علم الأحياء الدقيقه الصناعي والتقنية الحيويه (الكائنات الحيه الدقيقه في الصناعه)

علم الأحياء الدقيقه الصناعي والتقنية الحيويه (الكائنات الحيه الدقيقه في الصناعه)

علم الأحياء الدقيقه الصناعي والتقنية الحيويه
Industrial Microbiology and Biotechnology

من المحتمل أن البشر اكتشفوا المشروبات الكحولية بالصدفة. من الممكن تخيل بأن نور الشمس يدفئ بعض أصناف العنب الساقط أو الفاكهه الأخرى ويعجل تخمير عصائره عن طريق الخمائر. البشر لابد وان يختبروا هذه الفاكهه "الفاسده" بفضول, وإذا طعم المزيج العطري aromatic concoction لم يكن بشكل خاص مرضي, فالشعور المبهج الذي يليه من المحتمل أعادهم لطلب المزيد. بالتجربة, البشر اكتشفوا العوامل المهمه في التخمير وقريبا تعلموا التحكم في العمليه. بالقيام بذلك, أصبحوا أول علماء أحياء دقيقه صناعيه.

كيفية حدوث التخمير درس من قبل العالم باستير عندما درس تخمر النبيذ الفرنسي. بهذا الفهم, عملية التخمير الصناعي, تستخدم المنتجات الأيضيه  للكائنات الحيه الدقيقه للأغراض التجاريه المتطوره. بحلول الثلاثينات, عدة أشكال من التخميرات قد نفذت لانتاج الكحول الايثيلي والكحول البيوتيلي. للمجهود الحربي البريطاني, تطوير تشايم وايزمان Chaim Weizmann لعملية تخمير ميكروبيه للأسيتون باستخدام Clostridium acetobutylicum كان خطر حيال صناعة البارود.

ومع ذلك, علم الأحياء الدقيقه الصناعي ليس محصور بتخميرات الكحول. يتضمن صناعة الخبز وإنتاج الجبن بالإضافه الى العديد من الأغذية الناتجة من التخمير. التخمير الصناعي يحسن التفاعلات الأيضيه الموجوده أصلاً في (أو مهندسه جينياً الى) الميكروبات. التحفيز الحيوي Biocatalysis مصطلح يستخدم لوصف التفاعلات الأيضيه المنفذة عند هذا النطاق الصناعي.

لانتاج كميه مفيده بشكل ملحوظ للمنتج من الكائنات الحيه الدقيقه, نحتاج أعداد كبيره بشكل هائل. هذا يعني رفع العمليات الأيضيه الميكروبيه الى مستوى هام بما فيه الكفاية لانتاج منتج تجاري قيم. على هذا المدى الكبير, المصطلح تخمرfermentation يأتي له تعريف مختلف قليلاً. إجراءات التخمر الصناعي ليست بالضرورة عمليات لاهوائيه; بالأحرى, هي طرق ميكروبيه واسعة المدى التي يمكن أن تكون هوائيه أو لاهوائيه.

مثل عمليات التحفيز الحيوي تنفذ في حاويات كبيره أو خزانات تسمى مفاعلات حيويه bioreactors أو أجهزة تخمر fermentors. التقنيين أو العلماء يجب أن يراقبوا باستمرار ظروف النمو في هذه الحاويات للتأكد أن الميكروبات مستمره إما بالنمو أو تصل لحالة إنتاج أعلى منتج. درجة الحراره, الرقم الهيدروجيني, الأكسجين, المغذيات – كل الشروط الطبيعيه والكيميائية المثاليه التي تطبق لنمو الميكروبات في أنبوب مزرعة – تطبق هنا, فقط على مدى اكبر بكثير.

استغلال الميكروبات للاستخدام في العمليات الصناعيه مرتبط بشكل وثيق بالتقنية الحيويه. هكذا, العديد من منتجات علم الأحياء الدقيقه الصناعي تساهم بالصحة العامه, تعيق انتشار الأمراض, أو تحسن جودة الحياه. الخلايا الميكروبيه أو منتجاتها تستخدم, على سبيل المثال, لانتاج الأنزيمات, المبيدات الحشريه, الإضافات الغذائيه, الهرمونات البروتينيه, المضادات الحيويه, الأجسام المضاده أحادية النسيله monoclonal, الأنترفيرون interferon, وعدد كبير من منتجات الهندسة الوراثيه التي هي قلب صناعة التقنيه الحيويه اليوم.

كما سنرى في هذا الفصل, علم الأحياء الدقيقه الصناعي هو حقل منوع للغايه, الذي فيه المواد الأوليه الرخيصة تحول الى سلع قيمه عبر أيض الكائنات الحيه الدقيقه.

1. الكائنات الحيه الدقيقه في الصناعه

خصائص معينه تجعل الكائنات الحيه الدقيقه مناسبه جداً للعمليات الصناعيه. الكائنات الحيه الدقيقه لا تمتلك فقط تشكيله واسعه من الأنزيمات لجعل سلسلة من التحويلات الكيميائيه محتمله, لها أيضا نشاط أيضي عالي نسبيا تسمح للتحويلات بالحدوث بسرعه. بالإضافه لذلك, لها منطقة سطح كبيره للامتصاص السريع للمغذيات وإطلاق المنتجات النهائية. وعلاوة على ذلك, عادة تتكاثر عند معدل عالي, كما اثبت بوقت الجيل 20 دقيقه للايشيريشيا كولاي تحت الظروف المثاليه.

في العمليه الصناعيه, الكائنات الحيه الدقيقه تعمل مثل المصانع الكيميائيه. لتكون فعاله, يجب أن تحرر كميه كبيره من منتج وحيد يمكن أن يستخرج وينقى بشكل كفء. الكائنات الحيه يجب أن تكون سهلة البقاء والزراعه, ويجب أن يكون لها ثبات جيني مع طفرات نادرة. قيمتها تحسن إذا كانت تنمو على بيئه رخيصه متوفره بسهوله التي هي ناتج عرضي من العمليات الصناعيه الأخرى. على سبيل المثال, كميه كبيره من مصل الحليب whey ينتج في تصنيع الجبن, والكائنات الحيه الدقيقه التي تحول مكونات مصل الحليب الى حمض اللاكتيك تضاف الى الربح الكلي من صناعة الجبن.

تتم عملية التصنيع في جهاز التخمر من خلال 3 خطوات رئيسية هي (كما يتضح من الشكل):

1- Preparatory stage: تتضمن دمج الخلايا الميكروبية (microbial inoculums) والوسط الغذائي المعقم مع بعضها في جهاز التخمر.

2-   Fermentation stage: تتضمن عملية التخمر.

3- Recovery stage: تتضمن العمليات التالية للحصول على المنتج المراد الحصول عليه: الفلترة، الاستخلاص، التنقية. 

 

الكائنات الحيه الدقيقه تنتج العديد من المركبات العضويه المفيده

منتجات الأيض الميكروبي قد تمثل متأيضات أوليه أو ثانوية

الكائنات الحيه الدقيقه تستخدم في الصناعه لانتاج تشكيله من المركبات العضويه, تتضمن الأحماض, محفزات النمو, الأنزيمات. في بعض الحالات, الإنتاج ينتج من تصنيع الكائنات الحيّة الدقيقة آلاف عديدة من المرات لكمية المنتج الضرورية لأيضها.

الكائنات الحيه الدقيقه قد تنتج نوع أو نوعين من المواد الأيضيه المهمه الى علم الأحياء الدقيقه الصناعي. المتأيضات الأوليه Primary metabolism مباشرةً تشترك في النمو الطبيعي, تطور وتكاثر الميكروب. البيروفيت Pyruvateوالمنتجات النهائية لمسارات التخمير الموضحه بالشكل رقم 2 هي أمثله للمواد الأيضيه الأوليه. 

 

المتأيضات الثانويه Secondary metabolism تشكل معظم المنتجات ذات الاهتمام الصناعي. هذه المواد الأيضيه لا تشترك مباشرة في النمو والتكاثر, لكن عادة لها وظائف بيئيه مهمه وهي غالبا أنواع محدده. المواد الأيضيه الثانويه عادة تنتج قرب أو عند نهاية طور نمو الميكروب; ولذلك هي, في طور السكون (الثبات)stationary phase.

احد أول المواد الأيضيه الثانويه المصنعة في الغالبية بواسطة التخمير الصناعي هو حمض السيتريك. يستخدم هذا المركب العضوي في المشروبات الخفيفة, الحلويات, الأحبار, مواد الطباعة, وتشكيله من المواد الصيدلانية, مثل مضادات التخثر والأقراص المهدئه (مثل Alka-Seltzer). الكائن الحي المستخدم على نحو واسع لانتاج حمض السيتريك هو الفطر اسبرجيللس نايجر Aspergillus niger. علماء الأحياء الدقيقه زرعوا خلايا العفن الى وسط غذائي من طعام الذره, دبس السكر, أملاح, ونيتروجين غير عضوي في أجهزة تخمرfermentors لاهوائية ضخمه. انعدام أنزيم دورة كربس في الفطر يمنع تؤيض حمض السيتريك (السيتريت citrate) الى المركب التالي من الدوره, وحمض السيتريك يتراكم في الوسط الزراعي. شكل رقم 3 يوجز هذه الطريقه الكيميائيه.

 

منتج ميكروبي مهم آخر هو حمض اللاكتيك, مركب يوظف لحفظ الأغذية, إنهاء الأنسجه, تحضير الجلود, وإذابة الطلاء. حمض اللاكتيك عادة ينتج بالنشاط البكتيري على جزء مصل الحليب من الحليب. اللاكتوباسيلس بولجاريكوسLactobacillus bulgaricus يستخدم على نحو واسع في التخمير لأنه ينتج فقط حمض اللاكتيك من اللاكتوز lactose.

حمض الجلوكنيك (الجلوكونيت gluconate), حمض عضوي قيم آخر, مفيد في الطب كناقل للكالسيوم, لأن حمض الجلوكنيك يتأيض بسهوله في الجسم, تاركا مخزن من الكالسيوم للتوزيع. هذا الحمض ينتج من الكربوهيدرات بواسطة A. niger وأنواع من الجنس البكتيري جلوكونوباكتير Gluconobacterالمزروعة في أجهزة تخمر. جلوكونيت الكالسيوم أيضا يضاف الى غذاء الدجاج البياض لتزويد الكالسيوم لتقوية قشور البيض.

عندما كمية الأحماض الأمينيه المنتجه من قبل الكائنات الحيه الدقيقه تتجاوز حاجة الميكروب, يفرز المتبقي الى البيئه. مثل هذه الحاله مع حمض الجلوتاميك (الجلوتاميت glutamate) ينتج بواسطة أنواع معينه من ميكركوكسMicrococcus, انثروباكتير Anthrobacter, بريفيباكتيريومBrevibacterium. حمض الجلوتاميك مكمل غذائي قيم للبشر والحيوانات, وملح الصوديوم , جلوتاميت أحادي الصوديوم, المستخرجة منه تستخدم في التحضيرات الغذائيه.

في الإنتاج الصناعي للايسين lysine, وهو حمض أميني آخر, يشترك كائنين حيين, أي. كولاي يزرع أولا في وسط زراعي من الجليسرول, مشروب منقوع الذره الكحولي corn steep liquor (مستخلص نقي من الذره يحتوي تركيزات عاليه من الأحماض الأمينيه الحره), ومكونات أخرى, ويتراكم حمض ثنائي أمينو بيميليك المركب (DAP). بعد عدة أيام, يضاف إنتيروباكتير ايروجينيس Enterobacter aerogenes الى جهاز تخمر.  هذا الكائن الحي ينتج أنزيم يزيل مجموعة الكربوكسيل من حمض ثنائي أمينو بيميليك لانتاج اللايسين المستخدم في الخبز, حبوب الإفطار, وأغذيه أخرى.

نوعين مهمين من الفيتامينات, رايبوفلافين (فيتامين ب 2) وسيانوكوبالامين (فيتامين ب 12), أيضا منتجات للنمو الميكروبي. الرايبوفلافين هو منتج من أشبيا جوسيبي Ashbya gossypii, هو عفن قادر على إنتاج 20000 ضعف لكمية الرايبوفلافين المطلوبه للأيض. السيانوكوبالامين ينتج من أنواع منتخبه من بسايدوموناس Pseudomonas, بروبيونيباكتيريومPropionibacterium, ستريبتومايسيس Streptomyces ناميه على وسط زراعي مضاف له الكوبالت. الفيتامين يمنع فقر الدم المهلك في البشر ويستخدم في الخبز, الطحين, منتجات الحبوب, وغذاء الحيوانات.

الكائنات الحيه الدقيقه أيضا تنتج أنزيمات مهمه ومنتجات أخرى

الأنزيمات الميكروبيه يمكن أن تكون مهمه كمكملات غذائية أو لصناعة المنسوجات

إنتاج الأنزيمات الميكروبيه للاستغلال التجاري أصبح صناعه مهمه منذ ظهور علم الأحياء الدقيقه الصناعي. حالياً, أكثر من 24 نوع من الإنزيمات الميكروبيه في الاستخدام, وأخرى عديده في الأبحاث أو مراحل التطوير.  وصلت التجارة السنويه للأنزيمات الصناعيه 1.6 بليون.

بين الأنزيمات الميكروبيه المهمه المستخدمه تجاريا الأميليز Amylase, البيكتينيز Pectinase, وعدة أنزيمات بروتيسيز Proteases (جدول1). الأميليز ينتج من العفن اسبرجيللس اوريازي Aspergillus oryzae. يستخدم كمزيل للبقع في الغسيل, كلاصق adhesive, وفي صناعة الخبز, حيث تهضم النشا الى جلوكوز. البيكتينيز, منتج من انواع الكلوستريديوم, يوظف في عمليةفصل خامات الكتان وتحويلها إلى كتان. في هذه العمليه, مزج المصنعين نبات الكتان بالبكتينيز لتحليل decompose البكتين "الاسمنتي" الذي يحمل الياف سليلوزيه معا. الالياف السليلوزيه بعد ذلك هي بطانه منسوجه. البكتينيز ايضا يستخدم بتصفية عصائر الفاكهه.

جدول1: بعض الانزيمات ومصادرها الميكروبيه المستخدمه في الأسواق التجاريه 

المنتج التجاري	الأنزيم	المصدر	الاستخدام
الألبان	بروتيسيز	البكتيريا والأعفان	تحليل الماء لبروتينات مصل الحليب, تخثر في انتاج الأجبان
	لاكتيز	الأعفان والخمائر	التحليل المائي للاكتوز لإنتاج حليب خالي من اللاكتوز
التخمير	سيليوليسيز	الأعفان	إسالة وتصفية العمليه
	أميليسيز وبروتيسيز	البكتيريا والأعفان
النبيذ والعصائر	بيكتينيز	البكتيريا والأعفان	زيادة محصول العصير وتصفيته
اللحوم	بروتيسيز	البكتيريا والأعفان	تطرية اللحوم
الحلويات	إنفيرتيز	الخمائر	إسالة المصدر
المنسوجات	بيكتينيز	البكتيريا والأعفان	فصل خامات الكتان
صناعة الورق	زيلاناسيز، هيميسيليوليسيز، ليبيسيز	الأعفان والخمائر	تجهيز عجينة الورق بشكل أكثر نظافه وفعاليه
مواد التظيف	بروتيسيز،أميليسيز،ليبيسيز،سيليوليسيز	البكتيريا والأعفان	تنظيف أفضل للملابس والأطباق المغسوله

البروتيسيز هي مجموعه انزيمات هاضمه للبروتين تنتج بواسطة باسيلس ساتيليس Bacillus subtilis, اسبرجيللس اوريزي Aspergillus oryzae, وكائنات حيه دقيقه اخرى. انزيمات بروتيسيز معينه تستخدم لتليين الجلود في تصنيع الجلد, عمليه فيها يتم ازالة النسيج العضوي من الجلد skinلانتاج قوام ادق. انزيمات البروتيسيز الأخرى تعد قيمه كأصماغ سائله, نقع الملابس قبل غسلها, تطرية اللحوم, فتح البالوعه, ومزيل للبقع.

احد اكثر الاستخدامات المقدّره لكن معروفه اقل للأنزيمات الميكروبيه هو في صنع الشوكولاته المركزة الناعمة. انفيرتيز Invertase, أنزيم من الخمائر, يمزج مع عوامل منكهة, ومصدر صلب, وبعد ذلك يغطى بالشوكولاته. الأنزيم يحول بعض السكروز الى جلوكوز سائل وفركتوز, مشكلاً المركز الناعم للشوكولاته.

في علم الأحياء الدقيقه الطبي, الاطباء يستخدمون انزيم ميكروبي آخر, ستريبتوكاينيز streptokinase, لايقاف تخثر الدم المشكل اثناء النوبه القلبيه. انزيم آخر, هيالورونيديز hyaluronidase, يستخدم لتسهيل امتصاص السوائل المحقونه تحت الجلد.

بالرغم ان المكونات المنكهه للاغذيه الطبيعيه تنتج بعمليات تقليديه من الأصول النباتيه, طرق التقنيه الحيويه الجديده جعلت من الممكن انتاج مكونات منكهه مبتكره عن طريق تحويل المواد الأوليه الرخيصه نسبياً الى اضافات ذات رائحه ونكهه ذات قيمه عاليه. هذه تستخدم في الاغذيه, المشروبات, مستحضرات التجميل, واغراض مستهلكه اخرى; الامثله تشمل العوامل المنكهه للفاكهه, الخوخ, جوز الهند المسماة لاكتونيز lactones. بالرغم ان اللاكتونيز يمكن ان يخلّق من الاحماض الدهنيه طويلة السلسله من البطاطا الحلوه, الاحماض الدهنيه توجد في كميات محدوده وتعديلها مكلف. للتحايل على هذه المشكله, علماء الأحياء الدقيقه استخدموا انواع من العفن Mucor وفطريات اخرى لتحويل الاحماض الدهنيه متوسطة السلسله الى مركبات يمكن ان تحوّلها الكائنات الحيه الدقيقه بسهوله الى لاكتونيز. مثال آخر هو ميثيلكيتونيز, الذي يمنح النكهات المتبطه بالجبن القويه في منتجات الألبان. عوامل النكهة مشتقه صناعياً منPenicillium roqueforti المحضن في دهون الحليب المعالجه بالليبيز.

بالاضافه الى المنتجات الرئيسيه تم فحص, كائنات حيه دقيقه تزوّد عدد من المواد المتخصصه. من المنتجات الميكروبيه المتنوعه النموذجيه, الجينيت alginate, ماده لزجه تستخدم في الآيسكريم, الشوربه, واغذيه اخرى. منتج آخر من أصلميكروبي هو بعض العطور. زيت المسك musk oil, على سبيل المثال, يحضّر من حمض يوستيلاجيك ustilagic, منتج من العفن Ustilago zeae, الذي, لسخرية القدر, يسبب مرض اللطخه smut. علاوه على ذلك, هناك منتجات صيدلانيه عديده مشتقه من سموم الإرجوت من العفن Claviceps purpurea. هذه المشتقات توصف لاستحثاث الولاده, معالجة الاضطرابات الحيضيه, السيطره على صداع الشقيقه.