Иммобилизденген клеткалар

 

 

Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университеті

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Тақырыбы: «Иммобилизденген клеткалар»

 

 

 

 

Тексерген: Тулегенова Г.М.

Орындаған: Дамиржан А.А

 

 

 

 

 

Астана 2014 ж.

 

Микрооганизм клеткаларының иммобилизациясы биотехнологиялық аспектілер.

 

Өндіріс жағдайда микроорганизм клеткасының иммобилизациясы осыдан 150 жыл бұрын пайдаланылған.Бірақ тірі клеткаларды иммобилизациялау  ХХ  ғасырдың 70-ші жылдарынан басталды. Бұл негізінде биохимия,молекулалы биология,микроорганизмдер физиологиясы аймағындағы зерттеулерге байланысты 70 жылдардың басында Россияда К.Г.Скрябин және К.А.Кощенко және  басқа да әріптестерінің көмегімен алғаш рет микроорганизм клеткасын иммобилизациялау тәжірибелерін жасады.70 жылдарының басында  Жапония зерттушілер тобы Chibata басқаруымен бірге иммобилизацияланған клеткалар көмегімен  £-аспартат биосинтезін табысты жүргізді,осыдан кейін иммобилезденген клеткалармен көптеген органикалық заттардың  биосинтезі мен трансформациясы жүргізілді. Иммобилизденген клеткаларды пайдаланып қоршаған ортаны, суларды тазалау, табиғи ресурстарды тиімді қолдану, ақуыз бен энергияның қорын көбейту, түрлі қауіпті ауруларды емдеу,экологиялық проблемаларды шешу болып табылады.

 

Жалпы клеткалардың иммобилизациясы дегеніміз – (immobilis –қозғалмайтын) – альгинаттан, полоакриламидтен немесе агардан тұратын тығыз матрикске жабысқан клеткалар. Клеткалардың иммобилизациясы табиғи процесс немесе химиялық және физикалық әдістермен келтірілген процесс болып табылады. Осы жасанды иммобилизацияны басқару әдістерінің дамуы, қазіргі кезде, бізге биологиялық реакторлардағы иммобилденген клеткаларды тиімді қолдануға мүмкіндік береді.

Иммобилденген клеткалар иммобилденген ферменттер мен бос клеткаларға қарағанда өзінің айрықша қаситтері бар:

1. Ферменттерді тазалау мен бөліп алуға шығындардың шықпауы;
2. Реакция өнімдерін тазалау мен бөліп алуына шығындардың аз жұмасалуы;
3. Жоғары белсенділік және тұрақтылық;
4. Үздіксіз және жартылай үздіксіз автоматтандырылған процесстерді жасау мүмкіндігі;
5. Экзогенді кофактрсіз полиферментті жүйелердің ұзақ жұмыс жасау мүмкіндігі.

Иммобилизацияға клеткалар тірі және әр түрлі дәрежедегі зақымдаулы түрде қолданылуы мүмкін. Бір стадиялы реакцияларды тірі, сонымен қатар зақымдаулы клеткалар да жүзеге асыра алады. Клеткалар иммобилизациясының әдістері ферменттердің иммобилизациясымен ұқсас болып келеді.

Химиялық әдіс ковалентті байланыстардың белсендірілген таратушымен бірге пайда болуын айтады.

Физикалық әдістерге адсорбция мен агрегация жатады.

Иммобилизацияланған клеткалардың әр түрлі гельдерге, мембраналарға, талшықтарға қосылуы химиялық және физикалық  арақатынастары арқылы жүзеге асады. Химиялық әдістер басқа әдістерге қарағанда аз қолданады. Бұл жерде көп қолданысқа ие болғаны клеткалардың гельдердің, мембраналардың және талшықтардың құрамына кіруі болды. Осы әдістерде иммобилизацияланған клеткалар өзінің өміршеңдігін және қоректің ортада болғанда гельдердің жоғарғы қабаттарында көбеюін жүзеге асырады. Қазіргі таңда Толық иммобилизацияланған  клеткалардың биокаталитикалық белсенділігі ғылым мен техниканың әр түслі салаларында қолданылуы мүмкін:

1. Аминқышқылдардың, органикалық қышқылдардың, антибиотиктердің, стероидты көмірсулардың, көмірсутектердің, нуклеотидтер мен нуклеозидтердің трансформациясы мен биосинтезі кезінде;
2. Сыра мен шарап жасауда;
3. Ағынды және табиғи суларды тазартуда;
4. Ағынды сулардан металлдарды тазарту;
5. Күн энергиясының ассимиляциясы кезінде;
6. Сутекті элементтерді жасау кезінде;
7. Азотфиксациялауда;
8. Электродтарды дайындау кезінде аналитикалық мақсат ретіндң.

Микроорганизмдердің клеткаларының иммобилизациясына көп зерттеулер жүргізген – жапондық ғалымдар болып табылады. Олардың ерекше жетістікке жеткенін аминқышқылдарды, органикалық қышқылдарды және антибиотиктерді алу кезінде көруге болады. Мәскеудегі мемлекеттің университетте аспарагин қышқылын жасайтын әдіс тапқан болатын. Аспарагин қышқылын алу үшін полиакриламид геліне қосылған E.coli клеткаларын қолданған. Тек микроорганизмдердің клеткаларын ғана емес, өсімдіктің және жануарлардың клеталарын иммобилиздеуге болады, ал олар өз ішінде физиологиялық активті қосындылардың ситезіне қатысады.

 

Иммобилизация процесіне қолданылатын культуралар

Иммобилизацияның әдістері барлық иммобилизденген биокатализаторларға әмбебап – индивидуалды ферменттерге, клеткаларға, субклеткалық құрылымдарға, комбинирленген препараттар.

Иммобилизацияға мынадай культуралар қатысады: Е. Coli, Kluyvervmyces fragilis, К lactis, Aspergillus niger, A oryzae, B. Subtilis, B.licheniformis, B. Thermoproteolyticus, Mucor pusillus.

Өндірістік жағдайларда жиі тыныштандырылған клеткаларды қолданады, яғни Өсімдіктердің иммобилизацияланған клеткаларын фитогормондардың дефицитін қолданады, ал бактериялардың клеткаларын антибиотик қосу арқылы өсіун тежейді.

Клеткалар мен ферменттердің  иммобилизациясы үшін үшін қолданылатын таратушылар.

Клеткалар мен ферменттердің иммобилизациясы үшін мінсіз материалдарды қолдану, яғни олар мына қасиеттерге ие болу керек: ерімейтін болу керек, жоғары химиялық және биологиялық тұрақтылық; гидрофильділік; біршама енуі қасиеті; тез жұмыс істей алуы.

Әрине, аталғанның бәрі болатын мінсіз материал қазіргі таңда жоқ. Алайда, иммобилизация үшін көптеген таратушылар бар. Табиғи жағдайға байланысты таратушылар органикалық және бейорганикалық болып бөлінеді.

Органикалық полимерлі таратушылар.

Көптеген ферменттердің иммобилизациясы органикалық таратушыларда жүзеге асады. Оларды өз ішінде екіге бөлуге болады: табиғи және синтетикалық полимерлі таратушылар. Сонымен қатар, класстардың әрқайсысы құрылуына байланысты топтарға бөлінеді. Табиғи полимерлерге – ақуызды, полисахаридті және липидті таратушылар, ал синтетикалыққа – полиметиленді, полиамидті және полиэфирлі таратушылар деп бөлінеді.

Табиғи таратушылардың артықшылығына, олардың қол жетімділігі, полифункционалдылығы және гидрофильділігі жатады, ал кемшілігіне – биодеградирлігі және қымбат болуы жатады.

Иммобилизациялау үшін полисахаридтерден көбінесе целлюлозаны, декстранды, агарозаны ж»не олардың қосындыларын көп қолданады.

Табиғи аминосахаридтерден иммобилизациялау үшін таратушы ретінде хитинді қолданады. Ол химиялық жағынан тұрақты және құрылымы жағынан өте борпылдақ.

Ал ақуыздардың ішінен кең қолданысқа ие болғандары – құрылымды протеиндер, яғни кератин, фиброин, коллаген және коллагеннен алынған – желатин. Бұл ақуыздар табиғатта өте көп және сол үшін көп мөлшерде кездеседі. Ақуыздар биодеградацияға қабілетті, ол медициналық мақсатта ферменттердің иммобилизациясын құрастырғанда өте қажет. Оның кемшілігіне тек иммуногенділігін жатқызуға болады.

Синтетикалық полимерлі таратушылар.

Бұл топтың әртурлілігі мен қол жетімділігі арқасында иммобилизациялау үшін осы таратушылар қолданылады. Оларға стиролы, акрил қышқылы, поливинил спирті бар және полиамидтід, полиуретанды полимерлер жатады. Синтетикалық полимерлі таратушылардың көпшілігі механикалық тығыздығымен қабілетті болады. Көптеген синтетикалық полимерлер әртүрлі физикалық формада кездесуі мүмкін, мысалы труба, талшық, гранула тәрізді.

Бейорганикалық таратушылар.

Бұл таратушыларға көбінесе әйнектен, саздан, керамикадан, графитті күйеден, силикагельден, силохромнан және металдардың оксидіен жасалған материалдарды қолданады. Синтетикалық таратушылар сияқты оларға әр түрлі форманы беруге болады.

Иммобилизациялау тәсілдері

Қазіргі кезде иммобилизация жүргізудің көптеген тәсілдері бар, олардың көбісі ферменттердің иммобилизациясына ұқсас. Иммобилизация әдістерін бірнеше топқа бөледі: жабыстыру, ендіру, қосу және агрегациялау.

Иммобилизациялау тәсілдерін ажырата білу керек, сонын салдарынан  біреулерінде клеткалар сай келетін орталарда (поверхности) кәдімгі өсу кезінде қозғалмайтын күйге келеді және басқаларында өсірілген клеткалық популяция иммобилиздену үшін «белсенді» өнделеді. «Белсенді» әдістер кең қолданысқа ие және әр түрлі физиологиялық жағдайдағы клеткалар үшін қолданылуы мүмкін. «Қарапайым» әдістер қол жетімді және арзан, сол үшін ешқандай шығынды қажет етпейді. Төртке бөлінген топтарды ашық қарастырайық.

1. Жабыстыру. Бұл топқа иммобилизациялаудың барлық формаларын жатқызады, сонда клеткалар әр түрлә тәсілдермен тегіс бетке немесе тығыз таратушыға жабысады. Жабысу қарапайым адгерия немесе химиялық түрде индуцирлену арқылы жүзеге асады. Клеткалардың қарапайым адгезиясы – кең қолданысқа ие болған құбылыс, ол көптеген зерттеулерге әкелген, бірақ оның механизмі толыққанды анық емес. Осы иммобилизацияның екі қарапайым әдісі өндірісітік процестерде қолданыладығ әсіресе: сіркенің өндірілуінде және ағынды сулардың тазартылуында.

Қазіргі кезде пайда болған жүйелерде ұсақ дисперсті қатты таратушыларға көп көңіл бөлінген, мысал ретінде құмды келтіруге болады.

Клеткалар қарапайм түрде тегіс бетке белсенді қабақша түзе отырып жабысады. Қабықшаның  қалыңдығы бір клетка қабатындай болады. Қарапайым жабысуға қабілетті емес клеткалар химиялық заттармен жабыстырылуы мүмкін. Мысалы глутар альдегиді. Бұл жағдайда жабысудың беріктігі қарапайым адгезияныкіндей болады.

Жабыстырылған клеткалар қоршаған ортамен міндетті түрде жанасады, сондықтан үйкеліс күшіне  ие болады. Соның салдарынан клеткалар сұйық фазаға өтіп кетуі әбден мүмкін, сол үшін осы тәсілді көп қолданбайды. Және осы тәсілде биоқабықшаның қалыңдығын басқару оңайға соқтырмайды, бұл оның тағы бір кемшілі болып табылады.

Клеткаларды иммобилизациялау үшін жабыстыру әдісін қолданған кезде өндісті жағдайға жарамды таратушының дұрыс таңдалуына және оны керекті микроорганизмдермен орналастыруынакөңіл аудару керек

2. Ендіру. Иммобилизация кезінде клеткаларды түрлі, қарапайым материалдарға бұрын жасалып қойған немесе әлі де қалыптасқан жатқан клетка айналасына ендіруге болады.

 

Жаңа құрылымдарға ендіру қарапайым процесс болып келеді, сонымен бірге иммобилизацияның тиімділігі , қарапайы жабыстырудағыдай, клетка типінен және таратушыға байланысты болады. Керісінше, әлі де қалаптасып келе жатқан борпылдақ құрылымдарды  әр түрлі клеткалардың иммобилизациясы үшін қолдануға болады.

Бұл әдістің артықшылығы бөлшектын тыс өскен клеткалар қоршаған ортамен үйкеліп жанасудың арқасында жойылып кетуі мүмкін.

 

Қазіргі кезде лабораторияларда иммобилизацияның әдістеріне клеткалардың борпылдақ құрылымға ендіруі болып табылады, соның арқасында клеткалардың сыртында in sito пайда болады. Қалың суспензия немесе паста тәрізді клеткаларды иммобилизациялау үшін гель тәрізді борпылдақ матрикс пайда болатын компонентпен араластырады. Осы гельдердің арасында каппакарагенат, агар және альгинат негізіндегі альгинат кальций гелі танымал.

 

Клеткалардың альгинат кальцийға ендіру өте оңай. Клеткаларды натрий альгинат ерітіндісінде сүйыұтандырады және кальций тұзы бар ерітіндімен араластырады. Гель бір мезетте-ақ пйда болады, бэірақ оны 20 мин-тай ұстап тұру қажет, альганаттың толық полимеризациялығы үшін.

 

Бұл әдіс термоөндеуді қажет етпейді, ал иммобилденген клеткалар жоғары белсенділікті сақтайды. Бұл әдістің кемшілін айтатын болса, кальцийді байланыстыратын хелатирлеуші агенттердің гельмен әрекеті кезінде, гельді бұзады, ал альгинаттың қалыңдығын 5 мм-ден кем жасау қиын.

 

3. Қосу. Бұл әдістің мәні клеткаларды бұрын дайындап қойған немесе пайда болған қабықшаға қосу болып табылады. Бұл қабықша ретінде бір - бірімен қосылмайтын сұйықтықтардың арасындағы шекара болып келеді. Бұл жағдайда клеткалық суспензия тамшы ретінде бір фазада орналасады. Бұрыннан дайындалып қойған қабықша ретінде, микро және ультрафильтрацияға қолданатын,  жартылайөткізгіш мембрана болып табылады.

 

Осы жүйенің басты қолданысқа ие болуы ол – сол арқылы жұмыс жасайтын ортаны клеткалардан тзарту болып табылады.

 

4. Агрегация. Клеткаларды үлкен агрегат түзетін флокуляция жолымен иммобилиздеуге болады, ол оларды жұмыс жасап жатқан үздіксіз реакторларда сақтауға мүмкіндік береді.  Ашытқылық клеткалардың флокуляциясы  ферментация соңында жүреді, осы жолмен иммобилизденген клеткалар сыра өндіруде ферментерларда қолданылады. Агрегацияны күшейту үшін жасанды флокулянттарды қолдануы мүмкін.

Иммобилизденген клетка культураларын қолдануға мысал:

 

 

 Ағын суларды металлдардан  тазарту – қазіргі таңда таулы  – рудалы өндірістік зауыттар  бағалы металлдарды алу және  өндірістік ағын суларды тазарту  үшін биологиялық процесстерді  қолдану шешіміне келеді, өйткені  бұл процесстер басқа қолданылатын  әдістерге қарағанда тиімді және  экономды болып келеді. Қолданылатын процесстер аэротенктарда, үлкен тұндарғыштарды немесе ақырын ағымдағы ағын тоғандарда жүргізіледі, оларда балдарлар мен микроорганизмдер өседі. Осы организмдер еріген металлдарды және олардың бөлшектерін өзіне жинап алады. Көптеген микроорганизмдер металлдарды үлкен концентраттарда жинайды.