг чистого низина составляет около МЕ. Предложенная единица измерения, была утверждена в качестве международной единицы Всемирной организацией здравоохранения в году. Разработано несколько методов для определения активности низина в культуральной жидкости, в продуктах питания и растворах низина. В году Кокс разработал метод для определения ингибирующих стрептококков в молоке . Метод базируется на определении скорости восстановления метиленовой синьки в молоке время необходимое для обесцвечивания в присутствии низинпродуцирующих стрептококков увеличивается. В качестве контроля можно использовать термофильную тесткультуру i i . Широко применяется метод титрования на лотках с агаровой средой с использованием тесткультур i и i . Метод основан на линейной зависимости зон ингибирования от концентрации низина. Так как низин часто присутствует в полимерной форме, то для улучшения его диффузии в агаровую среду предложено вводить Твин или Твин . МЕмл . В г. Херстом . Метод заключается в выращивании тесткультуры i в бульоне при различных концентрациях низина, рост культуры останавливается добавлением органических соединений мышьяка, далее определяют оптическую плотность при длине волны 0 нм и концентрацию низина по калибровочной кривой. Диапазон метода 4 МЕмл. Дополнительное преимущество метода в том, что не требуется асептичность при его проведении. Матсузаки предложил метод определения низина с применением хроматографии высокого давления с обращенной фазой с x i 6Е колонкой . Недавно Валстром и Сарис разработали метод биоанализа низина, основанный на биолюминесценции . Сконструирован штамм . Разработанный метод позволяет определять за 3 часа такие небольшие количества низина как 0. Для моделирования и оптимизации биосинтеза низина необходимо понимать физиологическую роль низина для культурыпродуцента. Херст в своей работе предлагает три гипотезы . Первая низин является вторичным метаболитом. Образование низина происходит после того, как синтезировано больше половины всей биомассы, и клетки реагируют на истощение необходимого для роста питательного компонента. Вудраф сделал предположение , что место выключения клетки начинают синтезировать низин, как средство поддержания функционального гомеостазиса до тех пор, пока не будут восстановлены лимитирующие источники питания. Вторая гипотеза утверждает, что низин это фактор доминирования, который обеспечивает преимущество организмапродуцента в плане биологического отбора. Бг. Третья гипотеза заключается в том, что низин оказывает регуляторное действие на рост организмапродуцента. При добавлении низина в среду до инокуляции рост культуры замедляется, но через некоторое время скорость роста сравнивается с контрольной величиной. Этот факт позволяет предположить, что рост культурыпродуцента начинается после инактивации низина. Хрст обнаружил, что синтез низина схож с рибосомным механизмом белкового синтеза . Ингрем установил, что лантионин и метиллантионин включается в молекулу низина в рибосомной системе, при этом предшественником лантионина и метиллантионина является серии, треонин и цистеин. Предполагается, что биосинтез предшественника низина пронизина происходит в рибосомах, а после молекула пронизина трансформируется в низин. Ферменты, участвующие в биосинтезе низина, расположены на внешней поверхности клетокпродуцентов и превращение пронизина в низин также происходит на внешней поверхности клеток .