Przemysłowe wykorzystanie mikroorganizmów

1. Krótka historia mikrobiologii przemysłowej 13 1.1. Wprowadzenie 13 1.2. Ery rozwoju mikrobiologii przemysłowej 14 1.2.1. Era przedpasteurowska (przed 1865 r.) 14 1.2.2. Era Pasteura (lata 1850–1890) 14 1.2.3. Era rozwoju biochemii i nowych produktów (lata 1890–1940) 15 1.2.4. Era antybiotyków (lata 1940–1960) 16 1.2.5. Era postantybiotykowa (lata 1960–1975) 18 1.2.6. Era nowej biotechnologii (po 1975 r.) 19 1.3. Główne procesy w mikrobiologii przemysłowej 24 1.3.1. Upstream processes 24 1.3.2. Procesy fermentacji 25 1.3.3. Downstream processes 25 1.3.4. Skale hodowli mikroorganizmów 25 1.3.5. Skala produkcji przemysłowej zależna od parametrów fermentacji 26 1.4. Bioaktywne związki pozyskiwane z organizmów 27 Literatura rekomendowana 31 2. Ulepszanie mikroorganizmów przemysłowych 33 2.1. Wprowadzenie 33 2.2. Metabolity produkowane przez mikroorganizmy 34 2.2.1. Metabolity pierwotne 34 2.2.2. Metabolity wtórne 37 2.3. Mikroorganizmy stosowane w mikrobiologii przemysłowej 39 2.3.1. Bakterie 39 2.3.2. Drożdże 40 2.3.3. Grzyby strzępkowe 41 2.4. Izolacja mikroorganizmów przemysłowych 42 2.5. Ważniejsze kolekcje szczepów 44 2.6. Cechy szczepów przemysłowych 47 2.7. Manipulacje genetyczne mikroorganizmów 48 2.7.1. Mutacje 49 2.7.2. Fuzja protoplastów 49 2.7.3. Klonowanie genów 50 2.7.4. Protokół pozyskania szczepu przemysłowego 51 2.7.5. Rekombinacja genetyczna 51 2.7.6. Metoda CRISPR/Cas 52 2.7.7. Inżynieria metaboliczna 54 2.8. Przechowywanie szczepów przemysłowych 58 2.8.1. Skosy/słupki agarowe 58 2.8.2. Przechowywanie szczepów w temperaturach ujemnych 58 2.8.3. Przechowywanie szczepów w szklanych kulkach 59 2.8.4. Szczepy liofilizowane 59 Literatura rekomendowana 59 3. Hodowle mikroorganizmów przemysłowych 61 3.1. Wprowadzenie 61 3.2. Hodowle okresowe 61 3.3. Hodowle okresowe z zasilaniem 64 3.4. Hodowle (fermentacje) ciągłe 66 3.5. Hodowle ciągłe z recyklingiem biomasy 67 3.6. Fermentacje 68 3.6.1. Fermentacja powierzchniowa w podłożu stałym (SSF) 69 3.6.2. Substraty stałe 72 3.6.3. Bioreaktory SSF 73 3.7. Fermentacja wgłębna (SmF) 80 3.7.1. Bioreaktory SmF 80 3.8. Wydajności w procesie fermentacji 86 3.8.1. Produktywność 86 3.8.2. Intensyfikacja fermentacji 87 3.8.3. Naturalne fermentacje zbóż 89 Literatura rekomendowana 90 4. Bakterie „workhorse” stosowane w mikrobiologii przemysłowej 91 4.1. Wprowadzenie 91 4.2. Escherichia coli 92 4.3. Corynebacterium glutamicum 96 4.4. Bacillus subtilis 102 4.5. Bacillus licheniformis 104 4.6. Pseudomonas putida 106 4.7. Vibrio natriegens 112 Literatura rekomendowana 112 5. Drożdże „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 115 5.1. Wprowadzenie 115 5.2. Enzymy spożywcze i paszowe produkowane przez drożdże 120 5.3. Metabolity produkowane przez drożdże 122 5.4. Katalityczne właściwości drożdży 124 5.5. Biofarmaceutyki produkowane przez drożdże 125 5.6. Inżynieria metaboliczna w Saccharomyces cerevisiae 127 5.7. Drożdże kumulujące oleje 128 5.8. Drożdże w strefie klimatu okołobiegunowego 129 5.9. Zastosowanie drożdży w przechowalniach płodów rolnych 130 5.10. Zastosowanie drożdży w środowisku 135 5.11. Saccharomyces cerevisiae 137 5.11.1. Produkcja chemikaliów 139 5.11.2. Kwas bursztynowy 139 5.11.3. Kwas itakonowy 140 5.11.4. Kwas 3-hydroksypropionowy 140 5.11.5. Kwas mlekowy 141 5.11.6. Produkcja wysokowartościowych związków chemicznych 142 5.12. Kluyveromyces lactis 143 5.13. Yarrowia lipolytica 146 5.14. Pichia pastoris 152 5.15. Hansenula polymorpha 156 5.16. Podsumowanie 162 Literatura rekomendowana 163 6. Grzyby strzępkowe jako „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 167 6.1. Wprowadzenie 167 6.2. Przykłady „workhorse” wśród grzybów strzępkowych 174 6.2.1. Aspergillus niger 174 6.2.2. Aspergillus oryzae 179 6.2.3. Aspergillus terreus 180 6.2.4. Aspergillus flavus 181 6.2.5. Aspergillus carbonarius 181 6.2.6. Penicillium chrysogenum 182 6.2.7. Trichoderma reesei 183 6.3. Znaczenie grzybów strzępkowych 188 Literatura rekomendowana 190 7. Enzymy produkowane w skali przemysłowej przez mikroorganizmy 191 7.1. Wprowadzenie 191 7.2. Enzymy produkowane przez mikroorganizmy o znaczeniu przemysłowym 193 7.2.1. Oksydoreduktazy (EC1) 193 7.2.2. Hydrolazy (EC3) 194 7.2.3. Izomerazy 203 7.2.4. Liaza 204 7.3. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych 204 7.3.1. Przemysł piekarniczy 204 7.3.2. Przemysł mleczarski 205 7.3.3. Produkcja napojów 206 7.3.4. Przemysł spożywczy 207 7.3.5. Przemysł paszowy 208 7.3.6. Przemysł farmaceutyczny i analityczny 210 7.3.7. Przemysł polimerowy 211 7.3.8. Przemysł papierniczy i celulozowy 211 7.3.9. Przemysł skórzany 212 7.3.10. Przemysł włókienniczy 212 7.3.11. Enzymy w kosmetykach 213 7.3.12. Enzymy w detergentach 213 7.3.13. Przemysł syntezy organicznej 214 7.3.14. Enzymy w oczyszczaniu ścieków 214 7.3.15. Inne gałęzie przemysłu 215 7.4. Podsumowanie 215 Literatura rekomendowana 217 8. Mikrobiologiczna produkcja napojów alkoholowych 219 8.1. Wprowadzenie 219 8.2. Związki organiczne obecne w napojach alkoholowych 220 8.3. Zanieczyszczenia w napojach alkoholowych 221 8.4. Produkcja piwa 222 8.4.1. Wprowadzenie 222 8.4.2. Rodzaje piwa 225 8.4.3. Szczepy stosowane do produkcji piwa 226 8.4.4. Jakościowy skład chemiczny piwa 226 8.5. Produkcja wina 228 8.5.1. Wprowadzenie 228 8.5.2. Szampan i wina musujące 229 8.5.3. Wina korzenne (wermuty), słodkie likiery i miody pitne 230 8.5.4. Fermentacja wina 231 8.6. Alkohole spirytusowe 234 8.6.1. Whisky 234 8.6.2. Rum 235 8.6.3. Winiaki 237 8.6.4. Pisco 240 8.6.5. Cachaça 241 8.6.6. Tequila 245 8.7. Wódki 249 8.8. Inne alkohole 249 8.9. Związki chemiczne w alkoholach 249 8.10. Niekonwencjonalna produkcja wyrobów alkoholowych 253 Literatura rekomendowana 257 9. Mikrobiologiczna produkcja rozpuszczalników 259 9.1. Wprowadzenie 259 9.2. Globalna produkcja etanolu 260 9.2.1. Biochemia fermentacji alkoholowej 261 9.2.2. Fermentacja alkoholowa prowadzona przez Saccharomyces cerevisiae 263 9.2.3. Fermentacja etanolowa prowadzona przez bakterie 264 9.2.4. Czynniki wpływające na produkcję etanolu 267 9.2.5. Surowce stosowane do mikrobiologicznej produkcji alkoholi 270 9.3. Mikrobiologiczna produkcja glicerolu 279 9.4. Fermentacja aceton–butanol–etanol (ABE) 281 9.4.1. Szlak produkcji 1-butanolu i izobutanolu 284 9.4.2. Produkcja 1-butanolu z biomasy celulozowej 288 Literatura rekomendowana 289 10. Mikrobiologiczna produkcja kwasów organicznych 291 10.1. Wprowadzenie 291 10.2. Kwas cytrynowy (C6H8O7) 291 10.2.1. Podstawy fermentacji kwasu cytrynowego 293 10.2.2. Natywne mikroorganizmy zdolne do produkcji kwasu cytrynowego 294 10.2.3. Surowce stosowane w fermentacji kwasu cytrynowego 295 10.2.4. Produkcja kwasu cytrynowego w hodowlach Aspergillus niger 295 10.2.5. Produkcja kwasu cytrynowego z zastosowaniem drożdży 298 10.2.6. Odzyskiwanie produktu fermentacji 299 10.2.7. Zastosowanie kwasu cytrynowego 300 10.3. Kwas mlekowy 300 10.3.1. Inżynieria genetyczna mikroorganizmów produkujących kwas mlekowy 301 10.3.2. Warunki produkcji kwasu mlekowego w procesie fermentacji 302 10.3.3. Rola hodowli bakteryjnych w produkcji kwasu mlekowego 302 10.3.4. Optymalizacja procesu fermentacji mlekowej 303 10.3.5. Oczyszczanie kwasu mlekowego 304 10.4. Kwas itakonowy (IA) 304 10.4.1. Inżynieria metaboliczna kwasu itakonowego Aspergillus terreus i Aspergillus niger 306 10.4.2. Zoptymalizowane warunki hodowli Aspergillus terreus DSM 23081 307 10.4.3. Zastosowanie kwasu itakonowego 307 10.5. Kwas octowy 308 10.5.1. Systemy produkcji kwasu octowego 308 10.5.2. Bakterie kwasu octowego 310 10.5.3. Skład chemiczny i jakość octu 311 10.5.4. Procesy starzenia octu 312 10.5.5. Ocena jakości produkowanego octu 312 10.6. Kwas glukonowy (GA) 313 10.7. Kwas bursztynowy 314 10.8. Inne kwasy organiczne 315 Literatura rekomendowana 315 11. Mikrobiologiczna produkcja aminokwasów 317 11.1. Wprowadzenie 317 11.2. Metody pozyskiwania aminokwasów 318 11.2.1. Ekstrakcja aminokwasów z hydrolizatów białkowych 318 11.2.2. Chemiczna synteza aminokwasów 320 11.2.3. Mikrobiologiczna produkcja aminokwasów 320 11.3. Procesy fermentacji związane z produkcją aminokwasów 323 11.3.1 Bakterie produkujące aminokwasy 323 11.3.2. Corynebacterium – „workhorse” w mikrobiologii przemysłowej 325 11.3.3. Pozyskiwanie i wykorzystanie substratu węglowego 326 11.3.4. Metabolizm azotu 327 11.3.5. Metabolizm fosforu 328 11.3.6. Metabolizm siarki 328 11.3.7. Przemysłowa produkcja L-lizyny w aspekcie historycznym 329 11.3.8. Genomy szczepów Corynebacterium glutamicum 330 11.3.9. Szlak syntezy L-lizyny przez Corynebacterium glutamicum 331 11.3.10. Maksymalna wydajność produkcji lizyny w hodowlach Corynebacterium glutamicum 333 11.3.11. Inżynieria metaboliczna w Corynebacterium glutamicum 335 11.3.12. Inżynieria metaboliczna w produkcji NADPH 337 11.3.13. Kwas glutaminowy produkowany przez Corynebacterium glutamicum 340 11.3.14. Biosynteza kwasu glutaminowego przez Corynebacterium glutamicum 341 11.3.15. Produkcja przemysłowa kwasu glutaminowego 342 11.3.16. Zastosowanie przemysłowe i rola terapeutyczna kwasu glutaminowego 343 Literatura rekomendowana 344 12. Mikrobiologiczna produkcja antybiotyków 347 12.1. Wprowadzenie 347 12.2. Podstawowa lista dziesięciu typów antybiotyków 352 12.2.1. Penicyliny 353 12.2.2. Tetracykliny 355 12.2.3. Cefalosporyny 356 12.2.4. Chinolony 356 12.2.5. Linkomycyny 359 12.2.6. Makrolidy 359 12.2.7. Sulfonamidy 360 12.2.8. Glikopeptydy 361 12.2.9. Aminoglikozydy 362 12.2.10. Karbapenemy 362 12.3. Przemysłowa produkcja penicylin, cefalosporyn i cefamycyny 363 12.3.1. Przemysłowa produkcja penicyliny 363 12.3.2. Półsyntetyczne β-laktamy 367 12.4. Streptomycyna 368 12.4.1. Mechanizm działania streptomycyny 368 12.4.2. Produkcja streptomycyny 369 12.4.3. Odzyskiwanie streptomycyny 370 Literatura rekomendowana 371 13. Mikrobiologiczna produkcja witamin i prowitamin 373 13.1. Wprowadzenie 373 13.2. Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach 376 13.2.1. Witamina A i prowitamina A 376 13.2.2. Witamina D 377 13.2.3. Witamina E 377 13.2.4. Witamina K 378 13.3. Witaminy rozpuszczalne w wodzie 378 13.3.1. Witamina B1 378 13.3.2. Witamina B2 378 13.3.3. Witamina B3 379 13.3.4. Witamina B5 380 13.3.5. Witamina B6 381 13.3.6. Witamina B7 382 13.3.7. Witamina B9 384 13.3.8. Witamina B12 384 13.4. Kwas askorbinowy 390 13.4.1. Szlaki syntezy kwasu askorbinowego 392 Literatura rekomendowana 396 14. Pigmenty produkowane przez mikroorganizmy 397 14.1. Wprowadzenie 397 14.2. Barwniki syntetyczne a naturalne pigmenty 398 14.3. Pozyskiwanie mikroorganizmów produkujących pigmenty 399 14.4. Nowatorskie strategie wzmacniające produkcję pigmentów bakteryjnych 400 14.5. Rodzaje pigmentów produkowanych przez mikroorganizmy 401 14.5.1. Pigmenty bakteryjne 404 14.5.2. Pigmenty grzybicze 404 14.6. Cechy pigmentów produkowanych przez mikroorganizmy 406 14.6.1. Pigmenty stosowane w przemyśle farmaceutycznym 407 14.6.2. Pigmenty jako barwniki stosowane w przemyśle włókienniczym 409 14.6.3. Pigmenty jako barwniki spożywcze 411 14.7. Lista pigmentów spożywczych 412 14.7.1. Pigmenty spożywcze bezpieczne dla zdrowia 412 14.7.2. Pigmenty spożywcze niebezpieczne dla zdrowia 416 14.7.3. Barwniki spożywcze o zalecanej ostrożności 421 14.7.4. Barwniki spożywcze podejrzane 421 14.8. Pigmenty powszechnie produkowane na drodze mikrobiologicznej w skali przemysłowej 422 14.8.1. Karotenoidy 422 14.8.2. Melaniny 423 14.8.3. Prodigiozyna 423 14.8.4. Wiolaceina 423 14.8.5. Ryboflawina 423 14.8.6. Piocyjanina 424 14.9. Mikrobiologiczna produkcja karotenoidów na skalę przemysłową 424 14.9.1. Główne szlaki biosyntezy karotenoidów 425 14.9.2. Naturalne źródła karotenoidów 425 14.9.3. Pozyskiwanie pigmentów karotenoidowych po fermentacji 425 14.9.4. Przykłady pigmentów karotenoidowych, ich zastosowanie oraz aktywność biologiczna 427 14.10. Podsumowanie 427 Literatura rekomendowana 428 15. Polimery produkowane przez mikroorganizmy i ich zastosowanie 431 15.1. Wprowadzenie 431 15.2. Poliestry 432 15.2.1. Mikroorganizmy produkujące PHA 433 15.2.2. Genetyczna regulacja produkcji PHA 434 15.2.3. Produkcja PHA przez Cupriavidus necator 435 15.2.4. Produkcja PHA przez rekombinant Escherichia coli 435 15.2.5. Zastosowanie PHA 435 15.3. Poliamidy 436 15.3.1. Biosynteza mikrobiologiczna γ‑PGA 438 15.3.2. Produkcja γ‑PGA 439 15.4. Polisacharydy bakteryjne 440 15.4.1. Ksantan 444 15.4.2. Lewan 450 15.4.3. Pullulan 453 15.4.4. Dekstran 459 Literatura rekomendowana 466