生物反應器獲取外源基因

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引言

近年來，發酵技術和微生物生物技術的發展使得有效利用微生物生產乳酪、麵包、啤酒、茶、咖啡、巧克力、抗生素以及其他各種初級和次級代謝產物成為可能。這些產品的產生是由於微生物能夠將特定代謝物發酵成所需產物。

為了獲得所需產物並促進微生物的生長，必須使用受控環境，提供有利條件以獲得最佳生長。這包括控制pH值、最佳溫度、空氣流入量、培養基流速、攪拌速度等。這種生產是在一個大型容器或罐中進行的，稱為生物反應器，它允許透過大量培養微生物來獲得大量的產物。在生物反應器中，在有利條件下生長的微生物將產生所需的產物，然後可以對其進行純化。本質上，生物反應器中每個單位面積上數百萬個細胞本身就是一個微型生物反應器。

生物反應器的型別

典型的生物反應器具有以下部件：主容器或罐、冷卻和加熱系統、完善的曝氣系統、進料口、泡沫控制系統和排汙口。

生物反應器有多種型別

• 分批反應器 - 它是一個簡單的封閉系統，因此一旦接種，反應器將不再接收任何輸入，也不允許任何輸出。最終，廢物開始堆積，而營養物質和氧氣水平下降。

• 連續攪拌釜式生物反應器 (CSTR) - 這種生物反應器涉及連續輸入和輸出。因此，含有所需營養物質和反應物的培養基會連續地送入生物反應器，同時將生物反應的產物從罐中提取出來。因此，在這種罐中進行連續的化學加工。

• 氣升式生物反應器 - 這種生物反應器特別適用於處理好氧細胞培養物，或當最終獲得的產物為氣態形式時。氣體用於攪拌容器的內容物。送入容器的氣體也用於將新物質引入容器，或去除微生物細胞產生的代謝分子。

• 固定床生物反應器 - 這種生物反應器涉及將反應細胞固定在填充的固體顆粒表面。固體顆粒可能是多孔的或非多孔的。

• 光生物反應器 - 這種生物反應器與其他反應器不同，因為它是由玻璃或塑膠等透明材料製成的。這些管狀或平板式生物反應器由陽光或人工光照射，支援光合微生物的生長。

生物過程步驟

生物過程是指利用活的微生物細胞生產所需產物。生物過程的成功取決於微生物在其所提供的物理化學環境中生長的能力。

典型的生物過程包括三個步驟——三個P，即：

• 製備 - 也稱為“上游加工”，此步驟包括：

• 製備生產過程中要使用的所有材料和裝置。它還包括裝置滅菌和空氣淨化

• 鑑定和開發理想菌株。還使用不同的方法改進菌株

• 最佳化適合培養物最佳生長和獲得所需產物的條件

• 生產 - 這是生物加工發生的主要階段。細胞在環境條件下反應，形成所需的代謝產物。在此階段，細胞不斷分裂和代謝。

• 純化 - 也稱為“下游加工”/產物回收，此步驟包括去除雜質、將所需產物與培養基的其餘部分分離以及純化獲得的產物。

獲得外源基因產物的步驟

微生物生物技術是指將生物技術的原理應用於微生物，以實現對微生物的加工，從而生產所需的產物。這些微生物可能是天然分離的菌株、來自實驗室培養物的突變菌株，也可能是透過基因工程建立的重組菌株。

獲得外源基因產物的步驟包括：

• 分離目的基因

• 鑑定合適的載體來攜帶目的基因。使用連線酶將基因連線到載體中。這產生了“重組DNA”

• 將重組DNA轉移到合適的宿主，例如細菌細胞。該細胞現在攜帶“外源基因”

• 選擇重組細胞

• 重組細胞表達所需的蛋白質/代謝產物

• 透過在大規模生物反應器中培養來大規模生產所需產物

• 細胞分離和產物回收

生物反應器的優點

生物反應器是有利的裝置，它允許在受控環境下生長微生物以獲得所需產物。透過控制pH值、營養濃度、氧氣濃度、溫度等因素，它促進了最佳生長條件。由於幾乎所有操作都是自動化的，因此它也有助於降低勞動力成本。

生物反應器工藝的應用

• 生產次級代謝產物，如青黴素、環孢素A、洛伐他汀等。

• 生產發酵乳製品，如乳酪、酪乳、酸奶等

• 生產檸檬酸、乳酸、乙酸和其他有機酸

• 生產重要的酶，如漆酶、木聚糖酶、脂肪酶等

• 有時，生物反應器用於生產微生物細胞而不是其產物。這在單細胞蛋白、酵母生產、乳桿菌生產等情況下可見。

• 生物反應器也用於培養哺乳動物細胞

• 光生物反應器用於廢水處理，培養藻類和藍細菌以獲得生物燃料、生物塑膠、營養保健品等。

結論

• 生物反應器是大型容器或罐，在其中在受控環境下培養微生物細胞以獲得其有用產物。

• 不同的型別包括補料分批生物反應器、連續攪拌釜式反應器、固定床生物反應器、光生物反應器等。

• 生物反應器工藝在生產抗生素、乳酪、啤酒、醋等產品、有機酸和其他重要代謝產物、廢水處理以及微生物獲得的生物燃料和生物塑膠的生產中起著重要作用，以及許多其他應用。

• 典型的生物過程包括：製備、生產和純化。

• 所使用的細胞可以透過將外源基因匯入其中來進行基因修飾，以產生所需的蛋白質，或提高產品產量。

常見問題

Q1. 理想的生物反應器是由什麼材料製成的？

答：生物反應器應由耐腐蝕的材料製成，能夠耐受蒸汽滅菌、高壓和pH值變化。

Q2. 光生物反應器中培養什麼型別的微生物？

答：光生物反應器用於光合藍細菌培養或微藻培養。

Q3. 微生物產生的生物塑膠是什麼？

答：聚羥基脂肪酸酯（PHA），如聚羥基丁酸酯（PHB），是由微生物產生的塑膠。

Q4. 生物過程中採用了哪些菌株改良方法？

答：原生質體融合、基因組改組、誘變、重組等方法用於改進生物過程中的菌株。

Q5. 初級代謝產物與次級代謝產物有何不同？

答：初級代謝產物在生長階段產生，對於生物體的生長和繁殖是必要的。次級代謝產物來源於初級代謝產物。這些物質具有生態功能，不影響生物體的生長和繁殖能力。