Развитие исследований по микробиологической
СОДЕРЖАНИЕ: Изложены истоки биотехнологических исследований в микробиологии, основные работы микробиологов университета по биотехнологическому направлениюМ.Х. ШИГАЕВА
РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ В УНИВЕРСИТЕТЕ
(Казахский национальный университет имени аль-Фараби)
Изложены истоки биотехнологических исследований в микробиологии, основные работы микробиологов университета по биотехнологическому направлению
Любые научные исследования имеют свои истоки. Биотехнологические исследования в области микробиологии были начаты в Казахстане в 50-60 годы прошлого века чл.корр. АН Каз.ССР, д.б.н. Д.Л.Шамисом. Они были посвящены изучению хлебопекарных дрожжей, изготовлению микробных препаратов из молочнокислых, пропионовокислых, целлюлозолитических бактерий и дрожжей для силосования и дрожжевания кормов (Саубенова, Соколов, Чуканов).
Большую известность получили исследования в области антибиотиков, выполненные под руководством чл.корр. АН Каз.ССР д.б.н. П.А.Буланова. Основными объектами исследований служили стрептомицеты, выделенные из почв Казахстана. Получены исчерпывающие сведения о биологии основных продуцентов, химии новых антибиотиков, экологии стрептомицетов (Новогрудский, Балицкая, Ветлугина, Никитина, Сартбаева). Выявлены новые роды актиномицетов, продуцентов антибиотических веществ, изучены липиды актиномицетов (Хожамуратова, Чормонова, Касымбекова). Наиболее существенным достижением явилось получение д.б.н. Е.Т.Никитиной нового противогрибкового антибиотика розеофунгина и разработка новых методов физиологической селекции активных форм продуцентов. Созданы антибиотические препараты для растениеводства (Тулемисова, Мазунина).
Экологическая биотехнология получила развитие с работ академика А.Н. Илялетдинова, с именем которого связаны исследования в области биогеометаллургии, и д.б.н. Р.М. Алиевой. Научные основы получения противовирусных вакцин разрабатываются под руководством д.б.н. Березина.
С организацией кафедры микробиологии биотехнологические исследования получили развитие и в стенах Казахского государственного национального университета. С самого начала, продолжая традиции казахстанских микробиологов и опираясь на опыт первых микробиологов университета, кафедра в качестве основного направления избрала селекцию и физиологию микроорганизмов, составляющих основу микробиологической технологии.
Селекционные исследования имеют целью повышение активности продуцентов полезных веществ и поиски новых культур для расширения круга микробиологических объектов биотехнологии. Получены мутантные, более продуктивные формы S.griseus, продуцента кормового антибиотика гризина, холодостойкие штаммы винодельческих дрожжей и дрожжи с высоким содержанием белка.
Поиски природных культур микроорганизмов относятся к трудоемким, но важным этапам исследования. Облегчается работа в тех случаях, когда субстрат является местом пребывания или жизнедеятельности определенных групп микроорганизмов и одновременно служит сырьем для биоконверсии. Так, для выделения культур молочнокислых бактерий, представляющих интерес для хлебопечения, использовалась мука различного помола из разных географических зон Казахстана. Это позволило, с одной стороны, оценить и сопоставить разнообразие видового состава, а с другой - выделить ряд штаммов, активных по кислотообразованию и антибиотическому действию (Шигаева, Челикбаев, Сагындыкова).
Изучение микрофлоры кумыса, произведенного в Узын-агачском районе Алматинской области, позволило отобрать новую разновидность лактозосбраживающих дрожжей - Torulopsis kefir var. kumis (Оспанова, Шигаева) и использовать их вместе с местными и производственными штаммами молочнокислых бактерий для создания заквасок из чистых культур. В качестве пищевого продукта кумыс является хорошим субстратом, в котором естественным путем создается своеобразная ассоциация молочнокислых бактерий и дрожжей. Исследования в этом направлении были продолжены совместно с итальянскими микробиологами.
Изучение микрофлоры кумыса из различных хозяйств обширной территории, включающей степные, пригородные (высота 600 м над уровнем моря) и высокогорные области (высота 1000-3000 м над уровнем моря) позволило выявить, что дрожжевая микрофлора кумыса довольно разнообразна и представлена как лактозосбраживающими, так и не сбраживающими лактозу видами. Дальнейшие исследования показали перспективность изучения одних и тех же образцов заквасок разными лабораториями. Так, итальянскими коллегами обнаружены виды, сбраживающие галактозу, но не лактозу. Нами они не были обнаружены, но выделены лактозосбраживающие культуры вида Torulopsis spherica. Эта культура на сыворочной среде, обогащенной лактозой, образовывала до 5,2% этанола и одновременно обладала активной галактозимазной ферментативной системой (Цзю).
Последние несколько лет были посвящены изучению молочнокислых бактерий шубата, совершенно не исследованного казахстанскими микробиологами и мало исследованного микробиологами сопредельных стран с развитым верблюдоводством. Шубат по сравнению с кумысом является менее кислым напитком. Исходя из этого, в первую очередь, наше внимание было обращено на видовой состав молочнокислых стрептококков. Показано, что видовой состав и численность популяций каждого вида зависели от климатических условий.
Своеобразной нишей для микроорганизмов являются насекомые, микрофлора которых также слабо изучена. С поверхности тела некоторых насекомых (пчел, тли и др.) выделены культуры дрожжевых организмов, идентифицированных как Aureobasidium pullulans. Они представляют как практический интерес, в качестве продуцентов экзополисахаридов, так и теоретический - для изучения процессов морфогенеза (Цзю, Игнатова).
Грант USAID позволил развить на кафедре и исследования в области экологической биотехнологии, которые были начаты с селекционных работ. Вопреки установившемуся мнению о повсеместности распространения углеводородокисляющих микроорганизмов, выделение их предпочитают проводить из нефтезагрязненых природных систем. Действительно, было показано, что численность углеводородокисляющих бактерий тем выше, чем больше степень загрязненности почв нефтью. Для выделения культур, толерантных к высоким концентрациям нефти, была модифицирована общепринятая методика селекции и выделены культуры разного таксономического ранга - бактерии, актиномицеты, дрожжевые организмы (Мукашева, Есенбаева). В планах кафедры изучение последних не только на предмет их использования в качестве деструкторов нефти и нефтепродуктов, но и выявления их способности к биоконверсии углеводородов нефти.
На кафедре начата работа по изучению роли микроорганизмов в подвижности тяжелых металлов и радионуклидов в почвах (Жубанова, Садыков). Эти исследования проводятся совместно с Национальным ядерным центром РК (Институт ядерной физики).
Разработанная проф. А.А.Жубановой и заведующей лабораторией ИЯФ, к.б.н. Г.С.Айдархановой учебная программа оригинального спецкурса Технология биоремедиации почв после экологических катастроф. Теоретические и практические аспекты стала обладателем гранта фонда Сорос-Казахстан.
Определенные успехи имеются и в изучении физиологии практически значимых культур. Так выявлены их специфические особенности и отличия от ранее известных биотехнологически значимых объектов.
Среди сине-фиолетовых стрептомицетов группа S.сoelicotor отличается слабо выраженными антибиотическими свойствами. Тем не менее, П.А. Буланов и А.К. Белицкая отстаивали мнение, что и такие культуры заслуживают внимания, что и было подтверждено получением нового антибиотика целикомицина, продуцируемого S. сoelicotor. Эти исследования позволили также обнаруженить среди представителей этого и близкородственных к нему видов продуцентов антибиотиков типа бактериоцинов. Такая способность была выявлена у 10 культур из проверенных 80. Показано, что образование бактериоциноподобных веществ детерминируется плазмидой (Мукашева).
Среди молочнокислых бактерий, выделенных из природных источников, ведется поиск культур, подавляющих рост бактерий, вызывающих картофельную болезнь хлеба (Жубанова, Тулемисова, Чижаева, Абдиева), микроорганизмов, вызывающих порчу мяса (Жубанова, Бужеева).
Важное место в биотехнологических исследованиях отводится проблеме стимуляции метаболизма промышленных микроорганизмов. Постоянно ведутся поиски новых подходов и способов стимуляции продуктивности микроорганизмов. Один из этих подходов заключался в опосредованном воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения на физиолого-биохимические свойства пивных и винных дрожжей, что выражалось в интенсификации роста и бродильной активности (Цзю, Джаманова). Лучи гелий-неонового лазера способствовали также повышению жизнеспособности штаммов T.ferrooxidans с низкой окислительной активностью (Канаев, Жаппергенова).
Показано, что порошок листьев стевий и биосластин (продукт переработки корня солодки) интенсифицируют микробиологические процессы в тесте, сокращают сроки его созревания и, кроме того, могут быть использованы в качестве сахарозаменителей при производстве пшеничного хлеба (Шигаева, Буеш).
На основе скрининга среди полусинтетических препаратов на основе растительных соединений, выявлены вещества, обладающие стимулирующим влиянием в отношении спиртообразующей активности дрожжей - сахаромицетов. Промышленные испытания, проведенные на заводе Ташкентвино, подтвердили этот эффект. Изучены механизмы стимулирующего действия этих препаратов (Жубанова, Дощанова).
Необходимым этапом для рекомендации новых культур производству является отработка оптимальных режимов культивирования продуцента (состав питательной среды и условий роста). Полученные на кафедре штаммы A.pullulans оказались перспективными продуцентами экзополисахаридов типа пуллулана. По основным биотехнологическим параметрам (эффективности конверсии углеродного субстрата, выхода конечного продукта, экономическому коэффициенту) они не уступают известным в мире продуцентам пуллулана. Разработан лабораторный регламент получения экзоглюкана (Цзю, Пак).
В рамках фундаментальных исследований государственной программы МОиН РК изучался морфогенез штаммов A.pullulans и влияние факторов внешней среды на их фазовое состояние и полиморфизм. Установлена гетерогенность популяции в дрожжевой фазе роста и зависимость ее от условий среды. В настоящее время исследования гетерогенности популяции диморфных и мономорфных практически значимых дрожжей проводятся совместно с Институтом микробиологии и вирусологии по гранту МОиН РК.
В 60-е годы прошлого века было выяснено, что адгезия клеток микроорганизмов к твердым поверхностям и частицам имеет существенное значение для поддержания их жизнедеятельности в естественной среде обитания. С тех пор иммобилизация клеток в гелях или на поверхности твердых субстратов стала широко использоваться в биотехнологии как один из перспективных методов культивирования и использования организмов. Первые исследования в этом направлении были предприняты в Институте микробиологии и вирусологии (Блиева, Алиева).
На кафедре микробиологии иммобилизация клеток дрожжей и бактерий сорбцией их на твердых носителях или включением в матрицу синтетических или природных полимеров проводится с целью повышения биохимической активности клеток микроорганизмов и длительности их функционирования (Жубанова, Шупшибаев). На основе полученных результатов разработаны способы получения этанола, молочной кислоты и ферментированных напитков, защищенные 4 патентами РК.
Для повышения эффективности иммобилизации используются ионы металлов, различные белки, ПАВ (Жубанова, Мусабеков, Дигель), высокотемпературное зауглероживание природных сорбентов (Жубанова, Мансуров, Каирманова), разработаны условия для получения высокоэффективного иммобилизированного биокатализатора (Жубанова, Тажибаева). Изучаются процессы адсорбции железоокисляющих хемолитотрофных бактерий на минералах (Канаев).
Таким образом, на кафедре микробиологии постоянно пополняется коллекция перспективных для биотехнологических целей микроорганизмов, совершенствуются методы их культивирования и изучаются физиолого-биохимические особенности роста для разработки регламентов получения полезных веществ.