Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Базовая кафедра биотехнологии
РЕФЕРАТ
Свойства бактериальной целлюлозы, продуцируемой в культуре
Acetobacter xylinum
Преподаватель И.Е. Суковатая
Студент ББ12-01М О.С. Умняшкина
Красноярск 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
Бактериальная целлюлоза 3
Исследования свойств бактериальной целлюлозы 4
Очистка экспериментальных пленок 6
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 6
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время внеклеточная бактериальная целлюлоза получила широкое применение в нескольких отраслях народного хозяйства в мировой практике: для создания биофильтров с различными размерами, для иммобилизации микроорганизмов и ферментов; в бумажной и упаковочной промышленностях. В текстильной промышленности бактериальную целлюлозу используют для создания новых тканей, в медицине для производства искусственной кожи; в высокотехничной промышленности для производства новых материалов, нанокомпозитов, в экологии для очистки сточных вод [1].
Механизм биосинтеза изучается главным образом в клетках бактерий рода Acetobacter. Acetobacter - это грамотрицательная, строго аэробная палочковидная бактерия. Она характеризуется способностью продуцировать многочисленные цепи поли-бета-1,4-глюкана, химически идентичного целлюлозе. Целлюлозные цепи в виде микрофибрилл синтезируются на поверхности бактерий на сайтах, расположенных вне клеточной мембраны.
Бактериальная целлюлоза
Бактериальная целлюлоза (БЦ) обладает уникальными свойствами, которые отсутствуют в целлюлозе растительного происхождения. БЦ — это полимер глюкозы, образуется при статическом бактериальном культивировании, является достаточно прочной гель-пленкой (соотношение сухой полимер/вода около 1/100) с определенной архитектурой, образуемой кристаллическими микрофибриллами на наноструктурном уровне. Вода может быть заменена на органическую жидкость с сохранением огромной внутренней поверхности.
В гель-пленке целлюлозы, производимой бактерией Acetobacter xylinum, могут формироваться различающиеся по толщине водные области: внутри фибрилл (образованных миникристаллами, продуцируемыми терминальными комплексами бактерии), на поверхности фибрилл и на поверхности лент, в которые могут организовываться микрофибриллы, а также в различных заполненных водой порах сетки из кристаллических лент и микрофибрилл [2].
Таким образом, гель-пленка БЦ может являться мембраной-носителем практически любых лекарственных препаратов для наружного и внутреннего применения в медицине и разнообразных веществ для техники [3].
Исследования свойств бактериальной целлюлозы
Широкое применение БЦ ограничено низкой доходностью и высокой стоимостью. 1- метилциклопропен (1 - МКП) является мощным ингибитором во время старения растений и его стали применять для сохранения овощей и фруктов. Было произведено исследование, целью которого стало изучение влияния 1- МКП на биосинтез Acetobacter xylinum. Было три группы образцов с различными концентрациями 1- МКП в среде, эксперимент шел в течение 12 дней, по итогу было выявлено, что 1 – MКП положительно влияет на рост БЦ, увеличивая выход. Это было первое исследование использовать ингибитор роста растений на бактериях [4].
Ведутся разработки по созданию пленок БЦ с желатином. В среду с культурой Acetobacter xylinum добавляли определенное количество желатина, в ходе биосинтеза целлюлоза и желатин взаимодействовали между собой, образуя плотную и однородную пленку. Оба полимера имеют определенную степень растворимости. Включение желатина в пленку привело к значительному улучшению оптической прозрачности и водопоглащению [5].
Были исследованы пленки бактериальной целлюлозы Glucoacetobacter xylinus с содержанием воды менее 1% с целью выяснения особенностей связывания воды с первичным гидроксилом в бактериальной целлюлозе. Методом диэлектрической спектроскопии исследовано влияние температурной обработки пленки БЦ на подвижность первичного гидроксила. Показано наличие двух областей релаксации первичного гидроксила в БЦ [6].
Было произведено исследование по добавлению в волокна БЦ коммерческого крахмала Mater-Bi®. БЦ получали культивированием Acetobacter xylinum в течение 21 дней на среде с глюкозой. Для получения нановолокна БЦ без воды, пленки подвергали сублимационной сушке при давлении 130 мбар. Крахмал Mater-Bi и БЦ были смешаны с использованием мини экструдера при 160°С в течение 10 мин при скорости вращения ротора 50 об. Была измерена кристалличность и температура плавления образцов. Результаты показали значительное улучшение механических и термических свойств при добавлении крахмала Mater-Bi . Волокна БЦ легко включаются в матрицы Mater-Bi [7].
Новый композит – БЦ с коллагеном был создан путем погружения влажной пленки БЦ, выделенной Acetobacter xylinum, в раствор коллагена с последующим процессом заморозки-сушки. Продукт по структуре похож на пену. Морфологию композита исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). СЭМ изображения показали, что молекулы коллагена не только нанесены на поверхность фибрилл БЦ но и проникают внутрь. Дальнейшие исследования показали, что коллагеновые каркасы являются биологически активным и подходят для клеточной адгезии, могут быть использованы для раневой повязки или ткани [8].
Путем агрегирования в водной суспензии получен композит из двух наноразмерных биосовместимых веществ – целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфата кальция. Методами рентгеновской и электронной дифракции, электронной микроскопии исследована структура исходных компонентов и
композита. Минеральный компонент состоит из двух кристаллических фаз – гидроксиапатита и витлокита (трикальций фосфата с магнием), которые представляют собой наноразмерные пластинчатые кристаллы. Композит сохраняет кристаллические структуры исходных фосфатов кальция и целлюлозы. Кристаллиты гидроксиапатита и витлокита при формировании композита адсорбируются на поверхностях нанофибриллярных лент целлюлозы. На поверхности целлюлозных лент осаждаются преимущественно нанокристаллы витлокита. Методом компьютерного моделирования проведен анализ взаимной ориентации поверхностей кристаллических структур целлюлозы и двух фосфатов кальция (гидроксиапатита и витлокита), предложены варианты взаимного расположения их поверхностей при формировании межфазной границы [9].
Активная роль БЦ заключается в стимулировании регенерационных процессов. Она помогает восстановлению базальной мембраны, ускоряет эпителизацию и зарубцовывание. Когда пленку смачивают физиологическим раствором, она приобретает прозрачность, эластичность и плотность, близкие к таковым для неповрежденной кожи человека; более того, пленка обладает селективной проницаемостью для газа и паров воды и, в тоже время, она непроницаема для воды и бактерий [Error: Reference source not found].
Очистка экспериментальных пленок
Для очистки пленку БЦ помещали в 0,5 % раствор NaOH на 24 часа при температуре 25-27°С и периодически перемешивали. После промывки в дистиллированной воде пленку помещали в 0,5% раствор соляной кислоты на 24 ч, после чего промывают дистиллированной водой до получения реакции промывочных вод pH 6-7 и высушивали на воздухе при комнатной температуре до постоянной массы [10].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Hwan J, Kon Park H and J. Improvement of bacterial cellulose production in Acetobacter xylinum using byproduct produced by Gluconacetobacter hansenii
Korean J. Chem. Eng. 2012; 29(5): 563-566
2 Т. А. Бабушкина, Т. П. Климова, Э. В. Штыкова и др.
3 Пиневич А.В. Чудо-пленки, или Слово о бактериальной целлюлозе // Санкт-Петербургский университет. 2007. №3
4 Hu Y., Catchmark J.M. Influence of 1-methylcyclopropene (1-MCP) on the production of bacterial cellulose biosynthesized by Acetobacter xylinum under the agitated culture. The Society for Applied Microbiology. 2010; 51: 109–113
5 Taokaew S., Seetabhawang S., Siripong P., Phisalaphong M. Biosynthesis and Characterization of Nanocellulose-Gelatin Films. Materials. 2013; 6: 782-794
6 Хайруллин А. Р., Паутов В. Д., Темникова Н. Е. Влияние воды на релаксационные характеристики первичного гидроксила в целлюлозе Glucoacetobacter xylinus (часть 2)
7 Nainggolan H., Gea S., Bilotti E, Peijs T., Hutagalun S.D. Mechanical and thermal properties of bacterial-cellulose-fibre-reinforced Mater-Bi® bionanocomposite. Beilstein J. Nanotechnol. 2013, 4: 325–329
8 Zhijiang C, Guang Y. Bacterial Cellulose/Collagen Composite: Characterization and First Evaluation of Cytocompatibility. Journal of Applied Polymer Science. 2011: 2938–2944
9 Баклагина Ю. Г., Лукашева Н. В., Хрипунов А. К. и др. Взаимодействие между наноразмерными кристаллическими компонентами композита на основе целлюлозы Acetobacter xylinum и фосфатов кальция. Высокомолекулярные соединения. 2010; Серия А , том 52, № 4, с. 615–627
10 Митрофанов Р.Ю., Будаева В.В., Сакович Г.В. Получение и свойства гель-пленки бактериальной целлюлозы // Химия в интересах устойчивого развития. Бийск. 2010. №18. С.587-592
|
