Industrial Bacteriology

يقصد بكلمة البكتريا الصناعية ( البكتريا المستخدمة فى الصناعة) هو استغلال البكتريا فى إنتاج أية منتجات بواسطتها مشتملاً ذلك على النواتج الأولية أو الثانوية للأيض Primary or secondary metabolites. وتدخل نواتج الأيض الأولية مباشرة فى عمليات النمو والتمايز والتكاثر وبالتالى فإن النواتج الأولية أساسية لنمو الخلايا مثل الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات والبروتينات والأحماض النووية والليبيدات والكحولات والكربوهيدرات والأحماض العضوية. بينما تشتمل نواتج الأيض الثانوية على المركبات التى لاتدخل مباشرة فى نمو وتمايز وتكاثر الخلايا . كما تنتج الميكروبات جزيئات كبيرة الحجم وهى الإنزيمات التى تستغل تجاريا على نطاق واسع كما أن الخلايا الميكروبية نفسها تستخدم كمصدر للبروتين فى تغذية الحيوانات ، وفى عمليات التحول الكيميائية البيولوجية وهى العمليات التى تقوم فيها هذه الخلايا بتحويل مركب إلى مركب آخر أو مركبات أخرى ذات علاقة تركيبية بالمركب الأول وذلك باستخدام إنزيم أو أخر توفره هذه الخلايا.

والتفاعلات الكيميائية التى تستخدم فيها الكائنات الدقيقة ( التفاعلات البيولوجية) أفضل كثيرا من التفاعلات الكيميائية غير البيولوجية، حيث أن الأخيرة تستهلك كميات محسوسة من الطاقة وذلك لرفع أو خفض درجة حرارة الأوانى التى يجرى فيها التفاعل بالإضافة الى أن هذه التفاعلات تحدث فى وجود مذيبات وتتطلب وجود عوامل مساعدة وكلاهما قد يكون من الملوثات،

كما تنقسم البكتريا المستخدمة فى الصناعات من حيث علاقتها بالأكسجين الى بكتريا لاهوائية Anaerobic bacteria وبكتريا هوائية Aerobic bacteria والمجموعة الأولى تشكل أعداد كبيرة جدا من البكتريا النافعة من الوجهة الصناعية ومنها الأنواع المنتجة للبيتانول والأسيتون والإيثانول وحمض الاكتيك والتى تدخل فى صناعات الالبان . أما الأنواع الهوائية مثل بكتريا Acetobacter التى لها القدرة على إنتاج حمض الخليك والجلوكونك. وتشتمل المجالات الصناعية التى تدخل البكتريا فيها على مجالات عديدة لعل من أهمها:

قدمت الثورة الحادثة فى مجال البيولوجيا الجزيئية إمكانية إنتاج مدى جديد من المواد الدوائية الفعالة باستخدام الهندسة الوراثية بالتوازى مع الطرق البكتريولوجية فقد أصبح الآن من الممكن نقل الجينات من أحد الكائنات إلى بلازميد أو جينوم كائن آخر بحيث يوجه هذا الجين الجديد المحقون تخليق بروتينات جديدة فى هذا الكائن الذى تم نقل الجين إليه. ومن ثم، فإن أحد المواد ذات النشاط الدوائى والتى تستخدم فى العقاقير والتى يتم إنتاجها بواسطة جين معين، يمكن مضاعفة هذا الإنتاج إلى كميات كبيرة على نطاق تجارى اذا تم نقل هذا الجين الى كائنات أخرى لتوجيها لإنتاج احد هذه المواد.

مثلت عملية إنتاج الدواء باستخدام الكائنات الحية الدقيقة ، البكتريا ، والتي سميت التقنية الحيوية ( Biotechnology ) ، نقلة نوعية هامة جدا في عملية انتاج الدواء . وقد فتحت أبوابا هائلة لتطور عملية إنتاج الدواء ، مفتتحة الأمر بالأنسولين ، احد أعظم الاختراعات في القرن الماضي ، ومن ثم الانترفيرون ، الخاص بالمناعة ، والايبوتين (Epotine) ، لانتاج خلايا الدم لدى مرضى الكلى ، والكثير الكثير من اللقاحات والادوية المناعية . كانت هذه الخطوة الجبارة شمعة الامل التي اعطت العلماء افاق جديدة لانتاج الدواء.

وقد بدأ العلماء بعد ذلك بالتفكير الجدي لاستخدام أنواع حية اخرى لإنتاج الدواء ، إلا أن جهودهم هذه كانت تصطدم دائما بمشكلة تعقيد الخلايا في الكائنات الاكثر رقيا من البكتريا. وفي إطار هذه التقنية ، هناك العديد من التجارب الواعدة لإنتاج لقاحات مضادة لالتهابات الكبد الوبائى و الكوليرا.

كما أن هناك تجارب أخرى تعمل على إضافة مضادات حيوية من أصول ميكروبية لمنظفات الأسنان لمحاربة التسوس . وكذلك استخدام البكتريا لإنتاج مضادات فيروسية ، كمضاد فيروس سارس الذي مازال العمل جاريا عليه حاليا . ويرى بعض العلماء أن مستقبل إنتاج الادوية سيكون معتمدا بشكل مباشر على الكائنات الدقيقة ، حيث سيعمل العلماء على تكوين معامل حية لانتاج الدواء .





ومن هذه المواد مايلى:

1- الفيتامينات

من أكثر العقاقير التى يتم تعاطيها دون وصفة طبية (non-prescription medication) وعلى الرغم من التحفظات الطبية على ذلك إلا أنه أمر واقع على مستوى العالم.

ومعظم الفيتامينات يتم إنتاجها اقتصاديا بصورة مخلقة Synthetic، إلا أن بعضها يتم تخليقه بيولوجيا (Biosynthetically). وتنتج الفيتامينات من البكتريا على نطاق واسع حيث أثبتت مقدرتها على إنتاج الثيامين B₁ والريبوفلافين B₂وحمض الفوليك والبانتوثينيك والبيرودوكسيل والبيوتين. وكذلك سجلت للبكتريا إسهاماتً كبيرة فى إنتاج فيتامينات من عائلة A & B . كما تلعب عمليات التحول الكيميائى ذات الطابع البيولوجى biotransformation دور هام جدا فى إنتاج حمضى الأسكوربك vitamin C والتوكوفيرول vitamin E.

1- فيتامين B₁₂ (كوبالامين)

أمكن لبعض سلالات البكتريا أن تنتج هذا الفيتامين ومن اهمها:

Bacillus megaterium , butyribacterium rettgeri, Streptomyces,

Olivaceus

وقد تم إنتاج فيتامين B₁₂ على وسط غذائى يحتوى على مولاس البنجر sugar cane molasses باستخدام Pseudomonas denitrificans كما أن هناك بعض أنواع جنس Propionobacterium تستخدم لإنتاج هذا الفيتامين.

ولان هذه الفيتامين من الفيتامينات الأساسية التى يحتاجها الحيوان فانه تبعا لذلك يوجد فى كل الانسجة الحيوانية نسب ضئيلة منه – تنتجها الكائنات البكتيرية التى تعيش داخل أمعاء الحيوان - وخاصة فى الكبد وبالتالى يمكن عزله من هذه الأنسجة الحيوانية للحصول عليه .






2- الريبوفلافين B₂

تيم تخليق هذا الفيتامين عن طريق عمليات التحول الكيميائى البيولوجى biotransformation للجلوكوز الى د-ريبوز بواسطة جنس الباسيلس .ويعتبر اللبن ومنتجاتة وكذلك بعض الخضروات والخميرة مصادر أساسية لهذا الفيتامين حيث تحتوى عليه بنسب كبيرة. وهذا الفيتامين يتكسر بالحرارة، ولا يستطيع جسم الإنسان والحيوان الاحتفاظ بهذا الفيتامين داخله مما يستلزم إضافته باستمرار لعليقة الحيوان.

2- الأحماض الأمينية

تنتج بعض أنواع البكتريا الأحماض الامينية ذات الأهمية الغذائية والدوائية العالية عن طريق تخليقه من مركبات نيتروجينية غير عضوية، وقد يكون إنتاجه داخل الخلايا الميكروبية أزيد بكثير من حاجة الكائن له فيتم إفرازه الى الوسط الخارجى المنمى عليه الميكروب، حيث يسهل استخلاصه للحصول عليه. وتنقسم الأحماض الامينية الى قسمين -حسب أهميتها لجسم الإنسان ومن حيث هل يستطيع الجسم تخليقها داخله أم لا- القسم الأول أحماض أساسية وهى التى لا يستطيع الجسم تخليقها ويلزم إمداده بها من الخارج، وهى تتواجد فى اللحوم والبيض واللبن والمنتجات الحيوانية ، والقسم الثانى أحماض غير أساسية ولكن يمكن للجسم أن يخلقها داخله . وقد استغلت بعض أنواع البكتريا لإنتاج مثل هذه النوعية من الأحماض الأساسية وبكميات كبيرة لم تكن فى الحسبان. فمثلا أمكن إنتاج 50 كيلو جرام من البروتين من 500 كيلو جرام من الكائنات الميكروبية (نتحدث عامة وليس عن البكتريا فقط، والمقصود هنا فطر الخميرة) بينما ينتج حيوان الحقل 4و. كيلو جرام من البروتين من وزنه الذى يبلغ 500 كيلو جرام فى زمن قدرة 24 ساعة. والعديد من الأغذية بها محتوى بروتينى عالى الا انه ينقصها بعض البروتينات الأساسية فمثلا القمح ينقصه الحمض الامينى ليسين بينما الفول والبسلة ينقصهم الميثونين وعندئذ يجب إضافة هذه الأحماض الامينية الغائبة أو المتواجدة بصورة منخفضة والتى يمكن إنتاجها ميكروبيا الى علف الحيوان بما يحسن جودة الإنتاج الحيوانى.

أ- الجلوتاميك

تستخدم بكتريا الـ Corynebacterium glutamicum فى تخليق هذا المركب فى الصناعة بكميات كبيرة. ويحتوى الوسط الغذائى الذى تنمى فيه البكتريا المنتجة لحمض الجلوتاميك على كربوهيدرات وبروتينات واملاح غير عضوية وفيتامين البيوتين.وهذا الاخير له أهمية كبيرة فى إنتاج هذا الحمض الامينى فهو يعتبر عامل ضرورى ومؤثر فى إنتاج هذا الحمض حيث انه إذا تم امداده (البيوتين) بنسب اقل من الحد الأمثل المناسب لنمو الميكروب فان هذا يؤثر على غشاء الخلية بما يجعله أكثر قدرة على نفاذ المواد خلاله فيسبب تسريب لهذا الحمض خارج الخلايا الى الوسط الخارجى. ويتم تخليق هذا الحمض الامينى بواسطة البكتريا من خلال تكوين حمض الفا كيتوجلوتاريك _مركب وسطى يتكون خلال دورة كربس_ الذى يتكسر بدوره الى حمض الجلوتاميك بواسطة انزيم dehydrogenase.



ب-الليسين Lysine

تستخدم بكتريا الـ Brevibacterium flavum فى التخليق الحيوى على مستوى صناعى Industrial biosynthesis of lysine. وقد تم عزل مجموعة من الطفرات لهذه السلالة لها قدرة عالية على انتاج هذا الحمض الامينى أى ينقصها آلية تثبيط المنتج النهائى بحيث يمكن زيادة كمية الحمض المفرزة منها واستخدامها على نطاق صناعى. ويعتبر الليسين مكمل غذائى للإنسان الذى يقتصر غذائه على البروتينات النباتية، لأنه من المعروف أن البروتين النباتى يفتقد وجود هذا الحمض الامينى. وقد أمكن أيضا استغلال سلاسة معدلة وراثيا أيضا Corynebacterium glutamicum فى الإنتاج التجارى لهذا الحمض من خلال تعديل مسارات التخليق الحيويى فى هذه السلالة مما يمكن من انتاج كميات كبيرة منه.



3- الأحماض النووية Nucleic acids

سجلت بعض الدراسات إمكانية الحصول على الأحماض النووية من الكائنات الميكروبية كنواتج أولية أيضية وعلى رأسها جنس الباسيليس. وقد استطاع عدد كبير من العلماء الحصول على بعض أنواع من البكتريا أمكن استغلالها صناعيا فى إنتاج ثلاثة أنواع من النيوكليوتيدات لها خواص ترتبط بتحسين المذاق وتعطى بعض القوام لانواع من الحساء 5- monophosphates guanylic acis (GMP), inosinic acid (IMP) and xanthylic acid (XMP) عن طريق التلاعب فى مزارعها أو فى العوامل الوراثية لهذه الأنواع.

4- المضادات الحيوية Antibiotics:

بعض المضادات الحيوية أمكن انتاجها من الميكروبات بصورة كبيرة وخاصة الاكتينوميسيتات والتى تعتبر كائنات بكتيرية خيطية. وتعتبر المضادات الحيوية نواتج ثانوية لأيض الميكروبات حيث تنتج من عدد قليل من المخلقات البسيطة التى تنتج أوليا بفعل الميكروب كالأحماض الامينية والدهنية والسكريات والأحماض النووية. وهذه النواتج الثانوية تنتج عبر المسارات الكيميائية الحيوية للميكروبات.

وتعتبر التربة هى المصدر الرئيسى للحصول على الكائنات الدقية المنتجة للمضادات الحيوية حيت ملأ ملعقة شاى تربة تحتوى على مئات الملايين من البكتريا ومختلف الميكروبات الأخرى. ومن خلال الدراسات السابقة أمكن استنتاج أن الميكروب المنتج للمضاد الحيوى تختلف مقدرته الإنتاجية تبعا لاختلاف البيئة المنمى عليها حيث أن اختلاف البيئة وتنوعها يتيح الفرصة لنشاط بعض الميكروبات على حساب البعض الآخر، وبالتالى يؤثر على نوعية المضاد الحيوى المنتج. ومن المعروف طبعا أن المضادات الحيوية تستخدم لتثبيط نمو الميكروبات. أى أن بعض الميكروبات تنتج المضادات الحيوية لتثبيط نمو ميكروبات أخرى قد تكون ضارة جدا. وفى معظم الكائنات يتم إنتاج المضادات الحيوية خارج الخلية الى البيئة المحيطة ولكن فى القليل منها تفرز المضادات الحيوية داخل الخلية الميكروبية نفسها.

وقد أفاد بعض الباحثون بأن البكتيريا التي تتغذى على مثيلاتها من الكائنات الدقيقة قد تستخدم كبديل للمضادات الحيوية.فقد خلص باحثون بريطانيون وألمان إلى أن البكتيريا المعروفة باسم "بدلوفيبريو" Bdellovibrio bacteriovorus قد تكون بديلا مفيدا للمضادات الحيوية التي تضعف فاعليتها وقدرتها على القضاء على الأمراض مع الوقت. فهذا النوع من البكتيريا يسبح بسرعات فائقة حيث يستشعر وجود أجسام أخرى غريبة ويقتحمها ويقضي عليها. وقد أشار الباحثون إلى أنهم يعكفون في الوقت الراهن على دراسة جينات هذه البكتيريا لمعرفة كيف تشن هجماتها على الأجسام الغريبة. ويذكر أن العديد من الأمراض الشائعة بدأت تكتسب مناعة ضد المضادات الحيوية التقليدية. وفي الوقت الذي يتم فيه تطوير أنواع جديدة أكثر قوة من المضادات الحيوية يجري البحث عن بدائل لهذه المضادات.وجدير بالذكر أن بكتريا "بدلوفيبريو" Bdellovibrio bacteriovorus معروفة لدى العلماء منذ فترة، إلا أن قدراتها على محاربة العدوى لم تخضع لدراسة كافية حتى الآن. غير أن فريق الباحثين الذين يضم علماء من معهد "ماكس بلانك" لعلوم البيولوجيا الارتقائية وجامعة نوتنجهام، انتهى مؤخرا من وضع الخريطة الجينية لهذه البكتريا.ومبدئيا يأمل العلماء أن يتمكنوا من تطوير دواء قادر على القيام بنفس التفاعلات الكيميائية التي تقوم بها البكتريا لاختراق الكائنات الدقيقة الأخرى والقضاء عليها، ولكن هدفهم الأبعد هو أن يتمكنوا يوما من تجنيد تلك البكتريا نفسها داخل جسم الإنسان للقضاء على الميكروبات التي تصيبه. وتمتاز هذه البكتريا Bdellovibrio بدورة حياة معقدة حيث تستشعر أول الأمر "فريستها" من الكائنات الدقيقة الأخرى عن طريق المواد الكيماوية التي تفرزها، ثم تندفع نحوها بسرعة فائقة. وبمجرد أن تصطدم البكتريا بالخلية المستهدفة للكائن الدقيق فإنها تتعلق بها وتمد أليافا تشدها إليها. وبإمكان البكتريا عندئذ إفراز مواد كيماوية تمكنها من ثقب الجدار الخلوي للجسم المستهدف، ثم تقوم بدفع نفسها داخل هذا الجسم لتبدأ في التهام الخلية الأخرى من الداخل. وتستخدم البكتريا ما تستمده من فريستها في النمو والتكاثر، قبل أن تنطلق مستهدفة خلايا أخرى.




5- القلويدات Alkaloids

تنتج هذه المركبات من بعض أنواع البكتريا والفطريات وكذلك من النباتات الراقية وخاصة العائلة البادنجانية. وهذه المركبات لها أهمية كبيرة فى الصناعات الدوائية وهى تشتق من الأحماض الامينية أى أنها نواتج أيضية ثانوية يتم تخليقها من نواتج أولية أيضية وهى الأحماض الامينية. وتتصف بطعمها المر bitter taste . وعلى الرغم من أن بعض هذه المركبات سام الا ان البعض الاخر قد يستخدم ويصنع دوائيا كمسكنات للآلام ومضادات للالتهاب مثل المورفين والكوديين.

وهناك بعض المواد الأخرى التى تنتجها الميكروبات ومنها:

6- ستيرودات Steroids

7- الهرمونات غير الستيرودية Non-Steroid hormones

1. عوامل النمو البشرية (Epidermal)

2. Proinsulin

3. الإنسولين Insulin

4. هرمون النمو البشرى Human growth hormones

5. سوماتوستاتين

6. الإنترفيرون

7. إنزيمات متعددة مثل (الليجيز والدنابوليميريز والقصر Ligase, DNA polymerase, restriction enzymes)

8. البلازميدات

9. عامل تجلط الدم XIII

10. العامل المسبب للنخر فى الأورام Tumor Necrosis factor

11. عامل تكوين الجلطة الدموية Fibroblast growth factor

12. عديد من السيتوكينات Cytokines