تحقیق درباره فیزیولوژی، جنگ جهانی دوم، فنیل آلانین، ارزش افزوده

دانلود پایان نامه ارشد

هدفمند میکروارگانیسم‌ها را فراهم ساخت. کمی پس از اثبات قابلیت‌های فنون مهندسی ژنتیک برای بهبود سویه‌های میکروبی، واژه‌های متعددی از جمله اصلاح مولکولی، تکامل آزمایشگاهی، مهندسی مسیرهای متابولیک، مهندسی سلولی و مهندسی متابولیک برای نمایش کاربردهای بالقوه این فناوری در اصلاح هدفمند مسیرهای متابولیک پیشنهاد شد. در این میان، واژه مهندسی متابولیک را که بیلی در سال 1991 ارائه داد، عمومیت بیشتری یافت. بیلی، مهندسی متابولیک را به صورت ” بهبود فعالیت‌های سلولی از طریق دستکاری در کارکردهای آنزیمی، انتقالی و تنظیم‌کنندگی سلول با استفاده از فناوری نوترکیب سازی DNA ” تعریف نمود.
مهندسی متابولیک شامل دو مرحله تجزیه‌و‌تحلیل و ساخت است. از آنجا که مهندسی متابولیک در نتیجه پیشرفت در فنون نوترکیب سازی DNA پدیدار شد، در ابتدا تمرکز به صورت عمده بر جنبه ساخت مولکول‌ها با مهندسی متابولیک، یعنی بیان ژنهای جدید در میزبان‌های سلولی مختلف، تقویت آنزیم‌های داخل سلولی، حذف ژن‌ها و یا اصلاح فعالیت‌های آنزیمی معطوف شده بود. به این ترتیب در ابتدا مهندسی متابولیک اغلب به عنوان جنبه فنی زیست‌شناسی مولکولی کاربردی با اندکی محتوای مهندسی تعبیر می‌شد، اما با پیشرفت سریع فنون تجزیه‌ای و نیز فنون همسانه‌سازی(cloning techniques )، امکان ایجاد تغییرات ژنتیکی هدفمند و سپس تجزیه و تحلیل آثار تغییرات ایجاد شده در سطح سلولی فراهم شد. عمده جنبه مهندسی این زمینه در بخش تجزیه و تحلیل مهندسی متابولیک نهفته است. در این بخش، پاسخ به سوال‌های زیر مهم است:
چگونه می‌توان عوامل مهم که حالت فیزیولوژیکی را بیان می‌کنند ، تعریف نمود؟ چگونه می‌توان از این اطلاعات برای توصیف نحوه کنترل یک شبکه متابولیک و متعاقب آن یافتن اهداف ژنی جدید برای دستیابی به یک هدف مشخص بهره جست؟ چگونه می‌توان آثار زیست شیمیایی اصلاحات ژنی و آنزیمی جدید را دوباره بررسی نمود و از نتایج آن در خصوص طراحی سری جدید اهداف ژنی برای اصلاح بیشتر سویه‌ها تا رسیدن به هدف مورد نظر استفاده نمود؟ آیا می‌توان به جای بهره‌گیری از فرآیندهای تصادفی، فرآیندی منطقی و هدفمند را برای تعیین اهداف ژنی در رسیدن به اهداف مورد‌نظر استفاده کرد؟
از آنجا که تجزیه و تحلیل دقیق نتایج حاصل از بخش ساخت اغلب به یافتن اهداف ژنی جدید برای توسعه بیشتر سویه منجر شود، وجود ارتباط نزدیکی بین دو بخش ساخت و تجزیه و تحلیل ضروری است.
طبق این چرخه، مهندسی متابولیک، فرایند پیوسته برای بهبود خواص سلولی از طریق چندین بار اعمال فنون مهندسی ژنتیک است. بسته به نوع فرآیند و هدف مورد‌نظر، می‌توان از مراحل مختلف، چرخه کار را شروع کرد. برای مثال، به منظور تولید یک پروتئین دگرساخت یا متنوع‌سازی طیف سوبسترای قابل استفاده برای میکروارگانیسم مورد‌نظر، همواره لازم است که کار را از مرحله ساخت شروع نمود؛ ولی اگر هدف، بهبود بازدهی یا بهره‌دهی در یک فرایند موجود باشد ابتدا لازم است مسیرهای متابولیکی دخیل در شکل‌گیری محصول و نحوه بر هم کنش آن‌ها با کارکرد کلی سلول بررسی شود. به عبارت دیگر، برای رسیدن به این هدف باید کار را از مرحله تجزیه و تحلیل شروع نمود. توجه به مطلوب بودن بهینه‌سازی بازدهی یا بهره بردهی در فرایندهای صنعتی ضروری است؛ بنابراین مرحله تجزیه و تحلیل نقش مهمی دارد، حتی در مواردی که مرحله اول، توسعه یک سویه نوترکیب برای تولید محصول مورد‌نظر است.
تاکنون مثال‌های متنوعی از کاربرد مهندسی متابولیک برای توسعه و بهبود خصوصیات میکروارگانیسم‌ها گزارش شده است.این مثال‌ها را بسته به هدف مورد‌نظر می‌توان به پنج گروه کلی تقسیم نمود که عبارتنداز :

افزایش بازدهی یا بهره‌دهی محصولات تولید شده از میکروارگانیسم‌ها : در بسیاری از فرایندهای زیستی صنعتی به خصوص در تولید محصولات با ارزش افزوده پایین، افزایش مداوم بازدهی و یا بهره‌دهی اهمیت بسیاری در اقتصادی شدن فرآیند دارد. گاهی می‌توان این کار را با افزایش فعالیت آنزیم‌های موجود در یک مسیر متابولیک(مثلا با افزایش میزان بیان ژنها) انجام داد. در برخی موارد تعداد مراحل منتهی به تولید محصول در یک مسیر متابولیک زیاد است و افزایش میزان بیان تمام آنزیم‌ها امکان ناپذیر است؛ در این گونه موارد، تجزیه و تحلیل چگونگی تنظیم شارژ جریان در مسیرهای متابولیکی مورد‌نظر ضروری است.

حذف یا کاهش تولید محصولات جانبی: تشکیل محصولات جانبی در فرآیندهای صنعتی مشکلات زیادی از جمله اتلاف مواد اولیه، سمیت این محصولات و تداخل محصولات جانبی با فرآیندهای جداسازی را به همراه دارد. در برخی موارد می‌توان با حدف ژن‌های مسئول تولید محصولات جانبی از تشکیل این محصولات جلوگیری نمود، ولی در برخی موارد نیز به‌دلیل لزوم تشکیل این محصولات برای عملکرد طبیعی سلول، نمی‌توان این ژن‌ها را حذف نمود. در این موارد باید در ابتدا تجزیه و تحلیل کاملی از شبکه‌های متابولیک صورت گرفته و بر این اساس راه‌ حل کاهش تشکیل محصولات جانبی ارائه شود(9).

1-7) متابولیت‌های میکروبی ( متابولیت‌های ثانویه – ایدولیت‌ها Secendary Metabolit )
رشد میکروارگانیسم‌ها را می‌توان به چند مرحله تقسیم کرد. پس از تلقیح کشت میکروبی به محیط کشت مغذی، مدت زمانی طول می‌کشد تا میکروارگانیسم‌ها شروع به رشد کنند این مرحله به نام مرحله تأخیر شناخته می‌شود و در واقع زمان لازم برای تطابق میکروب‌ها با محیط جدید است. پس از گذشت مرحله تأخیر، سرعت رشد میکروبی به تدریج افزایش می‌یابد تا این که سرعت به حداکثر مقدار خود می‌رسد که مرحله لگاریتمی خوانده می‌شود. پس از مدتی، سرعت کاهش یافته و میکروارگانیسم‌ها به مرحله ساکن ( به صورت ثابت) و متعاقب آن به مرحله مرگ وارد می‌شوند. مشابه رفتار سینتیکی فوق – که بر اساس مراحل مختلف رشد ارگانیسم‌ها ارائه شده است، رفتار کشت میکروبی را می‌توان بر اساس محصولاتی توصیف کرد که در مراحل مختلف رشد تشکیل می‌شوند(9).
در طی مرحله لگاریتمی، محصولات تولید شده برای رشد سلول‌ها ضروری است و شامل اسیدهای آمینه، نوکلئوتیدها، پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها، کربوهیدرات‌ها و غیره می‌شود. این محصولات به عنوان محصولات اولیه متابولیسم شناخته می‌شوند و مرحله ای که این محصولات در آن تولید می‌شوند ( معادل مرحله لگاریتمی ) تروفوفاز نامیده می‌شود.
بسیاری از محصولات متابولیسم اولیه مانند اتانل، اسید سیتریک، اسید گلوتامیک، لیزین، نوکلئوتیدها، فنیل آلانین، پلی ساکاریدها ، ویتامین‌ها و غیره، از اهمیت اقتصادی بسیاری برخوردار بوده و به روش تخمیری تولید می‌شوند. ساخت متابولیت‌های اولیه به‌وسیله میکروارگانیسم‌های وحشی به گونه‌ای است که تولید آن‌ها فقط نیازهای میکروارگانیسم‌ها را برآورده می‌سازد. بنابراین وظیفه میکروب شناسان صنعتی آن است که میکروارگانیسم‌های نوع وحشی و وضعیت کشت را به گونه ای اصلاح کنند که بازده این ترکیبات افزایش یابد.
در طول مراحل کاهش سرعت رشد و ساکن، برخی از کشت‌های میکروبی ترکیباتی را تولید می‌کنند که در تروفوفاز تولید نمی‌شود و به نظر می‌رسد که وظیفه مشخصی در متابولیسم سلولی داشته باشند. این ترکیبات به عنوان محصولات ثانویه متابولیسم شناخته می‌شوند و مرحله‌ای که در آن تولید این ترکیبات ثانویه یا آیدیولیت ها صورت می‌گیرد ( معادل مرحله ساکن ) آیدیوفاز نامیده می‌شود. آیدیوفاز مرحله‌ای از رشد است که در پی فاز رشد لگاریتمی یا رکود آغاز شده یا با آن همپوشانی دارد و در طی آن میکروارگانیسم آیدیولیت‌ها را سنتز می‌کند؛ به لحاظ طبقه بندی میکروارگانیسم ها این فرایندها توسط گروه معدودی که از نظر بیوشیمیایی قرابت دارند سنتز می‌شود و توانایی تولید آنها به راحتی با حذف یک پلاسمید یا ایجاد یک جهش از دست می‌رود. امروزه تهیه متابولیت‌های ثانویه نقش مهمی در سلامت و تغذیه انسان دارد. ترکیباتی نظیر توکسین‌ها ، آنتی‌بیوتیک‌ها و عوامل رشد گیاهی اهمیت حیاتی و تجاری دارند(47).
باید توجه داشت که متابولیسم ثانویه، ممکن است در کشت مداوم همراه با سرعت رشد پائین روی دهد و این یکی از خواص سلولهایی است که یا رشد نمی‌کنند یا سرعت رشد پایینی دارند. همچنین متابولیسم ثانویه در تمامی میکروارگانیسم‌ها روی نمی‌دهد. متابولیسم ثانویه در باکتری‌های رشته‌ای، قارچ‌ها و باکتری‌های اسپورزا معمول است اما برای مثال در انتروباکتریاسه ‌ها مشاهده نشده است. همچنین باید توجه داشت که طبقه بندی محصولات میکروبی به متابولیت‌های اولیه و ثانویه قراردادی بوده و گاهی دسته‌بندی یک محصول به عنوان متابولیت اولیه و ثانویه مشکل بوده و ممکن است سینتیک ساخت برخی از ترکیبات بسته به وضعیت کشت تغییر کند.
اهمیت فیزیولوژیکی متابولیسم ثانویه بر سلول‌های تولید‌کننده متابولیت‌های ثانویه، تاکنون موضوع بحث‌های فراوانی بوده است اما اهمیت این متابولیت‌ها در صنعت تخمیر، به دلیل آثار این متابولیت‌ها روی سلول‌های دیگری به جز سلول‌های تولیدکننده آنهاست. بسیاری از متابولیت‌های ثانویه، فعالیت ضد میکروبی دارند، برخی از آن ها ممانعت کننده های آنزیمی و برخی نیز پیش برنده رشد هستند و خواص فارماکولوژیکی دارند.
متابولیت‌های ثانویه احتمالا به بقا یا برتری اکولوژیک میکروارگانیسم مولد کمک می‌کنند اما در فرایندهای رشد نقش ندارند(9).
با ارزشترین متابولیت‌های ثانویه شناخته شده، آنتی‌بیوتیک‌ها هستند و مایکوتوکسین‌ها، ویتامین‌ها و اسیدهای آلی به دنبال آن قرار می‌گیرند. نزدیک به دو هزار آنتی‎بیوتیک شناسایی و توصیف شده است که در این میان، حدود هزار و پانصد نوع آن تنها به اکتینومیست‌ها تعلق داشته و هنوز سالانه بین 50 تا 100 آنتی‌بیوتیک جدید کشف می‌شود.
مشابه متابولیت‌های اولیه، میکروارگانیسم‌های وحشی نیز متابولیت ثانویه را در غلظت پایینی تولید می‌کنند و تولید آنها به وسیله سازوکارهای برانگیختن، بازدارندگی کاتابولیکی و پس خور کنترل می‌شود. تاکنون فنون زیادی برای افزایش تولید متابولیت‌های ثانویه توسعه داده شده است(47).
1-8) تعریف و تاریخچه آنتی بیوتیک ها
بر اساس یک تعریف آنتی‌بیوتیکها موادی هستند که توسط موجودات ذره‌بینی تولید شده و اثر مهارکندگی و یا تخریب‌کننده بر موجودات ذره‌بینی دیگر نشان می‌دهند. این مواد را می‌توان یا از منابع‌طبیعی(مانند میکروبها) و یا به روش سینتتیک تولید کرد(7).
کشف پنی‌سیلین توسط فلیمینگ در سال 1929 را می‌توان آغاز عصر آنتی بیوتیکها نام نهاد. در آن زمان وقتی الکساندر فلمینگ مشاهده کرد که رشد استافیلوکوک بر روی پتری‌دیش به دلیل آلوده شدن محیط کشت به پنی سیلیوم نوتاتوم متوقف می‌شود، به فعالیت ضد میکروبی یک میکروب بر علیه میکروبهای دیگر پی برد(17).
مدت کوتاهی بعد از آغاز جنگ جهانی دوم، گروه آکسفورد به رهبری فلوری موفق به جدا کردن اولین مقدار ناخالص ولی از نظر درمانی موثر پنی سیلین شدند. در آن زمان به خاطر تلفات زیاد جنگ و نیاز به معالجه آنان تولید تجاری آنتی‌بیوتیک آغاز گردید و تلاشهای زیاد و برنامه توسعه انگلیسی- آمریکایی منجر به تغییراین مواد جالب به اولین آنتی‌بیوتیک تجاری شد.
پنی‌سیلین ابتدا به خاطر اینکه در آن زمان تکنولوژی گذاشت و برداشت و پر کردن تعداد زیادی بطری شیر وجود داشت، در بطریهای شیر تولید شد ولی این روش زیاد طول نکشید هر چند قبل از اینکه تکنولوژی لازم توسعه داده شود فرمانتورهای بشکه‌ای عمیق استفاده شده بود و در نتیجه یک گام بزرگ به طرف راندمان و بهره‌وری فرآیند برداشته شد. تولید موفقیت‌آمیز و توسعه پنی‌سیلین G نشان داد که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند ترکیبات داروئی مفیدی تولید کنند و در نتیجه جستجو برای آنتی‌بیوتیک‌های جدید آغاز شد که تا به امروز ادامه دارد(31).
تا کنون بیش از5000 آنتی‌بیوتیک از منابع میکروبی که بیشترین جمعیت آنها مربوط به استرپتومایستها است، جدا شده و در مطبوعات علمی گزارش شده است و بیش از 3000 آنتی‌بیوتیک نیمه صناعی تهیه گردیده است. از تمام اینها فقط 100 آنتی‌بیوتیک بطور بالینی بکار می‌رود

پایان نامه
Previous Entries تحقیق درباره بیوتکنولوژی، دی اکسید کربن، شیمی درمانی، مقیاس تجاری Next Entries تحقیق درباره مورفولوژی