Генетика и биохимия микробного синтеза полигидроксиалканоатов

В настоящее время выделено и охарактеризовано более 50 структурных генов синтаз из разных микроорганизмов. ПГА - синтаза из R.eutropha состоит

Генетика и биохимия микробного синтеза полигидроксиалканоатов

Курсовой проект

Биология

Другие курсовые по предмету

Биология

Сдать работу со 100% гаранией

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

Кафедра физиологии растений и биотехнологии

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЕНЕТИКА И БИОХИМИЯ МИКРОБНОГО СИНТЕЗА ПОЛИГИДРОКСИАЛКАНОАТОВ

(Курсовая работа)

 

 

 

Н.Я. Бразгина

студентка 3 курса

Научный руководитель:

канд. биол. наук, доц.

И.В. Кожевников

 

 

 

Красноярск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1Физико-химические свойства биополиэстеров

1.2Метаболические пути синтеза

1.3Свойства и структура ПГА - синтазы, выделенной из R.eutropha

1.4Организация генов биосинтеза ПГА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

SUMMARY

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Полиэфиры гидроксипроизводных жирных кислот, полигидроксиалканоаты (ПГА), активно изучаются в настоящее время в связи с их биодеградируемостью, относятся к резервным макромолекулам и образуются прокариотами при несбалансированном росте [2].

Актуальность данной темы заключается в том, что сейчас ведутся активные исследования ПГА, в связи с тем, что биополимеры используются для производства биоразлагаемых материалов, таких как пленки, на основе целлюлозы, хитина и хитозана, желатина, полипептидов и др.

Также, полигидроксиалканоаты могут быть использованы в медицине в качестве матрицы для тканевой инженерии, получения хирургических и нетканых материалов, элементов для остеосинтеза, сосудистых протезов, систем доставки лекарственных веществ, и многого другого.

Способность микроорганизмов синтезировать полигидроксиалканоаты (ПГА) различного состава вызывает большой интерес в связи с возможностью направленного получения полимеров с заданными свойствами. Также способность микробных ПГА разрушаться в различных средах представляет собой одно из наиболее привлекательных их коммерческих свойств, поэтому является предметом специальных исследований.

Существенное внимание различными авторами уделяется бактериям Ralstonia eutropha (бывшее систематическое название Alcaligenes eutrophus) в связи со способностью этих бактерий аккумулировать ПГА с высокими выходами на различных субстратах, в том числе различного состава (гомогенный полигидроксибутират, более технологичные сополимеры гидроксибутирата с гидроксивалератом, а также трехкомпонентные полимеры).

Для индустрии ПГА представляет интерес способность бактерий Ralstonia eutropha синтезировать ПГА с высоким выходом в автотрофных условиях, используя для роста Н2 и СО2, то есть без дорогостоящих органических сред [4].

Разработка и освоение новых, экологически чистых материалов, включающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. В этой связи большой интерес вызывает класс экологически чистых биополимеров, в частности ПГА [3].

Целью данной работы было изучение микробных полигидроксиалканоатов по литературным источникам, рассмотрение их физико-химических свойств, их метаболические путей синтеза, изучение на молекулярно-генетическом уровне, а также обзор свойств и структуры ПГА - синтазы, выделенной из R.eutropha.

 

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.1Физико-химические свойства биополиэстеров

 

Полигидроксиалканоаты (ПГА) представляют семейство полиэстеров, имеющих термопластические и резиновые свойства, которые синтезируют прокариотические организмы в специфических условиях несбалансированного роста в качестве эндогенного депо энергии и углерода, используя для этого различные субстраты (сахара, органические кислоты, спирты и другое). Список микроорганизмов, способных с теми или иными выходами аккумулировать ПГА, быстро пополняется. К настоящему времени он насчитывает свыше 300 организмов. Однако, несмотря на имеющееся разнообразие микроорганизмов, аккумулирующих ПГА, для промышленного использования рассматривается очень небольшое число продуцентов. Среди них хемоорганотрофный организм Ralstonia (до недавнего времени известный как Alcaligenes), способный использовать различные источники углерода и гетеротрофные микроорганизмы, относящиеся к трем таксонам - Methylotrophus, Methylobacterium и Pseudomonas [9].

К настоящему времени идентифицировано свыше 100 различных ПГА, которые по химической структуре подразделяют на три группы: «short-chain-lenght», (SCL), состоящие из кислот с длиной углеродной цепи от С3 до С5; «medium-chain-lenght», (MCL) - от С6 до С14; и «long-chain-lenght», (LCL) с содержанием кислот С17 и С18. Однако только для некоторых из них реализованы условия синтеза в количествах, позволяющих исследовать их структуру и физико-химические свойства.

Линейная структура молекул ПГА придает им свойство термопластичности и изменения прочности (возрастание по направлению растяжения). При нагревании молекулярные цепи в ПГА легко сдвигаются относительно друг друга, в результате этого материал размягчается и приобретает текучесть. Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую ценность, так как позволяет с использованием различных методов (прессования, экструзии и др.) получать из ПГА разнообразные изделия и материалы. Следует отметить, что при переработке и прессовании широко используемых в настоящее время многих синтетических пластиков необходимы различные добавки (стабилизаторы, наполнители, красители и пр.). Этого не требуется при переработке полигидроксиалканоатов, которые хорошо формуются из растворов и расплавов. Гомогенный полигидроксибутират по механическим свойствам сходен с полипропиленом и полистерином, однако обладает лучшими газобарьерными свойствами (например, по отношению к кислороду) и большей устойчивостью к ультрафиолету, характеризуется также хорошей водостойкостью и теплоустойчивостью, при этом проницаемость водяного пара через него втрое ниже по сравнению с полипропиленом [1].

Температура плавления ПГА=180 ْÑ, ðàçëîæåíèÿ - ñâûøå 200 ْÑ, êðèñòàëëè÷íîñòü 50-80%, ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà 100-800 кДа. Преимущества разработки ПГА заключается в том, что они нетоксичны и биосовместимы; разрушаются в биологических средах до конечных продуктов (СО2 и Н2О); обладают антиоксидантными свойствами и пьезоэлектрическим эффектом; термопластичны, перерабатываются в изделия (пленки, полые формы, нити) из порошков, растворов и расплавов; не требуют технологических добавок; подлежат стерилизации общепринятыми методами; для синтеза используют доступные и дешевые отечественные реагенты.

Основное ограничение для коммерческой эксплуатации бактериального ПГА - высокая промышленная стоимость относительно этого для получения нефтяных товарных пластмасс, типа полиэтилена. Именно в этой перспективе синтез ПГА в генетически проектируемых предприятиях был замечен как перспективный подход для производства разлагаемых микроорганизмами полимеров на крупном масштабе и за низкую цену [15].

Среди охарактеризованных к настоящему времени полигидроксиалканоатов выделено несколько групп полимеров. Основные структуры ПГА можно иллюстрировать следующей схемой, показанной на рис.1:

 

n=1 R= водород поли (3-гидроксипропионат)

R= метил поли (3-гидроксибутират)

R= этил поли (3-гидроксивалерат)

R= пропил поли (3-гидроксигексаноат)

R= пентил поли (3-гидроксиоктаноат)

R= нонил поли (3-гидроксидодеканоат)

n=2 R= водород поли (4-гидроксибутират)

n=3 R= водород поли (5-гидроксивалерат)

Рис.1. Основные типы структуры полигидроксиалканоатов

 

1.2 Метаболические пути синтеза

 

На примере наиболее изученного из ПГА - полимера β-оксимасляной кислоты установлено, что пути его синтеза практически одинаковы у различных микроорганизмов (Alkaligenes, Azotobakter, Pseudomonas).

 

Рис.2. Биосинтез P (3HB-4HB) в рекомбинантном E. coli при использовании гетерологичных генов от Clostridlum kluyveri.

 

HB мономер в синтезе P (3HB-4I IB) получен из сукцината. В сукцинате преобразовывают 4HB-CoA ферменты, которые образовывают дугу закодированный генами от грамположительного, строго анаэробного C. kluyveri микроба.

В биосинтезе полигидроксиалканоатов ключевыми являются три фермента: β-кетотиолаза, ацетоацетил-КоА-редуктаза и ПГА-синтаза, которые кодируются соответственно генами phbA, phbB, phbC (Рис.3). Регуляция процесса синтеза ПГА может осуществляться на нескольких уровнях: на уровне экспрессии генов специфическими факторами среды (например, недостаток питательных элементов) или на уровне регуляции активности ферментов специфическими клеточными компонентами, являющимися их субстратами или ингибиторами. Возможен смешанный тип регуляции активности ферментов, участвующих в метаболизме ПГА. В самых первых работах, посвященных изучению механизма синтеза ПГА, было показано, что регуляция синтеза ПГА у R.eutropha осуществляется метаболитами на ферментативном уровне при ведущей роли внутриклеточной концентрации свободного коэнзима А, который ингибирует кетотиолазную реакцию у A.eutrophus, у Azotobacter beijerinckii, а также у Zoogloea ramigera. Установлено, что синтез ПГА стимулируется высокой внутриклеточной концентрацией НАДФН и высоким соотношением НАДФН/НАДФ.

 

Рис.3. Схематичное изображение ген

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>