11/22/2017

1

Aplikace mikroorganismů v biotechnologii

Přehled mikroorganismů s průmyslovým využitím

• mají v přírodě i životě člověka velmi velký význam

• hlavní činitele ovlivňující tvorbu a zachování životního prostředí• rozkládají organickou hmotu a dále ji mineralizují

• působí v půdě, volných tocích, stojatých vodách i mořích• přirozeně čistí vodní toky – využití v čistírnách průmyslových a

odpadních vod• umí syntetizovat plnohodnotné bílkoviny daleko větší rychlostí

než jakékoliv jiné organismy• mohou být využívané v tradičním potravinářském průmyslu

kvasném a mlékárenském, v průmyslu farmaceutickém a mnoho dalších

Mikroorganismy

Mikroorganismy• tradiční fermentace byly prováděný s použitím směsi WT

mikroorganismu pocházejících ze surovin nebo prostředí• cca před 140 lety - první pokusy o vylepšení používaných

mikroorganismů (izolace čistých kultur a výběr nejužitečnějších kmenu)

• mikroorganismy byly izolované z přírodního prostředí pomocí náhodného screeningu velkého množství kultur

• posléze mnoho mikroorganismů bylo modifikováno (zlepšení vlastnosti pro průmyslové použití) tradičními metodami – mutageneze a šlechtění

• obecně mikroorganismy můžeme nabývat ze sbírek (culture collections)

Izolace z prostředí

CílenáVzorky jsou sbírané z určitých míst, kde se předpokládá výskyt

mikroorganismů s žádoucími vlastnostmi.

ShotgunVzorky volně žijících mikroorganizmů, biofilmů a jiných mikrobiálních seskupení jsou sbírané z rostlinných a živočišných materiálu, půdy, vody,

odpadních vod a hlavně neobvyklého prostředí, pak testované na žádoucí vlastností.

výběr vhodného selekčního média a kultivačních podmínek

11/22/2017

2

World Data Centre for Microorganisms World Data Centre for Microorganisms

„GRAS“Generally Regarded As Safe Průmyslové kmeny

1. genetická stabilita2. efektivní produkce cílové látky, které biosyntetická dráha je pokud

možno dobře popsaná3. omezená nebo žádná potřeba přidávat vitaminy a růstové faktory

4. využití široké škály levných a snadno dostupných zdrojů uhlíku5. poddajné genetickým manipulacím

6. bezpečné, nepatogenní, neprodukují toxické látky (jiné než produkt)7. rychlá sklizeň z fermentoru

8. rychlé rozbití buněk, pokud produkt je intracelulární9. omezená produkce vedlejších produktů – usnadnění purifikace

11/22/2017

3

Strain improvementNezbytný pro vývoj ve fermentačním průmyslu – způsob jak snížit

náklady na produkci díky zvýšení produktivity a snížení ceny výroby

Strain improvementPřirozená rekombinace • konjugace – horizontální výměna genetické informace mezi dvěma

buňkami, které jsou za tímto účelem dočasně spojené

• transdukce – přenos genetického materiálu z jedné bakteriální buňky do druhé pomocí virové částice

• transformace – přijetí cizorodé genetické informace určitým organismem, zpravidla bez přímého kontaktu dárce a příjemce

Parasexuální cyklus• u hub je charakterizován vznikem heterokaryotického mycelia, tvorbou

diploidu a mitotickou rekombinací; někdy dojde mitotickou redukcí ke snížení počtu chromozomů až na haploidní stav

Strain improvementMutageneze• proces při němž dochází k poškození DNA (delece, inserce, frameshift...)• mutace může nastat spontánně nebo cíleně

• rychlost spontánních mutaci u bakterií je cca. 10-10 na generaci na gen• možnost zrychlení použitím mutagenů:

fyzikálních: UV, γ a X záření chemických: EMS (ethane methane sulphonate), NTG (nitroso

methyl guanidine), kyselina dusitá, akridinová barviva• náročný screening a selekce (sledování případných změn ve vzhledu

kolonii, jiné podmínky pro růst)• directed mutagenesis & genetic engineering

11/22/2017

4

NTG

Pseudomonas• gramnegativní tyčinky, pohybujícími se pomocí polárně situovaných

bičíků, nevytváří spory ani jiné klidové formy • heterotrofní aeroby, nikdy nedisponují fermentativním metabolismem

• teplota růstu v rozmezí 4 až 42 °C, pH 4,5-7• degradace rozsáhlé škály organických molekul až na oxid uhličitý

• jako zdroj dusíku využívají amonné ionty, aminokyseliny a často i nitrát• aerobní asimilace nitrátu spočívá v jeho redukci na amonné ionty, které

jsou následně inkorporovány do buňky • nutriční přizpůsobivost pseudomonád je dána přítomností řady

induktivních operonů, které jsou v případě potřeby přepisovány a tak zajišťují buňce přítomnost širokého spektra často neobvyklých enzymů

Pseudomonas• ekologicky významné mikroorganismy ve vodním a půdním prostředí; jsou

zodpovědné za degradaci mnoha látek vzniklých rozkladem rostlin a živočichů včetně xenobiotik v aerobním prostředí

• fluorescentní P. jsou zodpovědné za produkci sekundárních metabolitů, zejména sideroforů (látek zajišťujících ionty železa) a antibiotik (s

účinky namířenými proti bakteriím, kvasinkám i plísním)• produkuji kyselinu glukonovou – aditivum v potravinářském (antioxidant,

regulátor kyselosti) a farmaceutickém průmyslu (suplement Ca, Fe aj.)• někteří zástupci tohoto rodu jsou původci kažení chlazeného masa, mléka,

vajec, ryb, tuků, a to vzhledem ke svým schopnostem růstu i při 4 °C a vhodnému enzymovému vybavení (lipasy, proteasy)

Bacillus• tyčinkové grampozitivní bakterie se světlolomnými sporami

• většina zástupců je pohyblivá prostřednictvím bičíků umístěných laterálně nebo peritrichálně

• zástupci B. jsou obligátně aerobní, případně fakultativně nebo obligátně anaerobní

• v respiračním metabolismu jsou konečnými akceptory elektronů buď molekulový kyslík, nebo nitrát

• spektrum utilizovaných substrátů je druhově závislé a úzce souvisí i s místem výskytu

• velká část B. patří mezi saprofyty osídlujícími především půdní prostředí • mají široké teplotní pásmo od -5°C až do 75°C, rozmezí pH 4-10

11/22/2017

5

Bacillus• předmětem komerčního zájmu jsou především enzymy degradující škrob

(α-amylasa, β-amylasa, amyloglukosidasa)• extracelulární enzymy - celulasa a xylanasa – a exopolysacharidy

(bioflokulant) potenciálně využitelné při konverzi různých odpadních látek a přírodních materiálů na snáze utilizovatelné substráty

• pektolytické enzymy a proteázy (esterasy, metaloproteasy, alkalické serinové proteasy)

• četní zástupci tohoto rodu produkují látky antimikrobní povahy patřící mezi peptidy: B. subtilis (65 – 70 různých peptidových antibiotik) a

B. brevis (20 – 25 antibiotik) - především proti grampozitivním bakteriím, některé působí na bakterie gramnegativní, případně na kvasinky a plísně

Bacillus• B. macerans – silné pektolytické enzymy využívané v máčení lnu

• některé druhy bacilů vykazují insekticidní vlastnosti, působí na různá vývojová stadia hmyzu: B. thuringiensis syntetizuje toxiny s účinky na

ekonomicky významné druhy hmyzu • aerobní produkce vitaminu B12 (B. megaterium)

• produkce enzymů penicilinamidasy a steroidhydrolasy (B. megaterium)• schopnost štěpit neobvyklé C-P vazby, a tak se podílet na bioremediaci

lokalit kontaminovaných některými insekticidy • některé druhy, zejména B. cereus, kontaminují potraviny a jsou příčinou

jejich kažení (rezistence spor k vysušení – obiloviny, mouka – produkce emetických toxinů)

Sporulující anaeroby• obligátně anaerobní sporulující gramnegativní bakterie: Clostridium,

Butyribacterium, Sporolactobacillus a Desulfotomaculum• anaerobní bakterie jsou producenty celé řady látek - jejich katabolismus

umožňuje jednak neúplné degradace víceuhlíkatých látek, jednak syntézu velkých molekul z jednoduchých uhlíkatých substrátů

• jednotlivé taxony lze isolovat z různých zdrojů - např. zkažené potraviny a jakékoliv přirozené nebo uměle vytvořené anaerobní prostředí

• teplotní pásmo růstu je 20 - 60 °C, někteří zástupci patří mezi halofily• patří mezi mikroorganismy značně zakonzervované evolucí; disponují

výkonným enzymovým aparátem, který jim umožňuje realizovat katabolické děje i za energeticky stresových podmínek

Sporulující anaeroby1. Produkce rozpouštědel

• C. acetobutylicum - produkce acetonu a butanolu

• C. beijerinckii - produkce 1-butanolu • produkce etanolu termofily (C. thermocellum, C. thermohydrosulfuricum,

C. thermosaccharolyticum )

2. Produkce organických kyselin• 100% efektivní produkce kyseliny octové druhem C. thermoaceticum(1mol hexosy konvertován na 3 moly k. octové)

• kyselina máselná, kaproová, mléčná, propionová a akrylová

11/22/2017

6

Sporulující anaeroby3. Produkce methanu

• mimořádný význam při anaerobní degradaci zemědělských, městských a

průmyslových odpadů . Tato skupina mikroorganismů ovšem nevytváří methan jako konečný produkt svého katabolismu, ale výsledkem

fermentace vysokomolekulárních biopolymerů jsou prekursory (jedno či dvouuhlíkaté), které jsou následně využívány methanogeny. Výsledkem

metabolické spolupráce dvou skupin mikroorganismů (celulolytických a methanogenních) je konečný produkt, methan.

4. Produkce vitaminů• fermentace Butyribacterium methylotroficum vycházející z methanolu

vede k vysoké produkci vitaminu B12• biomasa C. acetobutylicum - dobrý zdroj riboflavinů

Corynebacterium• ve své buněčné stěně obsahují kyselinu meso-diaminopimelovou,

arabinosu, galaktosu a kyseliny mykolové mající uhlíkatý řetězec tvořený 22 – 36 atomy uhlíku a přímé řetězce nasycených nebo nenasycených

mastných kyselin • tyčinky přímé nebo mírně zakřivené, nestejného průměru a nepravidelné

morfologie, často spojené po dvou do písmena V • chemoorganotrofní, aerobní nebo fakultativně anaerobní, podle

teplotního pásma růstu patří mezi mezofily • syntetizují kyselinu glutamovou (vyžadují pro růst přítomnost biotinu,

některé zároveň i thiaminu - postrádají ve svém enzymovém vybavení přítomnost některých enzymů podílejících se na jejich syntéze)

Corynebacterium• extracelulární produkce dalších aminokyselin: valinu, prolinu, alaninu,

glutaminu, lysinu, fenylalaninu – C. glutamicum• C. propinquum – produkce kyseliny akrylové

• producenti dalších aminokyselin byli získáni na základě změn v buněčném metabolismu a jeho regulaci, případně metodami genových manipulací

• mezi dobře utilizovatelné substráty patří glukosa, fruktosa, sacharosa, maltóza a ribóza; částečně je utilizována manosa, galaktosa a sorbosa

• sacharidy jsou katabolizovány enzymy Embden-Meyerhof-Parnasovy(EMP) dráhy na pyruvát, který po transformaci na acetyl-CoA vstupuje

do Krebsova cyklu; tato skupina prokaryot disponuje rovněž enzymy pentosofosfátového cyklu

Bifidobacterium• nepravidelné, často se větvící, G+, striktně anaerobní, nesporulující

tyčinky• některe druhy toleruji O2 v přitomnosti CO2, a v mléce, když rostou spolu

s přirozeným střevním partnerem Lactobacillus acidophilus• optimální teplota růstu 37 – 41°C (25 - 45°C); pH 6,5 - 7,0

• ze 2 molů hexosy produkuji 3 moly kys. octové a 2 moly kys. mléčné• antagonisti nežádoucích střevních bakterii - probiotika

• zamezuji adhezi patogenů k buňkám střevního epitelu., inhibuji růst nežádoucích bakterii produkci kyselin

• významná je produkce lipofilního faktoru ireverzibilně inaktivujícího bakterie, jako jsou salmonely, L. monocytogenes a S. aureus

• mohou také produkovat bakteriocin bifidocin

11/22/2017

7

Bakterie mléčného kvašení• Aerococcus, Carnobacterium, Enterococcus, Lactococcus, Lactobacillus,

Lactosphaera. Leuconostoc, Oenococcus, Pediococcus, Paralactobacillus, Streptococcus, Tetragenococcus, Vagococcus, Weissella

• skupina nepohyblivých, nesporulujících G+ koků a tyčinek, které fermentuji sacharidy za fakultativně anaerobních (mikroaerofilních)

podmínek a tvoři přitom hlavně kyselinu mléčnou • všechny mléčné bakterie jsou velmi náročné na kultivační podmínky

• význam v potravinářském průmyslu spočívá především v tvorbě kyseliny mléčné, produkci antimikrobiálních látek a tvorbě látek senzoricky

aktivních• tradičně se dělí na homofermentativní a heterofermentativní, podle

výsledného produktu fermentace sacharidů

• v homofermentativní dráze jsou hexosy metabolizovaný enzymy EMP

dráhy za vzniku 2 molů pyruvátu a 2 molů ATP z 1 molu hexosy. Pyruvát je následně redukován na laktát laktatdehydrogenasou; vice jak 90%

výchozího materiálu (glukosa) přeměněno na kyselinu mléčnou• v heterofermentativním metabolismu jsou hexosy katabolyzovány

fosfoketolasovou dráhou, která má za výsledek přibližně ekvimolární produkci laktátu (min 50 %), acetátu, ethanolu a CO2; pak vznika z hexosy

jen 1mol ATP• kyselina mléčná zejména nedisociovaná působí v kyselem prostředí na

některé bakterie bakteriostaticky až baktericidně• produkují mikrobiální inhibitory nekyselinové povahy – bakteriociny (nisin,

pediocin, aj), H2O2, CO2 a nízkomolemolekulární uhlíkaté inhibiční látky

Bakterie mléčného kvašení

Lactobacillus

11/22/2017

8

Octové bakterie• Acetobacter a Gluconobacter• gramnegativní, chemoorganotrofní, obligátně aerobní s metabolismem

aerobně respiračním • glukosu (ale i pentosy) mohou štěpit modifikovaným pentosofosfátovým

cyklem na acetylfosfát a erythroso-4-fosfát• rod Gluconobacter nedisponuje plně funkčním Krebsovým cyklem, a proto

vytváří z acetylfosfátu výhradně acetát a ATP • rod Acetobacter - za přístupu kyslíku acetylfosfát plně odbourá na CO2

a ATP jinak shodně jak u Gluconobacter - neúplná oxidace• erytroso-4-fosfát je metabolizován cyklicky za vzniku 2 molekul acetátu

• oxidace etanolu na acetát, primárních alkoholů na karboxylové kyseliny, sekundárních alkoholů na ketony

Octové bakterieAcetobacter aceti – plná oxidace substrátů – použití ve výrobě octa

Gluconobacter oxydans (Acetobacter suboxydans)• oxiduje glycerol na dihydroxyaceton (DHA) (diabetické sladidlo, součást

kosmetických přípravků napodobujících opálení pokožky)• produkce kyseliny glukonové, 5-keto- a 2-ketoglukonové z glukosy,

L-sorbosy z D-sorbitolu• používá se v produkci vitaminu C, xylitolu a octu

• použití jako biosensor

Propionové bakterie• Propionibacterium jsou grampozitivní, nesporulující, chemoorganotrofní,

obligátně nebo fakultativně anaerobní, někteří zástupci jsou aerotolerantní, metabolismus je fermentativní buď respirační

• nejlépe roste při teplotách 30 až 32°C• při fermentaci glukosy, glycerolu a laktátu poskytují jako hlavní produkty

propionát, acetát a CO2 – propionové kvašení• použití v produkci vitaminu B12, tetrapyrolů, kyseliny propionové a také v

sýrařském a probiotickém průmyslu• Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii - součástí sýrařských

kultur používaných při výrobě sýrů ementálského typu (chuť, „oka“)

11/22/2017

9

Archaea• striktně anaerobní, jednobuněčné organismy

• charakterizováni výraznými vzájemnými morfologickými rozdíly, rozdíly v nutričních požadavcích i rozdíly v ekosystémech, které osídlují

• přeměňují organické substráty na methan• přirozeným prostředím, v němž dochází k úplné biokonverzi substrátu na

methan, jsou bažiny, močály, kaly a hydrotermální prameny (75%)• produkce methanu je doprovázena uvolňováním energie pro růst – jediný

způsob získávání energie• lze dělit na autotrofní (využívající CO2 nejen jako zdroj energie při

methanogenezi, ale i jako jediný zdroj uhlíku pro růst) a heterotrofní (vyžadující přítomnost jiných C-zdrojů)

Archaea• vhodnými substráty pro methanogenezi jsou přírodní polymery – celulosa,

škrob, hemicelulosy a proteiny – rozkládané na jednoduché látky sporulujícími anaeroby

• methanogenní reakce probíhají podle následujících rovnic:

• Methanosarcina a Methanothrix – dokážou využít acetát jako výhradní zdroj C a energie (v přírodě zabraňuje nežádoucí acidifikaci prostředí);

přibližně 2/3 methanu získaného v anaerobních reaktorech je výsledkem methanogeneze z acetátu

4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O 4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O 4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2 H2O4 CH3NH2Cl + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl 2 (CH3)2NHCl + 2 H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 NH4Cl 4 (CH3)3NCl + 6 H2O → 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH4Cl CH3COOH → CH4 + CO2 (CH3)2S + H2O → 1,5 CH4 + 0,5 CO2 + H2S

Zymomonas• gramnegativní tyčinky často opatřené 1 – 4 lofotrichálně umístěnými

bičíky, nevytváří spory• chemoheterotrofní, fakultativně anaerobní nebo mikroaerotolerantní

• unikátní metabolická schopnost – využívají pro kvašení Entner-Doudoroffovu dráhu i v anaerobním režimu

• substráty – glukosa, fruktosa a sacharosa (jen u některých kmenů)• osmotolerantní (až 40% cukru), pH 3,5-7, etanol do 16% obj.

• růst na sacharose je podmíněn přítomností invertasy a levansacharasy• produkce extracelulárního polysacharidu – levanu (farmacie,

potravinářství)• Z. mobilis subsp. mobilis (průmyslová produkce etanolu)

• Z. mobilis subsp. pomaceae (původce kažení moštů a piva, kontaminant)

Aktinomycety• řad Actinomycetales• především grampozitivní bakterie, chemoorganotrofní, saprofytické nebo

parazitické

• bakterie se schopností tvořit vlákna a někdy i mycelium • patří sem aerobní, fakultativně anaerobní i anaerobní druhy

• v přírodě jsou aktinomycety široce zastoupeny, zejména v půdním prostředí, odtud se rozšiřují do ostatních ekosystémů, a to převážně

prostřednictvím spor• tvoří skupinu mikroorganismů s mimořádným průmyslovým významem

vzhledem ke svému biosyntetickému a biodegradačnímu potenciálu

11/22/2017

10

AktinomycetyStreptomyces• jsou častou součástí přírodních mikrobních společenství kolonizujících a

degradujících organický materiál - široké spektrum využívaných zdrojů uhlíku; utilizovány jsou i některé vysokomolekulární polymery (chitin,

škrob, pektin, některé hemicelulosy a lignin)• jsou obligátně aerobní - dávají přednost půdám provzdušněným před

těžkým a silně promáčeným prostředím• vynikající producenti antibiotik, více než 600 odlišných strukturních typů

• antimykotika, imunosupresiva, antiparazitikum (ivermektin), bialaphos• produkují enzymy degradující polymery (amylasy, dextranasy, xylanasy,

pektinasy, proteasy, lipasy)• sekreční mechanismus je účinnější než E.coli (sekrece do media)

AktinomycetyStreptoverticillium, Actinoplanes, Actinomadura, Micromonospora• produkují přibližně 200 odlišných typů antibiotik • Micromonospora – aminoglikosidové antibiotika (M. inositola – sisomycin,

M. purpureochromogenes – gentamicin)• M. echinospora – kalicheamycin (léčba akutní myeloidní leukemie)

• M.lupini – produkce protinadorových antrachinonů – lupinacidinů• Actinomadura madurae – maduropeptin (protinadorová aktivita)

• Actinoplanes friuliensis – friulimicin B (lipopeptid, proti anaerobům, G+)• S. mobaraense – produkce transglutaminasy (zdokonalení fyzikálních

vlastností potravin)• disponují také širokým biodegradačním potenciálem nacházejícím bohaté

uplatnění v přirozeném i kontaminovaném půdním prostředí (Actinomadura keratinilytica)

AktinomycetyRhodococcus, Nocardia• rychlý růst, snadná manipulace

• utilizují velké množství jak hydrofilních, tak díky lipofilitě buněčných obalů i hydrofobních uhlíkatých substrátů (N. corallina)

• produkce antibiotik (R. erythropolis)• velmi široký biodegradační potenciál - benzoan, polychlorované bifenyly

(kmen RHA1), fenylacetát, fenol, toluen, xylen, surovou naftu (R. phenolicus)

• produkce extracelulárních povrchově aktivních látek (biosurfaktantů)• schopnost akumulace těžkých kovů včetně radioaktivních

• produkce pigmentů pro potravinářský průmysl • syntéza farmak (např. inden – prekursor indinaviru pro lečbu AIDS),

stereoisomerů aminokyselin, akrylamidu a butyramidu (R. rhodochrous)

Deinococcus• D. radiodurans je polyextrémofil, radioresistentní (až 15000 Gy), odolný

vůči vakuu, dehydrataci, chemickým mutagenům, chladu a kyselému prostředí

• vytváří tyčinky, koky, páry nebo tetrády, je nepohyblivý, aerobní, mezofilní (psychrofilní), heterotrofní, nesporulující

• netypická grampozitivní bakterie - atypická stavba buněčných obalů• disponuje atypickým uspořádáním genetického materiálu. - vybavena

dvěma cirkulárními chromozómy (od každého často 4 – 10 kopií) a dvěma odlišnými plasmidy (megaplasmid a malý plasmid)

• využívá se v bioremediaci radioaktivních lokalit kontaminovaných rozpouštědly a těžkými kovy

• detoxikace radioaktivních odpadů (čištění jaderných reaktorů)

11/22/2017

11

Thermus• Thermus aquaticus - atypická grampozitivní bakterie, která je opatřena

„vnější“ membránou• morfologie je proměnná – odpovídá vnějším podmínkám, nejčastěji dlouhá

vlákna, ale i tyčinky• obligátně aerobní (většinou), heterotrofní, nepohyblivá, nesporulující

• teplotní pásmo 65 – 90°C• nutričně nenáročné (C-zdroj glukóza, sacharóza, organické kyseliny,

N-zdroj amonné ionty, nízké koncentrace živin)• zdroj enzymu Taq polymerasa

• zdroj dalších termostabilních enzymů: serinová proteasa, glukosidasa, aldolasa, DNA ligasa, alkalická fosfatasa, amylomaltasa (potravinový

doplněk - zažívání), pululanasa (produkce ethanolu a umělých sladidel)

Cyanobakterie• Sinice se vyskytují téměř všude – ve sladkovodním i mořském planktonu, v

půdě, na smáčených stěnách, uvnitř kamenů; typický je výskyt ve všech extrémních biotopech, s výjimkou extrémně kyselých lokalit

• fotoautotrofní, vyznačují se fotosyntézou oxygenního typu - voda je donorem elektronů, oxid uhličitý je fixován na organické sloučeniny a

jako vedlejší produkt se uvolňuje kyslík• fotosyntéza probíhá v tylakoidech obsahujících fotosyntetická barviva (4

druhy chlorofylu, 3 fykobiliproteiny: modrý allofykocyanin a fykocyanin a červený fykoerytrin, dále barviva β-karoten, zeaxantin a další)

• jsou významnými fixátory vzdušného dusíku a tak ovlivňují koloběh dusíku v přírodě

• na ochranu proti UV záření vytvářejí pigmenty (scytonemin, β-karoten…)

Cyanobakterie• produkují množství dalších sekundárních metabolitů a podpůrných látek,

například různé oligosacharidy, karboxylové kyseliny, vitamíny, peptidy, enzymy, antibiotika a polysacharidy

• sinice lze kultivovat ve třech typech kultivačních zařízení, ve zvláštních typech rybníků, v reaktorech (fotobioreaktory) a v hybridních zařízeních

• zdrojem uhlíku je všudypřítomný oxid uhličitý (kultivace vede zároveň ke snižování emisí) a jako další nutrienty lze s výhodou využít komponenty

přítomné v odpadních vodách • zdrojem energie pro fotosyntézu je sluneční světlo

• jsou známými producenty toxinů (alkaloidní neurotoxiny, alkaloidní hepatotoxiny,

paralytické toxiny, peptidické hepatotoxiny, cytotoxiny, embryotoxiny, dermatotoxické

alkaloidy, genotoxiny a mutageny, imunotoxiny, imunomodulátory a imunosupresory)

CyanobakterieSpirulina laxissima, S. platensis, S. subsalsaUnikátní složení spiruliny:o Proteiny: 55 - 70%o Sacharidy: 15 - 25%o Tuky: 6 - 8%o Minerály: 6 -13%o Vláknina: 8 – 10%o Antioxidanty: ß- karoten (chrání kůži a oči, posiluje imunitu, provitamín A),

zeaxanthin (chrání oči, mozek), kryptoxanthin, fykocyanin (chrání játra a ledviny), chlorophyl (anti-toxin, anti-karcinogen), superoxiddismutasa, vitamíny: A1, B1, B2, B6, B12, C a E

Spirulina obsahuje 300% kalcia ve srovnání s mlékemSpirulina obsahuje 2300% železa ve srovnání se špenátemSpirulina obsahuje 3900% ß-karotenu ve srovnání s karotkouSpirulina obsahuje 375% proteinů ve srovnání s tofu

11/22/2017

12

Aspergillus• reprezentován značným počtem druhů fyziologicky rozdílných, z nichž

řada disponuje metabolickými vlastnostmi vhodnými pro komerční využití• zástupci tohoto rodu jsou producenty především:

organických kyselin: citronová kyselina (A. niger), glukonová kyselina (A. niger), itakonová kyselina (A. itaconicus, A. terreus), jablečná

kyselina (Aspergillus sp.), šťavelová kyselina (A. niger) a vinná kyselina (A. niger, A. griseus)

enzymů: α-amylasa (A. oryzae, A. niger), glukosaoxidasa (A notatum, A. niger), naringinasa (A. niger), glukoamylasa (A. awamori, A. niger),

katalasa (A. niger), laktasa (A. niger), proteasa (A. oryzae, A. flavus)mannitolu (A. candidus)

• produkce mykotoxinů – toxické sekundární metabolity

Penicillium• většina druhů tohoto rodu patří mezi půdní saprofyty a podílí se na

kolonizaci a mineralizaci rozmanitých organických materiálů - velký význam při koloběhu prvků

• některé druhy patří mezi parazity, produkují mykotoxiny - svojí činností způsobují velké ekonomické ztráty (suché plody, měkké ovoce)

• využívají poměrně široké spektrum zdrojů uhlíku (včetně řady pentos, což není u hub běžné); ze zdrojů dusíku jsou utilizovány amonné ionty,

dusitany, dusičnany, močovina i aminokyseliny • aerobní, růst může probíhat v širokém rozmezí hodnot pH (pH 3 – 8) a v

širokém teplotním pásmu (5 – 37 °C) • některé druhy jsou xerofilní, rostou uspokojivě i při minimální vlhkosti

Penicillium• produkce antibiotik: penicilin (P. chrysogenum, P. notatum - β-laktamové

antibiotikum), griseofulvin (P. griseofulvum – heptapeptid) • produkce enzymů – β –1,3–glukanasa (P. italicum, P. emersonii) • výroba sýrů – P. roqueforti, P. camemberti , P. nalgiovense• povrchová ochranná vrstva fermentovaných salámů – P. nalgiovense• jsou známa produkcí dalších sekundárních metabolitů s antimikrobními

účinky (patřící mezi polyketidy, alkaloidy, terpeny, steroly, β-laktamy,

deriváty šikimové kyseliny a mastných kyselin)

Trichoderma• často přítomna v půdním prostředí, nutričně nenáročná, metabolicky

přizpůsobivá a může utilizovat široké spektrum substrátů jak přirozeného, tak xenobiotického původu

• zdrojem uhlíku mohou být sacharidy, od monosacharidů až po polysacharidy; v závislosti na enzymovém vybavení jednotlivých druhů

jsou využívány další substráty jako škrob, pektin, xylany, chitin, celulosa, ale také inulin, rhamnosa, melesitosa

• patří mezi houby metabolizující i C1 látky (T. lignorum roste na metanolu)• degraduje rovněž uhlovodíky a je významnou komponentou směsných

mikrobních populací osídlujících kontaminované lokality • zdrojem dusíku pro růst mohou být kromě amonných iontů aminokyseliny

a proteiny, utilizace nitrátů je druhově závislá

11/22/2017

13

Trichoderma• je známa produkcí toxinů s účinky vůči prokaryotům a některým

eukaryotům (např. trichotheceny - hepatotoxiny, immunosupresory, mohou být využity jako biologické zbraně)

• výborný producent enzymů degradujících polymery (chitinasa, laminarinasa, xylanasa a glukanasy;T.reesei - celulolytický komplex, který

je schopen degradovat i krystalickou celulosu – používaný v produkci džínoviny tzv. stonewashed jeans)

• produkce biomasy – SCP (T. longibrachiatum)• hraje významnou roli v bioremediaci půd kontaminovaných herbicidy a

pesticidy; degraduje organofosfáty a chlorované uhlovodíky

Trichoderma• extracelulární produkce lytických faktorů (chitinasa, glukanasa,

pektinasa), antibiotik a toxinů (trichothecin, sesquiterpin, trichodermin -T. harzianum, T. virens ) je využita pro ochranu kořenového systému

rostlin (biokontrolní agens) v případě fungálních onemocněních vyvolaných rody Fusarium, Phytopthara a dalšími – komerčně dostupné preparáty

obsahující směsi kultur T.harzianum a T.viride• anthrachinony (emodin, chrysophanol a další), produkované např. druhem

T.harzianum - vykazují řadu příznivých účinků vůči rostlinám - chrání je před napadením některými škůdci a také jsou významnými antioxidanty

(chrání rostlinu před poškozujícím efektem různých typů záření)• produkce sekundárních metabolitů s antivirálními (T.todica, T.harzianum)

a protinádorovými (T.viride) účinky je rovněž velmi perspektivní

Claviceps• známý především produkcí námelových alkaloidů

• C. purpurea a C. paspali – deriváty kyseliny lysergové (ergometrin, ergosin, ergotamin)

• námelové alkaloidy se hojně se využívají v gynekologii, porodnictví a interním lékařství (zastavují krvácení); výchozí látka pro výrobu LSD,

které se využívá v psychiatrii nebo v konečné fázi léčby rakoviny• Claviceps můžeme kultivovat na minerálním médiu obsahujícím glukosu,

amonné ionty (nebo močovinu, glutamát, aspartát, dusičnany jsou využívány zřídka) a anorganické sole, je vyžadována přítomnost biotinu a

zvýšená tenze oxidu uhličitého• růst probíhá optimálně při teplotě blízké 30 °C, produkce alkaloidů v

rozmezí teplot 21 – 24 °C, hodnota pH 5 – 6

Fusarium• patogenní pro rostliny a zvířata

• vzhledem ke své schopnosti kolonizovat a mineralizovat rozmanité substráty jsou vhodným biologickým činitelem pro bioremediační

technologie (F. proliferatum) • F. venenatum – bohatý zdroj proteinů a aminokyselin, komerční produkce

jako mykoprotein – „Quorn“ – náhražka masa pro vegetariány, vhodný jako náhražka tuku v mléčných výrobcích nebo obilnin v cereáliích a

snacks (sušená kultura je smíchaná s vaječným bílkem)• F. oxysporum – využívaný v produkci nanočástic, hlavně stříbrných

(redukce iontů stříbra) a oxidu zirkoničitého (ZrO2 – produkce nožů, nářadí)

• F. moniliforme – produkce giberelinů (zemědělství, sladovnictví)

11/22/2017

14

Cordyceps• parazity hmyzu, hub a patogeny

• C. sinensis (Housenice čínská) - používán v tradiční nepálské a čínské medicíně už od 15. století; obsahuje látky, které mají preventivní a

doplňkovou úlohu při léčbě řady onemocnění (obnovování normálních tělesných funkci, má protizánětlivé a protirakovinové účinky, proti

stárnutí, leči hypoglykemii, arytmii, stimulace imunitního systému…)obecně používaný jako doplněk stravy a v medicíně

• C. unilateralis – produkce červeného barvivá naftochinonu (deep blood red)

• C. militaris – produkuje cordycepin (protirakovinové, protizánětlivé a

antioxidační účinky)

Mucor a Rhizopus• saprofytní houby vyskytující se na rostlinách, ovoci, potravinách, některé

druhy jsou patogenní• M. mucedo - výroba proteolytických enzymů

• M. pusillus - výroba syřidla• M. rouxianus a M. javanicus – za anaerobních podmínek tvoři ethanol a

CO2 a využívají se k výrobě alkoholických nápojů v JV Asii• R. japonicus a R. delemar , R. oryzae - v Japonsku a JV Asii se využívají

k výrobě alkoholických nápojů • R. stolonifer (syn. R. nigricans) – produkce kyseliny fumarové a výroba

léčiv (specifická oxidace steroidních sloučenin)• Rhizopus je v laboratoři vzhledem ke svému rychlému růstu a snadnému

šiřeni považovana za nebezpečnou kontaminantu

Saccharomyces• ekonomicky nejvýznamnější skupina mikroorganismů používaná v průmyslu

• využívána zejména pro svoji schopnost konvertovat cukry na etanol a oxid uhličitý C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

• S. cerevisiae fermentuje glukosu, manosu, fruktosu, galaktosu, maltosu, sacharosu, maltotriosu a v závislosti na konkrétním poddruhu rafinosu

• řada kmenů v přítomnosti O2 metabolizuje (oxidativně) glycerol a laktát• využítí pro výrobu alkoholických nápojů a fermentovaných potravin (líh,

pivo, víno, cider, kefír, pulque, sake), pro výrobu droždí, sterolů, enzymů a dalších produktů

• využití buněčných komponent: lipidy, proteiny, peptidy, enzymy, kofaktory, nukleové kyseliny, vitaminy

• produkce heterologních proteinů (jednoduchý expresní systém)

Yarrowia lipolytica• syn. Candida lipolytica• využívaná zejména pro schopnost produkce extracelulárních enzymů

(alkalické, neutrální a kyselé proteasy, lipasy)

• producent mikrobní biomasy (využívá n-alkany)• produkce mastných kyselin (palmitová, stearová, olejová, linolová)

• produkce mnoha přichutí a vůni (např. γ-dekalakton - aroma broskví)• produkce kyseliny citronové, α-glutarové, β-hydroxymáselné

• využití v bioremediaci díky schopnosti utilizace alifatických a aromatických uhlovodíků, mastných kyselin a tuku - produkce

biosurfaktantů• výroba erythritolu (sladidlo, zvýrazňovač aroma, stabilizátor)

• produkce látek s farmaceutickým využitím (L-dopa - Parkinsonova nemoc)

11/22/2017

15

• disponuje schopností využívat pro růst kromě běžných sacharidů také

methanol, zdrojem dusíku mohou být kromě amonných iontů též dusičnany

• využití této kvasinky spočívá především v produkci biomasy - SCP (H. jadinii)• exprese heterologních proteinů, hlavně pro farmaceutické účely

(H.polymorpha)

• produkce látek používaných jako příchutě a vůně (H. anomala, sójová omačka)• využiti v produkci nápojů a džusu (H. anomala)

• produkce L-tryptofanu (H. anomala)

• využiti v produkci fermentovaných výrobků Asijské kuchyně (H. subpelliculosa, H. anomala, H. polymorpha)

• biosensory (H. anomala, H. polymorpha)

Hansenula• vzhledem ke schopnosti zkvašovat laktosu je využívána pro kvašení syrovátky

(K. marxianus, K. lactis) a odstraňovaní laktosy z mléčných výrobků

• producent enzymů (polygalakturonidasa, invertasa, β-galaktosidasa)• produkce biomasy - SCP (K. marxianus, K. lactis)

• exprese heterologních proteinů

Kluyveromyces

Rhodotorula• kultivačně nenáročná, methylotrofní, izolace ze vzduchu, z půdy, vody, z povrchu

rostlin, z vinařských provozů, ale i z různých orgánů živočišného těla

• produkce mnoha karotenoidů (torulen, torularhodin, γ-karoten a β-karoten) –

použití v potravinářství jako aditiva, ve farmaceutickém průmyslu (prekursory

v synteze vitaminu A) a k obohacování krmných směsi

• syntéza exopolysacharidů (vysoký obsah mannosy; v potravinářství jako

zahušťovadla, stabilizátory, emulgátory a prostředky na vázaní vody nebo

želírovací) (R. mucilaginosa, R. glutinis, R. acheniorum)

• biosyntéza mastných kyselin (olejová, palmitová, linolová, arachidonová) a sterolů

(kampesterol, stigmasterol) (R. aurantiaca, R. bacarum, R. acheniorum)

• využití v bioremediaci, hlavně kontaminovaných vod – degradace PAHs (polycyclic

aromatic hydrocarbons), zejmená fenanthren, chrysen, benzo(a)antracen,

benzo(a)pyren (R. glutinis, R. rubra, R. minuta)

Candida• růstově nenáročná, kromě běžných sacharidů využívá též hydrolyzáty

dřeva a sulfitové výluhy, dusík - také ve formě dusitanů a dusičnanů• častý kontaminant v kultivačních technologiích využívajících kvasinky

• pro svůj dobrý růst složí jako producent mikrobní biomasy• působí proti plísním produkujícím mykotoxin (C. krusei)• syntetizují široké spektrum sekundárních metabolitů• využití ve výrobě mnoha fermentovaných nápojů a potravin

• výroba vina - čiření a stabilizace moštu (C. stellata), aroma (C.krusei, C. pulcherima), chuť

• výroba balzamického octu (C. stellata, C. lactis-condensi)• výroba sýrů, kefírů (C. kefyr, C. zelyanoides, C. lypolytica)

• využití v produkci vodivých bio-nano-kompozitů (C. albicans)

11/22/2017

16

Příklady průmyslového využití kvasinek Buněčné proteiny (SCP) – jedla biomasa z kvasinek a mikromycet

Jednobuněčné řasy• Řasy (algae) jsou nesourodou skupinou fotosyntetizujících eukaryot

• uskutečňují oxygenní fotosyntézu• vodní organismy, ale lze je také nalézt v prostředích s extrémními

parametry (halofilní, acidofilní, psychrofilní, velmi suchá prostředí, prostředí vystavená silnému UV záření)

• jsou schopné akumulovat mastné kyseliny, uhlovodíky, škrob, vodík• jsou zdrojem barviv fykobilinů, polynenasycených mastných kyselin,

vitaminů, minerálů, sterolů a polysacharidů (využívány ve farmacii, kosmetice a jsou součástí funkčních potravin)

• využití pro produkci biopaliv - Dunaliella spp., Chlorella spp.,Botryococcusbraunii - mají velké výnosy, sklizeň je možná po celý rok, nikoliv sezónně ,

ale pěstovat řasy v systémech o vysoké hustotě je velmi obtížné

Jednobuněčné řasy• produkují široké spektrum antioxidantů – karotenoidy: xantofyly

(zejména violaxanthin, antheraxanthin, zeaxanthin, neoxanthin a lutein) a karoteny (α-karoten, β-karoten)

• Producenti karotenoidů: Dunaliella salina: α- a β-karoten, cryptoxanthin, lutein, zeaxanthin

Chlorella: β-karoten, zeaxanthin Schizochytrium sp.: docosahexanová kyselina

Haematococcus pluvialis: astaxanthin

Význam karotenoidů pro zdraví člověka: podpora imunitního systému, potlačení oxidačního stresu, ochrana před UV

zářením (pokožka a zrak), zlepšení poměru cholesterolů (HDL vs. LDL), podpora

srdečně cévních činností, prevence rakoviny