Питательные среды для культивирования: определение, виды и классификация

В процессе своего роста микроорганизмы берут из питательной среды множество различных химических соединений, которые служат основой для энергетического и конструктивного обмена в клетках. Возможности микроорганизмов по использованию ферментов и получению энергии разнообразны и уникальны для каждого вида, поэтому их потребности в питательных веществах также различаются. Это означает, что не существует универсальной среды, которая была бы одинаково подходящей для роста всех микроорганизмов и клеток.

Питательная среда — однокомпонентный или многокомпонентный субстрат, используемый при культивировании микроорганизмов или культур клеток высших организмов. Существует два основных типа питательных сред: те, что используются для культивирования клеток, полученных от растений или животных, и те, что используются для микробиологических культур, в которых выращиваются микроорганизмы, такие как бактерии или грибы. Наиболее распространёнными питательными средами для микроорганизмов являются питательные бульоны и агаровые пластины; для выращивания микроорганизмов и клеточных культур часто требуются специализированные среды.

• биофармацевтика — создание лекарственных препаратов, вакцин, контроль стерильности лекарств, производство вакцин;
• медицина — диагностика инфекций, вызванных различными патогенами;
• биология — глубокое исследование малоизученных биологических культур;
• пищевая промышленность — производство кисломолочных продуктов, разработка антимикробных добавок для продления срока годности и улучшения качества продуктов, например, для улучшения текстуры;

Состав и концентрация питательных веществ определяют метаболизм в клетках-продуцентах. В зависимости процесса такими веществами могут быть глюкоза, сахароза, лактоза, крахмал, целлюлоза, этанол и другие. Состав питательных веществ определяется на этапе создания питательной среды, а концентрация может регулироваться или изменяться в процессе ферментации в зависимости от метода ее проведения.

• Базовые, минимальные питательные среды (minimum essential media)
• Классические питательные среды
• Среды с определенным химическим составом
• Натуральные среды с неопределенным химическим составом
• Сыворотки
• Питательные добавки
• Факторы роста
• Сухие среды в форме порошка
• Жидкие питательные среды

• Периодическое. При периодическом способе культивирования в ферментер добавляют питательную среду сразу и посевной материал. Микроорганизмы культивируют в оптимальных условиях в течение определённого времени, после чего сливают содержимое ферментера и переходят к этапу выделения и очистки целевого продукта. При таком подходе клеточная культура проходит несколько фаз роста: лаг-фазу, экспоненциальную фазу, фазу замедления роста, стационарную фазу и фазу отмирания.
• Периодическое культивирование с подпиткой (fed-batch). Метод в биотехнологических процессах, при котором одно или несколько питательных веществ (субстратов) подаются в биореактор во время культивирования, а продукт остаётся в биореакторе до конца цикла.  Кроме того, существует метод полунепрерывного культивирования, при котором часть содержимого биореактора периодически извлекается и заменяется эквивалентным объёмом среды.
• Непрерывное культивирование. При непрерывном культивировании питательная среда постоянно подаётся в биореактор, где создаются оптимальные условия для роста микроорганизмов, а из биореактора также непрерывно подается культуральная жидкость вместе с микроорганизмами. В непрерывных процессах микроорганизмы постоянно находятся в экспоненциальной фазе роста, что положительно сказывается на интенсификации процесса. При этом поддерживается равновесие между увеличением биомассы за счёт деления клеток и её уменьшением из-за разбавления свежей средой.

Значение pH и температура регулируют скорость биохимических реакций. Кислотность питательной среды особенно важна для биохимических реакций, происходящих в клетках-продуцентах. Концентрация ионов водорода в растворе влияет на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому поддержание такого баланса является критически важным для оптимального культивирования. В ферментере постоянное значение pH поддерживается путём дозирования щёлочи или кислоты. Оптимальный диапазон pH может различаться в зависимости от типа материала.

• Осмотическое давление является критичным физиологическим параметром, в ходе культивирования оно поддерживается с помощью разбавления или добавления новых порций питательной среды.
• Клеточные культуры могут быть как аэробными, так и анаэробными. В аэробных культурах кислород участвует в обмене веществ. Анаэробная ферментация может проводиться в условиях полной изоляции культуральной среды от кислорода (если микроорганизмы являются облигатными анаэробами) или без подачи дополнительного кислорода.
• Углекислый газ служит источником углерода для автотрофов. Некоторые гетеротрофные микроорганизмы нуждаются в нём, а некоторые, наоборот, замедляют метаболизм в его присутствии.

• Промышленное культивирование клеток животных и человека осложнено тем, что клетки вне организма растут плохо. Для культивирования клеток используются естественные среды (сыворотка, сгустки плазмы, тканевые экстракты). Синтетические среды (среда Маккоя, среда Игла и др.) имеют сложный состав (более 50 компонентов). Для более эффективного культивирования к среде добавляют факторы роста.
• Процесс культивирование чувствителен к стерильности. Широко применяются одноразовые технологии, где отсутствует необходимость в очитке биореактора между партиями. Это минимизирует риск потери питательной среды и продукта.