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Scoperta di effetti inibitori nelle colture batch alimentate: perché i tuoi microbi non crescono?
Con il progresso della biotecnologia, la tecnologia della coltura in batch è gradualmente diventata un'operazione fondamentale nei principali processi di produzione. Questa tecnologia non solo può migliorare efficacemente la crescita dei microrganismi e la produzione di metaboliti, ma può anche aiutare gli scienziati a risolvere molte delle sfide che i metodi di coltura tradizionali devono affrontare. Tuttavia, di fronte agli effetti inibitori che si verificano durante la coltivazione di vari microrganismi, i ricercatori sono ancora perplessi sul motivo per cui alcuni microrganismi non crescano in determinate condizioni.
La coltura fed-batch è una tecnologia operativa che fornisce continuamente uno o più nutrienti (substrati) durante il processo di coltura e trattiene il prodotto nel bioreattore fino alla fine del ciclo.
Il vantaggio della tecnologia di coltura fed-batch è che può controllare in modo flessibile la concentrazione del substrato nel mezzo di coltura, influenzando così la crescita e il metabolismo dei microrganismi. In alcuni casi, questa tecnica è superiore alle colture batch convenzionali, in particolare quando le concentrazioni dei nutrienti influenzano la resa o l'efficienza della produzione del metabolita desiderato. Tuttavia, questa tecnologia apparentemente ideale si scontra spesso con la sfida degli effetti inibitori nelle applicazioni pratiche.
Tipi di effetti inibitori
Durante la coltura in batch di alimentazione, si verificano diversi effetti inibitori tipici:
Inibizione del substratoAlcuni nutrienti, come il metanolo, l'etanolo, l'acido acetico e i composti aromatici, possono inibire la crescita microbica anche a concentrazioni relativamente basse. Aggiungendo opportunamente tali substrati, il tempo di ritardo può essere abbreviato e l'inibizione della crescita cellulare può essere notevolmente ridotta.
Alta densità cellulare
Nelle colture in batch, per ottenere densità cellulari molto elevate è spesso necessario aggiungere elevate concentrazioni iniziali di nutrienti al terreno di coltura. Tuttavia, a concentrazioni così elevate, i nutrienti diventeranno inibitori. Ciò richiede un adattamento attraverso tecniche di alimentazione.
Nella produzione del lievito di birra, anche in presenza di una quantità adeguata di ossigeno disciolto, l'eccesso di zucchero nella coltura produrrà etanolo, con conseguente bassa resa cellulare.
Effetto Crabbitt
Le elevate concentrazioni di zucchero portano alla formazione di etanolo, che non solo influisce sulla crescita ma produce anche sottoprodotti nocivi; per questo motivo, nella produzione di lievito per panificazione si utilizza generalmente un processo fed-batch per ridurre questo effetto.
Inibizione dei metaboliti
Quando i microrganismi vengono coltivati in condizioni aerobiche ad alte concentrazioni di zucchero, si producono come sottoprodotti acidi organici come l'acido lattico e l'acido acetico, che inibiscono la crescita cellulare e compromettono le loro attività metaboliche.
Soppressione del gas
In alcuni processi colturali, come la produzione della penicillina, la richiesta di ossigeno dei microrganismi deve essere mantenuta entro determinati limiti. Se viene fornito troppo ossigeno, la formazione di specifici metaboliti verrà inibita, influenzando la resa del prodotto finale.
Strategie di controllo della crescita microbica
Inoltre, grazie alla natura controllabile delle colture fed-batch, sono state utilizzate numerose strategie per controllare la crescita microbica. Ad esempio, nella coltura ad alta densità, il tasso di crescita viene mantenuto fornendo continuamente il substrato limitante; nel caso di alimentazione stabile, il tasso di alimentazione viene regolato in base alla situazione di crescita per evitare l'emissione di metaboliti collaterali; nella direzione della sintesi enzimatica , il tasso di crescita è controllato limitando il tasso di crescita. L'apporto di substrato allevia l'effetto inibitorio e promuove la sintesi delle sostanze richieste.
ConclusioneUna delle applicazioni più importanti delle colture fed-batch è quella di mantenere al minimo la concentrazione di un composto specifico, preservando al contempo l'espressione genica continua.
Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, la tecnologia della coltura in batch riceverà sempre più attenzione. I ricercatori devono urgentemente condurre studi approfonditi sugli effetti inibitori a cui vanno incontro vari microrganismi durante la coltivazione e valutare come superare queste sfide attraverso diverse strategie di coltivazione. Di fronte a una serie di potenziali fattori influenti, come possiamo riadattare le nostre strategie di coltivazione microbica per far fronte a questi ambienti di crescita avversi?
