BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA

Transkrypt

1 BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA 1. Wprowadzenie do biotechnologii. Rys historyczny. Zakres i znaczenie nowoczesnej biotechnologii. Opracowanie procesu biotechnologicznego. 7. Produkcja biomasy. Białko mikrobiologiczne Pozyskiwanie i ulepszanie szczepów przemysłowych. Pozyskiwanie drobnoustrojów. Ulepszanie szczepów na drodze mutagenizacji. Metody selekcji szczepów. Podstawy hybrydyzacji drobnoustrojów. Technologia rekombinacji DNA. Przechowywanie szczepów Biotechnologia w przemyśle spożywczym. Produkcja probiotyków. Produkcja kwasu mlekowego. Nadprodukcja wybranych produktów metabolizmu. Biosynteza i nadprodukcja aminokwasów. Produkcja kwasów organicznych. Fermentacja etanolowa Warunki prowadzenia bioprocesów. Sposoby prowadzenia procesów mikrobiologicznych. Biokatalizatory. Bioreaktory. Charakterystyka drobnoustrojów przemysłowych. Wymagania pokarmowe. Degradacja związków wielkocząsteczkowych. Centralne przemiany metaboliczne. Wzrost drobnoustrojów przemysłowych Biotechnologia w przemyśle farmaceutycznym. Biotechnologia antybiotyków. Produkcja szczepionek. Insulina. Leki nowej generacji. Procesy biotransformacji. Biotransformacja związków steroidowych. Biotransformacja antybiotyków. Bioługowanie metali. Literatura 1

2 (Europejska Federacja Biotechnologów) Biotechnologia - integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu zastosowania komórek lub ich części oraz molekularnych analogów w celu pozyskania produktów i usług. (encyklopedia PWN) Biotechnologia - interdyscyplinarna dziedzina nauki (posługująca się wiedzą z biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych), obejmująca różne kierunki technologii wykorzystania materiałów i procesów biologicznych (w szczególności przebiegających przy udziale drobnoustrojów, kultur tkankowych oraz biokatalizatorów) (MNiSW) Termin biotechnologia odnosi się do wszystkich technicznych zastosowań, które wykorzystują systemy biologiczne, żywe produkty lub ich pochodne, w celu ich wytwarzania lub przetwarzania lub zmiany dla określonych celów. (Wielka Internetowa Encyklopedia Multimedialna) Biotechnologia to nauka zajmująca się otrzymywaniem produktów za pomocą czynników biologicznych, tj. mikroorganizmów, wirusów, komórek zwierzęcych i roślinnych oraz substancji pozakomórkowych i składników komórek. 2

3 Raport OECD (Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju) podaje definicję biotechnologii, która rozumiana jest jako: zastosowanie nauki i technologii w stosunku do żywych organizmów, ich części, produktów i modelów, aby zmodyfikować żywe oraz nieżywe materiały dla produkcji wiedzy, dóbr i usług 3

4 4

5 Zielona biotechnologia agrobiotechnologia, związana z rolnictwem, rozwiązaniami stosowanymi w celach spożywczych i niespożywczych, obejmująca stosowanie metod inżynierii genetycznej w celu doskonalenia produkcji roślinnej. Głównym obiektem zainteresowania są rośliny, takie jak: soja, bawełna, rzepak i kukurydza 5

6 Biała biotechnologia Biotechnologia przemysłowa zajmująca się wykorzystaniem systemów biologicznych w przemyśle i ochronie środowiska. Ten rodzaj biotechnologii jest oparty w głównej mierze na bioprocesach i biokatalizie, dzięki wykorzystaniu komórek pleśni, bakterii, drożdży oraz enzymów z nich pochodzących. 6

7 Czerwona biotechnologia Biotechnologia wykorzystywana w ochronie zdrowia, w szczególności w zakresie produkcji nowych biofarmaceutyków, rozwoju diagnostyki genetycznej, genoterapii, ksenotransplantologii. 7

8 Fioletowa biotechnologia Biotechnologia związana z ustawodawstwem, zajmuje się zagadnieniami społecznymi, takimi jak akceptacja żywności GM, problemami prawnymi, w tym legislacją, ochrona własności intelektualnej, jak również zagadnieniami filozoficznymi i etycznymi. 8

9 Technologia mikrobiologiczna dział obejmujący procesy biosyntezy i biotransformacji. Wykorzystuje zdolność mikroorganizmów do wywoływania różnorodnych przemian chemicznych oraz do nadprodukcji wielorakich metabolitów w dużych ilościach Fermentacja w biotechnologii służy do określania różnych procesów mikrobiologicznych, w których związki organiczne podlegają przemianom chemicznym w wyniku aktywności metabolicznej drobnoustrojów. W tym sensie pojęciem zostały objęte zarówno: 1. procesy beztlenowe (fermentacja etanolowa) 2. procesy tlenowe (fermentacja octanowa) 3. procesy biosyntezy (fermentacja penicylinowa) 4. procesy biotransformacji (przekształcenia związków steroidowych) 9

10 Technologia enzymów dział obejmujący m.in. opracowanie technik unieruchamiania enzymów przy użyciu nośników lub innymi metodami, co nadaje im większą stabilność i możliwość wielokrotnego użycia w procesach ciągłych. Inżynieria bioprocesowa jest działem biotechnologii, który umożliwia przekształcenie poznanych i opracowanych w laboratorium procesów biotechnologicznych w ekonomiczny i odtwarzalny proces technologiczny 10

11 Inżynieria genetyczna nowoczesne metody biologii molekularnej i genetyki umożliwiające manipulację genetyczne poza komórką, czyli rekombinację DNA in vitro Inżynieria cytogenetyczna czyli inżynieria genetyczna na poziomie komórkowych, pozwalająca na rekombinację genetyczną in vivo (technika fuzji komórek drobnoustrojów, roślinnych, lub zwierzęcych) 11

12 Inżynieria białka wykorzystanie metod chemicznych lub biologicznych do otrzymania enzymów w postaci zmodyfikowanej, półsyntetycznej lub zmutowanej w stosunku do enzymów naturalnych 12

13 Charakterystyka technologii biochemicznych Procesy biotechnologiczne są powszechnie uważane za najbardziej obiecujące techniki przetwórcze. Wynika to z kilku przyczyn: 1) W procesach biotechnologicznych wykorzystywane są surowce odnawiane. Głównymi surowcami wykorzystywanymi w technologiach biochemicznych są węglowodany: skrobia i sacharoza oraz uboczne produkty przemysłu rolno-spożywczego. np. serwatka, melasa. Coraz większym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie surowców celulozowych. Przemysłowe, ekonomicznie efektywne wykorzystanie celulozy, może zdecydowanie zwiększyć zasoby surowców biotechnologicznych. 2) Mikroorganizmy i enzymy przejawiają nieosiągalną w klasycznych procesach chemicznych wydajność i selektywność. Szczególne znaczenie ma otrzymywanie enancjomerów biologicznie czynnych. 3) Hodowle przeprowadzane są w bardzo umiarkowanych warunkach. Temperatury zbliżone są do temperatury otoczenia. Nie stosuje się wysokich ciśnień. Te warunki prowadzenia procesów biochemicznych korzystnie odbiegają od warunków prowadzenia wielu syntez chemicznych. 4) Procesy biochemiczne są energooszczędne. Ta cecha nabiera coraz większego znaczenia. 13

14 I Okres Okresy rozwoju biotechnologii Charakterystyka Okres przedpasteurowski (od zarania ludzkości, do połowy XIX w.) era spontanicznych procesów fermentacyjnych wykorzystywanych do otrzymywania ważnych produktów żywnościowych: chleba, wina, piwa, produktów mlecznych, przetworów roślinnych. II Okres przejściowy (druga połowa XIX w. oraz pierwsze czterdziestolecie XX w.). Poznawanie w sposób naukowy biologicznej i chemicznej natury bioprocesów zapoczątkowane przez L. Pasteura zaowocowało rozwojem nowych koncepcji, nowych biotechnologii i nowych bioproduktów, a postęp techniczny umożliwił tworzenie podstaw biotechnologii wielkoprzemysłowej. Etap ten można określić jako erę mikrobiologicznych początków współczesnej biotechnologii i opracowania produkcji kwasu mlekowego i cytrynowego, acetonu i butanolu, technologii otrzymywania drożdży. W tym okresie zapoczątkowano stosowanie czystych kultur drobnoustrojów oraz prowadzenie bioprocesów w warunkach aseptycznych. III Era nowoczesnej biotechnologii rozpoczęła się pod koniec II wojny światowej od opracowania przemysłowej produkcji penicyliny metodą tlenowej hodowli wgłębnej prowadzonej w warunkach aseptycznych W bioreaktorach o pojemności kilkudziesięciu m 3. IIIa IIIb Podokres 1 (do roku 1970) - dzięki integracji dyscyplin biologicznych, chemicznych i inżynieryjnych opracowano nowe technologie, m.in. biosyntezy antybiotyków, aminokwasów, enzymów i biotransformacji steroidów oraz wprowadzcno pierwsze technologie, w których zastosowano biokatalizatory, tory immobilizowane; Podokres 2 (od roku 1970) - praktyczne wykorzystanie genetyki i biologii molekularnej w biotechnologii. Pod koniec 1969 r. narodziła się koncepcja manipulacji genami poza komórką. Nastąpił rozbój metod rekombinacji DNA in vitro i in vivo. Opracowano szereg nowych biotechnologii, m.in. mikrobiologiczną produkcję i insuliny, hormonów wzrostu, interferonów, białek odpornościowych, oraz technologię wytwarzania przeciwciał monoklonalnych. 14

15 W dziejach biotechnologii można wyodrębnić kilka etapów: 1) etap przedprzemysłowy (intuicyjny, lub pretechnologiczny), 2) etap uprzemysławiania, 3) etap przemysłowy, 4) etap naukowy. Etap rzemieślniczy Przez stulecia działalność biotechnologiczna miała charakter intuicyjny. Dlatego można ją uznać za rzemiosło lub też sztukę empiryczną, przekazywaną przez pokolenia. Główne produkty wytwarzane w tym czasie to produkty spożywcze: wytwarzanie chleba z zakwasu (od 3 tys. p.n.e.), wytwarzanie wyrobów alkoholowych przez fermentację soków i moszczów owocowych (od 3 tys. p.n.e.), wytwarzanie wina gronowego (od 2 tys. p.n.e. Asyria), wytwarzanie piwa (od 300 p.n.e., Sumeria, Babilon, Egipt) produkcja octu (XIV w., Francja) Techniki stosowane w procesach technologicznych były proste: zbiorniki drewniane, procesy okresowe, naturalne szczepy mikroorganizmów, brak aparatury kontrolnej. 15

16 Etap uprzemysławiania (wiek XIX i do ok r.) Okres uprzemysławiania to przejście od produkcji rzemieślniczej do przemysłowej. Etap ten charakteryzuje się rozszerzeniem obszaru zastosowań, próbami opanowania procesów technologicznych dzięki poznaniu ich istoty. Największe zasługi położył w tej dziedzinie Ludwik Pasteur ( ). Wykazał, że to drożdże wywołują fermentację, co umożliwiło udoskonalenie technik winiarstwa. Stworzył też podstawy immunologii i wynalazł szczepionki z atenuowanych szczepów cholery drobiu, wąglika i wścieklizny. Warto przypomnieć, że pierwszeństwo w stosowaniu szczepionek należy do Anglika Edwarda Jennera ( ), który w 1796 wprowadził szczepienie przeciwko ospie. Z imieniem Pasteura związana jest metoda częściowego wyjaławiania w temp C zwana obecnie pasteryzacją. Metoda ta rozwinięta została m.in. przez Tyndalla, który wykazał istnienie przetrwalników i zaproponował metodę kilkukrotnego wyjaławiania, zwana obecnie tyndalizacją. Technika jałowienia w temperaturze powyżej 100 C została wprowadzona do konserwacji żywności znacznie wcześniej, bo w 1810 roku przez N.F. Apperta ( ). W omawianym okresie nastąpiła znaczna modernizacja technik wytwarzania znanych uprzednio produktów takich jak napoje alkoholowe i ocet. Rozpoczęto też produkcję mikrobiologiczną nowych produktów: kwasu cytrynowego, kwasu mlekowego, drożdży piekarnianych, butanolu, acetonu, glicerolu, surowych preparatów enzymatycznych (amylaz, inwertaz, proteaz). Wyraźny postęp nastąpił w konstrukcji aparatury i technikach produkcyjnych. Zaczęto stosować zbiorniki stalowe, wprowadzono napowietrzanie w hodowlach drożdży oraz mieszanie mechaniczne w małych zbiornikach. Zaczęto wykorzystywać czyste kultury mikroorganizmów. Obok hodowli okresowych prowadzono także hodowle z ciągłym dozowaniem pożywki. Rozpoczęto stosowanie bardzo prostej kontroli procesów. 16

17 Kalendarium tego etapu rozwoju biotechnologii: opis fermentacji mlekowej przez Pasteura odkrycie Acetobacter przez E.C Hansena zastosowanie czystych kultur drożdży w piwowarstwie mikrobiologiczna produkcja kwasu mlekowego odkrycie szczepionki przeciwko wściekliźnie (L. Pasteur) odkrycie szczepionki przeciwko cholerze (Haffkine) biologiczna oczyszczalnia ścieków - złoże zraszane (Wlk. Brytania) wytwarzanie acetonu i butanolu (Wlk. Brytania) biologiczna oczyszczalnia ścieków metodą osadu czynnego (Wlk. Brytania) produkcja drożdży piekarnianych fermentacja acetonowo-butanolowa (C. Weizmann) wytwarzanie glicerolu produkcja kwasu cytrynowego metodą powierzchniową szczepionka przeciwko gruźlicy (A. Calmette i A. Guerin) otrzymanie anatoksyny błonniczej (G. Ramon) szczepionka przeciwko dżumie (Girard i Robiąuet) 17

18 Etap przemysłowy Początkiem tego etapu jest uruchomienie przemysłowej produkcji penicyliny. Antybiotyk ten został odkryty przez Aleksandra Fleminga ( ) w 1929 r. Ale dopiero dzięki pracom profesorów uniwersytetu oxfordzkiego: biologa Ernesta Borisa Chaina ( ) oraz chemika Howarda Waltera Florey'a ( ), możliwe było uruchomienie produkcji przemysłowej w 1941 r. W 1945 ci trzej naukowcy otrzymali nagrodę Nobla. Opanowanie przemysłowej produkcji penicyliny oznaczało jakościową zmianę w technice procesów biotechnologicznych. Rozwój przemysłu antybiotyków był niezwykle szybki i w znacznej mierze decydował o postępie w innych dziedzinach biotechnologii. Odkryto ponad 100 substancji o działaniu antybiotykowym. Prace mikrobiologiczne doprowadziły do wyizolowania tysięcy szczepów wytwarzających pożądane metabolity z dużą wydajnością. Na szeroką skale zastosowano metody mutagenizacji mikroorganizmów. Obok antybiotyków, nowe produkty, które zaczęto wytwarzać to różnorodne preparaty enzymatyczne, surowice i szczepionki, nowe leki m.in. sterydowe, białko jednokomórkowców z węglowodorów i odpadów przemysłowych. Znacznego postępu dokonano w technikach produkcyjnych: mieszanie mechaniczne i napowietrzanie dużych zbiorników, prowadzenie procesów w warunkach jałowych, upowszechnienie procesów półokresowych, wprowadzenie hodowli ciągłych, wprowadzenie instalacji pilotowych, selekcjonowanie szczepów, wymuszane mutacje. Opracowano specjalna konstrukcje bioreaktorów: ciśnieniowych, wieżowych, strumieniowych itp. Wprowadzono techniki unieruchomiania enzymów i komórek. Coraz większą rolę odgrywa komputeryzacja sterowania bioreaktorami. 18

19 Kalendarium etapu przemysłowego odkrycie penicyliny przez A. Fleminga odkrycie transformacji mikrobiologicznych przez Marmoliego i Vercellone odkrycie streptomycyny przez Schatza i Waksmana przemysłowa produkcja penicyliny odkrycie chlorotetracykliny przez Duggara produkcja kwasu octowego w hodowli wgłębnej mikrobiologiczna produkcja witaminy B mikrobiologiczna produkcja dekstranu (Gronwall i Ingelman) produkcja kwasu cytrynowego w hodowli wgłębnej 19

20 Etap naukowy Na tym etapie, główną siła napędową rozwoju biotechnologii są badania naukowe, ukierunkowane przede wszystkim na modyfikację materiału biologicznego. Mają one decydujące znaczenie przy rozwoju nowych metod wytwarzania i produktów. Za najważniejsze dla tego etapu należy uznać prace JD. Watsona oraz F.H.C. Cricka. którzy w 1953 r. rozszyfrowali strukturę kwasu dezoksyrybonukleinowego DNA podstawowego nośnika kodu genetycznego. Otrzymali za to nagrodę Nobla w 1962 r. Zrozumienie mechanizmu replikacji materiału biologicznego umożliwiło aktywne kształtowanie własności drobnoustrojów. Początki prawdziwej inżynierii genetycznej to doświadczenie Paula Berga z uniwersytetu standfordzkiego z 1970 r. z manipulowaniem DNA (nagroda Nobla w 1980 r.). Charakterystycznymi cechami tego etapu są: zastosowanie technik inżynierii genetycznej do otrzymywania szczepów produkcyjnych. biologiczne wytwarzanie składników obcych" dla danego mikroorganizmu, np. insulina, interferon, czyli sztuczne kreowanie przemian biologicznych. Następuje oczywiście dalszy rozwój konstrukcji aparatury i technik produkcyjnych. Ma to szczególne znaczenie w nowych działach biotechnologii w wytwarzaniu metodami biotechnologicznymi nowych produktów, zwłaszcza o dużym znaczeniu dla medycyny. 20

21 Kalendarium etapu naukowego opracowanie produkcji przeciwciał monoklonalnych scharakteryzowanie nowoczesnej biotechnologii jako technologii rekombinacji DNA produkcja insuliny i innych leków w formie ludzkiej w E. coli wynalezienie PCR (łańcuchowej reakcji polimerazy) m. powielania łańcuchów DNA rozpoczęcie projektu poznania ludzkiego genomu FDA (Agencja ds. Żywności i Leków) aprobuje pierwszą genetycznie zmodyfikowaną żywność (pomidor) skolowanie owcy (Dolly) opublikowanie wersji roboczej ludzkiego genomu zsekwencjonowanie DNA pierwszej rośliny uprawnej (ryżu) GloFish (danio pręgowany) pierwsze zmodyfikowane genetycznie zwierzę domowe trafia do sprzedaży. Wyhodowana w celu wykrywania zanieczyszczeń ryba fluoryzuje jasnoczerwono dzięki genowi bioluminescencji. 21

22 Zakres zastosowań współczesnych biotechnologii I. Produkcja żywności Przemysł spożywczy 1. tradycyjne procesy fermentacyjne - produkcja pieczywa, fermentowanych produktów mlecznych i roślinnych, drożdży, napojów alkoholowych; 2. nowe technologie mikrobiologiczne wytwarzania białka jednokomórkowców (SCP), aminokwasów, witamin, nukleotydów, kwasów organicznych, polisacharydów; 3. zastosowanie enzymów do wytwarzania wyrobów mleczarskich, owocowo-warzywnych, napojów fermentowanych, przetworów skrobiowych; 4. utrwalanie żywności: oksydaza glukozowa (antyutleniacz), nizyna; Rolnictwo (produkcja roślinna i zwierzęca) 1. produkcja pasz: preparaty białkowe, witaminowe, aminokwasowe, antybiotyczne, stymulatory wzrostu, kiszonki roślinne; 2. nowoczesne techniki hodowli tkanek i komórek in vitro oraz metody inżynierii genetycznej; 3. ochrona roślin: antybiotyki, bioinsektecydy, biopestycydy, 4. lecznictwo zwierząt: antybiotyki, szczepionki. II. Ochrona zdrowia 1. namnażanie drobnoustrojów oraz hodowla komórek zwierzęcych in vitro w celu wytworzenia szczepionek i przeciwciał; 2. mikrobiologiczna biosynteza naturalnych metabolitów drobnoustrojowych: antybiotyków, aminokwasów, kwasów organicznych, witamin, enzymów, inhibitorów enzymów, dekstranu, alkaloidów; 3. mikrobiologiczna biosynteza hormonów peptydowych, antygenów oraz innych produktów przy użyciu szczepów konstruowanych metodami inżynierii genetycznej, zawierających obcą informację genetyczną; 4. zastosowanie procesów biotransformacji mikrobiologicznej i enzymatycznej w produkcji leków steroidowych, aminokwasów, antybiotyków, witaminy C, glukonianu wapnia, efedryny; 5. wytwarzanie przeciwciał monoklonalnych, m.in. do celów diagnostycznych (testy immunologiczne). 22

23 Zakres zastosowań współczesnych biotechnologii III Przemysł chemiczny i inne przemysły 1. wytwarzanie surowców: a. alkohole: etanol, butanol, izopropanol, glikol etylenowy, glikol propylenowy, glicerol; b. kwasy: octowy, cytrynowy, adypinowy, itakonowy, akrylowy; c. polimery: dekstran, ksantan, pululan, kwas poli - β -hydroksymasłowy 2. nośniki energii - paliwa: etanol, metan, potencjalnie wodór; 3. biotechnologiczna obróbka surowców naturalnych: hydroliza skrobi w trakcie wytwarzania tkanin, odwłasianie i wytrawianie skór, fermentacja tytoniu; 4. biohydrometalurgia: ługowanie rud, biozatężanie, odzyskiwanie metali; 5. bioelektronika: bioczipy. IV. Ochrona środowiska 1. oczyszczanie ścieków: złoża zraszane, filtry biologiczne, osad czynny; 2. bioutylizacja odpadów: namnażanie biomasy, procesy biosyntezy mikrobiologicznej, produkcja biogazu. V. Analiza 1. zastosowanie enzymów rozpuszczalnych, np. oksydazy glukozowej (łącznie z katalazą lub peroksydazą) lub dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (w połączeniu i heksokinazą); 2. czujniki enzymowe i komórkowe: oksydaza glukozowa + elektroda tlenowa, ureaza + elektroda ph; 3. analiza genomów: analiza restrykcyjna, sekwencjonowanie, sondy molekularne. 23

24 24