PODSTAWY BIOTECHNOLOGII
Wykład 2
W biotechnologii wykorzystuje się mikroorganizmy, enzymy i analogii enzymów w celu wytworzenia produktu użytecznego w produkcji i usługach.
Rodzaje biotechnologii:
− tradycyjne: korzystają z niemodyfikowanych mikroorganizmów do wytworzenia produktów użytecznych, np. bakterie mlekowe, które wytwarzają kwas mlekowy wykorzystywane są w przemyśle mleczarskim.
− nowoczesne: stosują modyfikowane genetycznie drobnoustroje, linie komórkowe wytwarzane metodami inżynierii genetycznej albo enzymy modyfikowane metodami inżynierii białka. Obejmują także rekombinację genetyczną (in vitro) i klonowanie genów, fuzję komórek protoplastów, inżynierię białka, technikę hodowli in vitro komórek wyższych organizmów, technologie enzymów unieruchomionych, bioanalizę w układzie z rozpuszczalnikami organicznymi, komputerowe modelowanie i sterowanie bioprocesami, technikę ciągłych procesów biotechnologicznych oraz nowoczesne techniki wydzielania i oczyszczania bioproduktów.
Technika mikrobiologiczna – proces uwarunkowany działalnością mikroorganizmów. Daje ogromne możliwości w zakresie praktycznego wykorzystania zdolności mikroorganizmów do wywołania różnorodnych przemian chemicznych, a także do nadprodukcji wielorakich metabolitów w ilościach znacznie przekraczających potrzeby własne mikroorganizmu.
Fermentacja – odkryta przez Ludwika Pasteura, który wykazał, że za fermentację są odpowiedzialne mikroorganizmy, które wytwarzają alkohol (f. alkoholowa).
„Życie bez tlenu” – z punktu widzenia mikroorganizmów i procesów chemicznych wiemy, że tlen nie jest akceptorem elektronów i protonów. Fermentacja przebiega przez glikolizę. W jej wyniku ze związku organicznego (węglowodany: skrobia, celuloza) powstaje związek niskocząsteczkowy (od niego pochodzi nazwa rodzaju fermentacji).
Etanol: akceptorem elektronów i protonów jest aldehyd octowy, a produktem końcowym etanol.
Kwas mlekowy: pirogronian/kwas mlekowy. Bakterie fermentacji mlekowej są bardzo powszechne i możemy je spotkać praktycznie wszędzie.
Mikroorganizmy przeprowadzają fermentację po to, żeby uzyskać energię w celu budowy składników własnego ciała.
1 mol glukozy = 36 (38) ATP
1 ATP = 14 tys. Kcal
W przypadku fermentacji mikroorganizmy uzyskują tylko 2 ATP. W związku z tym proces ten musi zachodzić w sposób ciągły żeby dostarczyć odpowiednią ilość ATP. Dla nas jest to korzystne ponieważ powstają przy tym duże ilości produktu.
Rodzaj fermentacji zależy od wyposażenia enzymatycznego komórki.
Fermentacja:
− utlenianie związku organicznego do nieorganicznego
− wydziela się CO2
− nie wymaga tlenu jako akceptora elektronów i protonów; jego rolę spełniają produkty pośrednie procesu
Technologia enzymów – jej rozwój nastąpił po II wojnie światowej, wykorzystywana w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym, włókienniczym, analityce, lecznictwie i w gospodarstwach domowych.
Enzymy to białka, ale nie wszystkie białka są enzymami. Enzymy są strukturami delikatnymi i łatwo je zniszczyć.
!!!Dlaczego centrum aktywne enzymów jest strukturą dynamiczną?!!!
W celu utrzymania aktywności enzymów w jak najdłuższym czasie stosuje się technikę enzymów unieruchomionych. W tym celu wykorzystuje się szczepy immobilizowane.
Inżynieria bioprocesowa – technika, która umożliwia przekształcenie poznanych i opracowanych w laboratorium procesów biologicznych w ekonomiczny, odtwarzalny i opłacalny proces technologiczny. Dawniej nazywana była inżynierią biochemiczną, bioinżynierią, inżynierią fermentacji lub inżynierią mikrobiologiczną. Jest dobrze osadzona i ma mocne podstawy naukowe (jest nieustannie weryfikowana przez naukę).
Inżynieria genetyczna (technika genowa) – pojęcie to zostało zastosowane 30 lat temu na określenie nowoczesnych metod biologii molekularnej i genetyki umożliwiających manipulacje genami poza komórką, czyli rekombinację DNA in vitro. Dzięki niej stało się możliwe konstruowanie nowych genotypów, które nie występują w naturze. Otworzyła nową erę biotechnologii umożliwiającą mikrobiologiczną biosyntezę metabolitów, których mikroorganizmy nie wytwarzają. Umożliwia prowadzenie nowych badań podstawowych: dzięki niej zbadano geny podzielone i introny oraz opracowano genetykę globin krwi.
Inżynieria cyklogenetyczna – inżynieria genetyczna na poziomie komórkowym, umożliwia rekombinację DNA ( in vivo) w takim zakresie i z taką częstością jakie w naturze nie są możliwe. Wykorzystuje fuzję protoplastów, stosowana jako metoda doskonalenia szczepów.
Inżynieria białka – usiłuje metodami chemicznymi i biologicznymi otrzymać enzymy półsyntetyczne, zmodyfikowane w stosunku do enzymów naturalnych. Ma na celu zmienić ich specyficzność substratową, stabilność, optymalne warunki działania. Bada zależność pomiędzy strukturą, a funkcją.
Historia biotechnologii:
I. Okres przedpasteurowski – od zarania ludzkości do połowy XIX wieku; nauczono się szczepić produktem po fermentacji inny produkt.
II. Od roku 1850-1945 – okres przejściowy, w sposób naukowy poznawano naturę biochemiczną danego procesu; zapoczątkowany pracami L. Pasteura; opracowano produkcję acetonu i butanolu a także techniki otrzymywania czystych kultur oraz prowadzenie bioprocesów w warunkach aseptycznych (jałowych).
Czyste kultury pleśni wprowadził do biotechnologii w 1882 roku Brefel, czyste kultury bakterii - Bristel, a drożdży - Hanzel. Wprowadzenie czystych kultu dało możliwości wprowadzenia nowych biosyntez.
W USA (1894r.) zastosowano na skalę przemysłową produkcję amylazy pleśniowej. Zastosowano beztlenowe laseczki z rodzaju Clostridium do produkcji butanolu (kauczuk) oraz glicerolu i acetonu (materiały wybuchowe). Skonstruowano bioreaktory.
III.
a) do roku 1970: dzięki integracji dyscyplin biologicznych, chemicznych i inżynieryjnych, opracowano nowe technologie, m.in. biosyntezy antybiotyków, aminokwasów, enzymów i biotransformacji steroidów oraz wprowadzono pierwsze technologie zastosowania biokatalizatorów immobilizowanych.
b) teraz: praktyczne wykorzystanie genetyki i biologii molekularnej w biotechnologii. Narodziła się koncepcja manipulacji genami poza komórką. Nastąpił rozwój metod rekombinacji DNA (in vitro i in vivo). Opracowano mikrobiologiczną produkcję insuliny, hormonów wzrostu, interferonów oraz technologię wytwarzania przeciwciał monoklonalnych. Opracowano techniki procesów ciągłych, techniki mutagenizacji, konstruowanie nowych genotypów metodami inżynierii genetycznej.
Wykład 3
Pojęcia:
Kolonia – to zespół osobników wyrosłych na podłożu stałym i pochodzących od jednej komórki macierzystej.
Wyodrębnianie pojedynczych kolonii polega na izolacji ściśle określonej kolonii bakterii.
− inkubacja 24h na płytce w temp. 37°C – posiew redukcyjny na kolejnej płytce.
Hodowla (kultura) – to zbiór osobników, które wyrosły na jednym podłożu (płynnym lub stałym).
Hodowla czysta – zbiór osobników jednego gatunku, które wyrosły na wspólnym podłożu.
Hodowla mieszana – zbiór osobników należących do kilku gatunków wyrosłych na wspólnym podłożu.
Podłoże – jest to w sposób sztuczny stworzone środowisko dla rozwoju danego gatunku (gatunków) bakterii. Musi posiadać następujące cechy: być jałowe, pełnowartościowe pod względem odżywczym, mieć odpowiednie pH i ciśnienie osmotyczne, być przejrzyste.
Gdy badamy wykorzystanie przez mikroorganizmy określonego składnika to stosujemy podłoża minimalne (M9) i dodajemy np. glukozę lub lizynę i patrzymy czy dany mikroorganizm wykorzystuje ten składnik.
Gatunek – to zespół szczepów wyizolowanych niezależnie od siebie, ale posiadających wspólne cechy biochemiczne i antygenowe (horyzontalny transfer genów może zmienić właściwości antygenowe). Gatunek to inaczej zbiór szczepów. Osobniki należące do jednego gatunku nie muszą być genetycznie identyczne (E. coli O157).
Klon – zespół osobników identycznych pod względem genetycznym wyselekcjonowany odpowiednimi metodami.
Szczep – klony komórek należące do jednego gatunku, ale wyprowadzone niezależnie od siebie.
Protoplasty – bakterie gram(+), które pozbawiono ściany komórkowej. Otrzymywane przez działanie lizozymu na komórkę. W celu ulepszenia szczepów przeprowadzamy fuzję protoplastów.
Sferoplasty – bakterie gram(-) nieposiadające ściany komórkowej. Otrzymywane z komórek rosnących pod działaniem penicyliny, która hamuje syntezę mureiny na etapie dAla – dAla.
Zakres i znaczenie nowoczesnej biotechnologii:
− w produkcji żywności (przemysł spożywczy i rolniczy)
− w ochronie zdrowia
− w przemyśle chemicznym i innych przemysłach
− w ochronie środowiska i analizie
Dalszy rozwój biotechnologii gwarantuje:
− możliwość przetwarzanie surowców odnawialnych
− dużą różnorodność bioproduktów i bioprocesów
− selektywne otrzymywanie enancjomerów biologicznie czynnych
− ładne warunki przebiegu bioprocesów
− duży stopień bezpieczeństwa bioprocesów
− mniej groźnie niż w technikach chemicznych zanieczyszczenie środowiska, w razie jego powstania łatwiejsze usunięcie
Obecne zadania biotechnologii:
− opracowanie nowych leków i preparatów do ochrony zdrowia, ludzi i zwierząt
− rozwiązywanie problemów żywieniowych
− rozwiązywanie problemów ochrony środowiska
− upowszechnienie procesów biokatalizy w przemyśle chemicznym oraz przetwórstwie surowców naturalnych
− udział w rozwiązywaniu procesów energetycznych: główne surowce to skrobia, sacharoza oraz produkty uboczne przetwarzania – MELASA
Celuloza (40-70% w glebie) rozkładana bardzo powoli/ techniki zmierzają do polepszenia kinetyki rozkładu celulozy.
1
Powstało dzięki zlaniu komórki rakowej i komórki produkującej jedno przeciwciało.
...