Evoluția cineticii microorganismelor

Introducere

Culturile microbiene sau componentele enzimatice ale acestora sunt elemente de baza in microbiologia aplicata si procesele tehnologice. Diversitatea comunitatii microbiologice ofera in aparenta, aspecte limitative ale informatiei metabolice despre productia si utilizarea produsilor sau despre conversia acestora pentru beneficiul omenirii. Dezvoltarea tehnologica in stiinta ingineriei genetice a creat noi perspective de utilizare a mostenirii microbiene in multe procese biotehnologice cu aplicabilitate practica (Doelle si Heden, 1985).

Dezvoltarea proceselor microbiene pentru obtinerea de biomasa sau produsi este caracterizata de trei factori:

• Randamentul produsului pe gramul de substrat;

• Concentratia produsului;

• Rata de formare a produsului.

Mult mai recent, tehnologia bioprocesarii foloseste din ce in ce mai mult celule derivate din plante si animale, pentru a produce multe produse importante. Cultura celulelor de plante este destinata, formarii produselor secundare, ca: arome, parfumuri si medicamente, in timp ce cultura de celule mamifere se ocupa de vaccinuri si formarea anticorpilor si productia de molecule de proteina ca: interferon, interleukine.

Etapele de formare a produsului in tehnologia de bioprocesare sunt foarte similare, indiferent de ce organism este selectat, ce mediu este folosit si ce produs este format. In toate exemplele, multe celule cresc in conditii controlate, definite. Organismele trebuie cultivate si motivate pentru a forma produsele dorite cu ajutorului unui sistem fizic si tehnic (bioreactor), si cu o compozitie corecta a mediului si parametri corespunzatori (temperatura si aeratie). Optimizarea bioprocesului masoara atat biosistemele cat si sistemele tehnice. Exploatarea corespunzatoare a potentialului organismului de a forma produsi distincti, de calitate definita si in cantitati mari, va avea nevoie de o cunoastere a mecanismelor biochimice ale formarii produsului (Vamanu si colab., 2003).

In ansamblul fiecarui proces chimic si biochimic trebuiesc luate in considerare mai multe aspecte. Primul il reprezinta reactiile biochimice, iar al doilea numeroasele procese fizice, care le preceda si le insotesc. Aceste procese fizice sunt chiar separate, cum ar fi purificarea materiilor prime si a produselor.

Pentru o buna perioada de timp, metodele ce se ocupa cu aspectele fizice ale proceselor biochimice au fost mai bine puse la punct decat cele ce se ocupau de metodele biochimice. Acesta a fost rezultatul simplificarilor empirice. Odata cu rapida dezvoltare a cinetici reactiilor biochimce si a metodelor de aplicare a relatiilor cinetice asupra bioprocesului, aceste diferente au fost depasite. Cinetica bioproceselor se ocupa in general cu intensitatea reactiilor.

Fermentatia fiind un proces biochimic complex, posibilitatile de aplicare a ideilor si tehnicilor dezvoltate pentru sisteme chimice conventionale ar putea fi aplicate.

Singurele criterii de performanta a primelor fermentatii comerciale au fost randamentul final de produs si conversia substratului. Pe masura ce tehnologia s-a dezvoltat, s-a acordat mai multa atentie factorilor de timp; productivitatea, cantitatea medie de produs format, a devenit populara, fiind un criteriu de comparatie. Determinarea unor masuratori instantanee a fost ignorata pana la studiile cu privire la producerea de acid gluconic de catre Wells, Moyer, Gastrock si colab in anii ’30. Ei au fost printre primii care au publicat date detaliate cu privire la metabolizarea glucidelor si la formarea acidului.

Introducerea proceselor de biosinteza a antibioticelor a starnit un mare interes cu privire la indicii de fermentatie. Studii cu privire la schimbarile biochimice produse in biosinteza penicilinei necesitau analize frecvente a nivelurilor de carbohidrati si de azot, greutatea celulara si dozarea antibioticului. Din aceste modele de crestere se puteau distinge doua faze distincte ale fermentatiei: cresterea si producerea de antibiotic. Dulaney si colab. au observat acelasi comportament general in fermentatia streptomicinei. Ei au definit o faza initiala in care miceliul se dezvolta rapid, insotita de o scadere a constituentilor solubili din mediu (carbon, azot si fosfor), o utilizare rapida a glucidelor si un necesar ridicat in oxigen. Teoretic nu ar trebui sa se sintetizeze streptomicina. Apoi a urmat o faza autolitica, caracterizata de scaderea in greutate a miceliului, de eliberarea in mediu a unor gaze de azot si de fosfor anorganic, de un necesar scazut in oxigen si de o biosinteza rapida de antibiotic. Toate tulpinile analizate au prezentat aceleasi caracteristici, iar schimbarile majore de mediu au avut mici influente asupra bioprocesului.

Calam, Driver si Bowers au fost printre primii care au sustinut aceste observatii, prin experimente specifice. Biosinteza penicilinei a fost realizata la diferite temperaturi, variind intre 12° si 32°C, iar urmatorii parametri au fost notati: rata de crestere, respiratia si sinteza de penicilina. Prin reprezentarea grafica a datelor obtinute s-a putut caracteriza fiecare bioproces in parte.

Informatii legate de ratele de crestere pot fi obtinute din sistemele continue cu control automat al variabilelor de proces.

Intr-o abordare exemplara, Kempe, Gillies si West au studiat randamentul de biosinteza acida, a speciei Lactobacillus delbrueckii, la pH controlat. Randamentele au fost determinate prin diferenta fata de curba inregistrata a aditiei alcaline.