生物反应器获取外源基因

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引言

近年来，发酵技术和微生物生物技术的发展使得有效利用微生物生产奶酪、面包、啤酒、茶、咖啡、巧克力、抗生素以及其他各种初级和次级代谢产物成为可能。这些产品的产生是由于微生物能够将特定代谢物发酵成所需产物。

为了获得所需产物并促进微生物的生长，必须使用受控环境，提供有利条件以获得最佳生长。这包括控制pH值、最佳温度、空气流入量、培养基流速、搅拌速度等。这种生产是在一个大型容器或罐中进行的，称为生物反应器，它允许通过大量培养微生物来获得大量的产物。在生物反应器中，在有利条件下生长的微生物将产生所需的产物，然后可以对其进行纯化。本质上，生物反应器中每个单位面积上数百万个细胞本身就是一个微型生物反应器。

生物反应器的类型

典型的生物反应器具有以下部件：主容器或罐、冷却和加热系统、完善的曝气系统、进料口、泡沫控制系统和排污口。

生物反应器有多种类型

• 分批反应器 - 它是一个简单的封闭系统，因此一旦接种，反应器将不再接收任何输入，也不允许任何输出。最终，废物开始堆积，而营养物质和氧气水平下降。

• 连续搅拌釜式生物反应器 (CSTR) - 这种生物反应器涉及连续输入和输出。因此，含有所需营养物质和反应物的培养基会连续地送入生物反应器，同时将生物反应的产物从罐中提取出来。因此，在这种罐中进行连续的化学加工。

• 气升式生物反应器 - 这种生物反应器特别适用于处理好氧细胞培养物，或当最终获得的产物为气态形式时。气体用于搅拌容器的内容物。送入容器的气体也用于将新物质引入容器，或去除微生物细胞产生的代谢分子。

• 固定床生物反应器 - 这种生物反应器涉及将反应细胞固定在填充的固体颗粒表面。固体颗粒可能是多孔的或非多孔的。

• 光生物反应器 - 这种生物反应器与其他反应器不同，因为它是由玻璃或塑料等透明材料制成的。这些管状或平板式生物反应器由阳光或人工光照射，支持光合微生物的生长。

生物过程步骤

生物过程是指利用活的微生物细胞生产所需产物。生物过程的成功取决于微生物在其所提供的物理化学环境中生长的能力。

典型的生物过程包括三个步骤——三个P，即：

• 制备 - 也称为“上游加工”，此步骤包括：

• 制备生产过程中要使用的所有材料和设备。它还包括设备灭菌和空气净化

• 鉴定和开发理想菌株。还使用不同的方法改进菌株

• 优化适合培养物最佳生长和获得所需产物的条件

• 生产 - 这是生物加工发生的主要阶段。细胞在环境条件下反应，形成所需的代谢产物。在此阶段，细胞不断分裂和代谢。

• 纯化 - 也称为“下游加工”/产物回收，此步骤包括去除杂质、将所需产物与培养基的其余部分分离以及纯化获得的产物。

获得外源基因产物的步骤

微生物生物技术是指将生物技术的原理应用于微生物，以实现对微生物的加工，从而生产所需的产物。这些微生物可能是天然分离的菌株、来自实验室培养物的突变菌株，也可能是通过基因工程创建的重组菌株。

获得外源基因产物的步骤包括：

• 分离目的基因

• 鉴定合适的载体来携带目的基因。使用连接酶将基因连接到载体中。这产生了“重组DNA”

• 将重组DNA转移到合适的宿主，例如细菌细胞。该细胞现在携带“外源基因”

• 选择重组细胞

• 重组细胞表达所需的蛋白质/代谢产物

• 通过在大规模生物反应器中培养来大规模生产所需产物

• 细胞分离和产物回收

生物反应器的优点

生物反应器是有利的设备，它允许在受控环境下生长微生物以获得所需产物。通过控制pH值、营养浓度、氧气浓度、温度等因素，它促进了最佳生长条件。由于几乎所有操作都是自动化的，因此它也有助于降低劳动力成本。

生物反应器工艺的应用

• 生产次级代谢产物，如青霉素、环孢素A、洛伐他汀等。

• 生产发酵乳制品，如奶酪、酪乳、酸奶等

• 生产柠檬酸、乳酸、乙酸和其他有机酸

• 生产重要的酶，如漆酶、木聚糖酶、脂肪酶等

• 有时，生物反应器用于生产微生物细胞而不是其产物。这在单细胞蛋白、酵母生产、乳杆菌生产等情况下可见。

• 生物反应器也用于培养哺乳动物细胞

• 光生物反应器用于废水处理，培养藻类和蓝细菌以获得生物燃料、生物塑料、营养保健品等。

结论

• 生物反应器是大型容器或罐，在其中在受控环境下培养微生物细胞以获得其有用产物。

• 不同的类型包括补料分批生物反应器、连续搅拌釜式反应器、固定床生物反应器、光生物反应器等。

• 生物反应器工艺在生产抗生素、奶酪、啤酒、醋等产品、有机酸和其他重要代谢产物、废水处理以及微生物获得的生物燃料和生物塑料的生产中起着重要作用，以及许多其他应用。

• 典型的生物过程包括：制备、生产和纯化。

• 所使用的细胞可以通过将外源基因导入其中来进行基因修饰，以产生所需的蛋白质，或提高产品产量。

常见问题

Q1. 理想的生物反应器是由什么材料制成的？

答：生物反应器应由耐腐蚀的材料制成，能够耐受蒸汽灭菌、高压和pH值变化。

Q2. 光生物反应器中培养什么类型的微生物？

答：光生物反应器用于光合蓝细菌培养或微藻培养。

Q3. 微生物产生的生物塑料是什么？

答：聚羟基脂肪酸酯（PHA），如聚羟基丁酸酯（PHB），是由微生物产生的塑料。

Q4. 生物过程中采用了哪些菌株改良方法？

答：原生质体融合、基因组改组、诱变、重组等方法用于改进生物过程中的菌株。

Q5. 初级代谢产物与次级代谢产物有何不同？

答：初级代谢产物在生长阶段产生，对于生物体的生长和繁殖是必要的。次级代谢产物来源于初级代谢产物。这些物质具有生态功能，不影响生物体的生长和繁殖能力。