Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany



Podobne dokumenty
Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

KLONOWANIE DNA REKOMBINACJA DNA WEKTORY

Ekspresja genów heterogenicznych w drożdżach Pichia pastoris

DROZDZE TRANSGENICZNE W BROWARNICTWIE

Biotechnologia jest dyscypliną nauk technicznych, która wykorzystuje procesy biologiczne na skalę przemysłową. Inaczej są to wszelkie działania na

Biologia molekularna z genetyką

Ćwiczenia 1 Wirtualne Klonowanie Prowadzący: mgr inż. Joanna Tymeck-Mulik i mgr Lidia Gaffke. Część teoretyczna:

Inżynieria genetyczna- 6 ECTS. Inżynieria genetyczna. Podstawowe pojęcia Część II Klonowanie ekspresyjne Od genu do białka

Drożdżowe systemy ekspresyjne

1. Biotechnologia i inżynieria genetyczna zagadnienia wstępne 13

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

BIOSYNTEZA I NADPRODUKCJA AMINOKWASÓW. Nadprodukcja podstawowych produktów metabolizmu (kwas cytrynowy, enzymy aminokwasy)

Inżynieria Genetyczna ćw. 3

Ćwiczenia 1 Wirtualne Klonowanie. Prowadzący: mgr Anna Pawlik i mgr Maciej Dylewski. Część teoretyczna:

2. Enzymy pozwalające na manipulację DNA a. Polimerazy DNA b. Nukleazy c. Ligazy

Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

Klonowanie molekularne Kurs doskonalący. Zakład Geriatrii i Gerontologii CMKP

Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

The Role of Maf1 Protein in trna Processing and Stabilization / Rola białka Maf1 w dojrzewaniu i kontroli stabilności trna

Biologia Molekularna z Biotechnologią ===============================================================================================

Tematyka zajęć z biologii

Wykład 14 Biosynteza białek

Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Mapowanie fizyczne genomów -konstrukcja map wyskalowanych w jednostkach fizycznych -najdokładniejszą mapą fizyczną genomu, o największej

KLONOWANIE DNA REKOMBINACJA DNA WEKTORY

PIWA SPECJALNE KIERUNKI BADAŃ I ROZWOJU

DNA superhelikalny eukariota DNA kolisty bakterie plazmidy mitochondria DNA liniowy wirusy otrzymywany in vitro

Inżynieria genetyczna

Biotechnologia i inżynieria genetyczna

Transformacja pośrednia składa się z trzech etapów:

Mikroorganizmy Zmodyfikowane Genetycznie

Inżynieria Genetyczna ćw. 2

Ekspresja białek w komórkach ssaczych

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU- 5 ECTS

DNA musi współdziałać z białkami!

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

Rośliny modyfikowane genetycznie (GMO)

Konstrukcja wektora plazmidowego DNA do klonowania genów i/lub wektora plazmidowego do sekrecji w bakteriach mlekowych

Warszawa, dnia 3 sierpnia 2016 r. Poz. 1173

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Historia informacji genetycznej. Jak ewolucja tworzy nową informację (z ma ą dygresją).

Genetyka w nowej podstawie programowej

października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

mikrosatelitarne, minisatelitarne i polimorfizm liczby kopii

BIOSYNTEZA ACYLAZY PENICYLINOWEJ. Ćwiczenia z Mikrobiologii Przemysłowej 2011

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Pamiętając o komplementarności zasad azotowych, dopisz sekwencję nukleotydów brakującej nici DNA. A C C G T G C C A A T C G A...

Możliwości współczesnej inżynierii genetycznej w obszarze biotechnologii

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

Organizmy Modyfikowane Genetycznie Rośliny transgeniczne

BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA

Wymagania edukacyjne

SCENARIUSZ LEKCJI. TEMAT LEKCJI: Podstawowe techniki inżynierii genetycznej. Streszczenie

Znaczenie genetyki. Opracował A. Podgórski

Nowoczesne systemy ekspresji genów

Wektory DNA - klonowanie molekularne

TATA box. Enhancery. CGCG ekson intron ekson intron ekson CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU TERMINATOR. Elementy regulatorowe

Definicje. Białka rekombinowane (ang. recombinant proteins, r-proteins) Ukierunkowana mutageneza (ang. site-directed/site-specific mutagenesis)

SYLABUS. Wydział Biologiczno-Rolniczy. Katedra Biochemii i Biologii Komórki

Wprowadzenie. DNA i białka. W uproszczeniu: program działania żywego organizmu zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie białkowej.

Inżynieria Genetyczna ćw. 1

Czy żywność GMO jest bezpieczna?

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

BIOTECHNOLOGIA OGÓLNA

Biotechnologia w produkcji piwa. Wykłady Samodzielna Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej dr Sławomir Wierzba

Zaoczne Liceum Ogólnokształcące Pegaz

MIKROORGANIZMY W PRODUKCJI KOSMETYKÓW I WYBRANYCH FARMACEUTYKÓW. wykłady

Laboratorium Pomorskiego Parku Naukowo-Technologicznego Gdynia.

na zakup usługi badawczej

dostateczny oraz: wyjaśnia, z czego wynika komplementarność zasad przedstawia graficznie regułę

Wektory DNA - klonowanie molekularne

Mutacje. delecja insercja strukturalne

Wprowadzenie do biologii molekularnej.

Screening, klonowanie, ekspresja i oczyszczanie białek

Konspekt do zajęć z przedmiotu Genetyka dla kierunku Położnictwo dr Anna Skorczyk-Werner Katedra i Zakład Genetyki Medycznej

SPIS TREŚCI WYKAZ SKRÓTÓW WSTĘP... 15

BUDOWA I FUNKCJA GENOMU LUDZKIEGO

SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA EDUKACYJNE Z PRZEDMIOTU BIOLOGIA W ZAKRESIE PODSTAWOWYM DLA KLASY I I Liceum ogólnokształcącego im Adama Asnyka w Kaliszu

Spis treści. 1. Wiadomości wstępne Skład chemiczny i funkcje komórki Przedmowa do wydania czternastego... 13

PODSTAWY BIOTECHNOLOGII Piotr Solarczyk

I. Czynności organizacyjne.

Wydział Przyrodniczo-Techniczny UO Kierunek studiów: Biotechnologia licencjat Rok akademicki 2009/2010

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

WEKTORY WAHADŁOWE ENZYMY W KLONOWANIU POLIMERAZY

SPOSÓB PRZEDSTAWIANIA DOKUMENTACJI DOŁĄCZANEJ DO WNIOSKU O DOPUSZCZENIE DO OBROTU PRODUKTU LECZNICZEGO WETERYNARYJNEGO IMMUNOLOGICZNEGO

Pytania Egzamin magisterski

Geny i działania na nich

Interfaza to niemal 90% cyklu komórkowego. Dzieli się na 3 fazy: G1, S i G2.

Badanie funkcji genu

Imię i nazwisko...kl...

Księgarnia PWN: B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter Podstawy biologii komórki. Cz.

Biotechnologia interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, zajmująca się zmianą materii żywej i poprzez wykorzystanie

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z BIOLOGII, ZAKRES PODSTAWOWY 2018/19

Transkrypt:

1

2

3

Saccharomyces carlsbergensis Nowe szczepy w browarnictwie 4

Drożdże transgeniczne Saccharomyces carlsbergensis 5

6

Wśród wielu etapów produkcji piwa, proces pierwotnej i wtórnej fermentacji stwarza ogromne możliwości optymalizacji całej technologii browarniczej. Za oba etapy w dużym stopniu odpowiedzialne są drożdże, których genetyczne modyfikacje mogą uczynić technologię browarniczą jako jedną z bardziej nowoczesnych w biotechnologii żywności 7

Drożdże są najprostszymi Eukariontami 8

Drożdże Bakterie 9

10

W związku z ogromną rolą drożdży w kształtowaniu cech organoleptycznych piwa, współczesna biotechnologia próbuje korzystać z pewnych technik inżynierii genetycznej w celu konstrukcji odpowiednich szczepów, drożdży transgenicznych 11

1. Produkujących minimalne ilości kwasów α- acetohydroksylowych, tj. prekursorów syntezy waliny oraz izoleucyny, 2. Do konstrukcji szczepów zawierających wszczepiony gen enzymu dekarboksylazy α-acetomleczanu, który bezpośrednio rozkłada kwas α-acetomlekowy do acetoiny, 12

3. Do konstrukcji szczepów drożdży browarniczych Saccharomyces carlsbergensis, posiadających geny amylolityczne STA1/STA2 z Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus lub pleśni Aspergillus niger/awamori, zawartych w utworzonym wektorze ekspresyjnym lub replikatywnym, będących pod kontrolą promotora ADH1 z integracyjnym z markerem miedzi, CUP1 13

Transgeniczne drożdże browarnicze o cechach amylolitycznych 14

Ekspresja transformowanego rdna, z genami amyloglukozydazy, przejawia się obniżeniem zawartości węglowodanów w piwie, co podwyższa tym samym wydajność fermentacji alkoholowej i obniża kaloryczność napoju 15

4. Do konstrukcji szczepów drożdży browarniczych Saccharomyces cerevisiae z genem β-glukanazy (pochodzenia pleśniowego, np. Trichoderma resei), zawartym w wektorze replikatywnym, będącym pod kontrolą promotora PGK (kinazy fosfoglicerynowej) 16

5. Do konstrukcji szczepów drożdży browarniczych zawierających zespół genów odpowiedzialnych za syntezę białek nie-lektynowych, powodujących super-flokulację (FLO1, FLO5, FLO8, TUP1) 17

Jest to szczególnie ważne dla drożdży Saccharomyces cerevisiae, które jako mikroorganizmy górnej fermentacji mogłyby naturalnie sedymentować i byćłatwo użyte do immobilizacji podczas fermentacji oraz dojrzewania piwa 18

6. Do częściowej mutacji drożdży w genie MET10 i MET2, kodujących (odpowiednio) reduktazę siarczynową oraz transferazę acetylohomoseryny, co w rezultacie powoduje akumulację SO 2 (lub acetylohomoseryny), SO 2 jako antyoksydanta, stabilizującego zapach i tworzącego trwałe połączenia z aldehydami 19

SO 4 MET 10 MET 2 Mutacja w genie MET 10 powoduje nagromadzanie się SO 2, a w genie MET 2 - acetylohomoseryny 20

7. Do amplifikacji wielu kopii genów ILV5 w oryginalnych drożdżach browarniczych, odpowiedzialnych za syntezę enzymu reduktoizomerazy, błyskawicznie rozkładającej kwas α-acetomlekowego, który jak wiemy jest prekursorem diacetylu 21

TREONINA PIROGRONIAN Redukto-izomeraza ILV 5 ISOLEUCYNA WALINA Schemat syntezy izoleucyny-waliny 22

23

Podczas fermentacji pierwotnej drożdże browarnicze produkują w mitochondriach cały szereg endokomórkowych kwasów α-aceto-hydroksylowych które są prekursorami biosyntezy aminokwasu waliny oraz izoleucyny 24

Mitochondrium AL AL ALL DIACETYL ACETOIONA Dyfuzja kwasu α-acetohymlekowego z komórki i do komórki drożdżowej 25

Ogromna część tych prekursorów jest wykorzystana do wyżej wspomnianej syntezy, jednakże pewna ich partia, zależnie od typu drożdży, po dyfuzji z komórki do cytoplazmy, a następnie do piwa, podlega spontanicznym przemianom 26

Do przemian tych zalicza sią nieenzymatyczną, oksydacyjną dekarboksylację kwasów α-acetohydroksylowych do odpowiednich lotnych ketonów, jak diacetyl oraz 2,3-pentanedion 27

Diacetyl jest jednym z najczęstszych, niekorzystnych, a stąd niepożadanych związków zapachowych piwa 28

W następnym, wtórnym etapie fermentacji, piwo podlega dojrzewaniu, tzn. praktycznie obniżeniu stężenia diacetylu, bądź jego całkowitej eliminacji. Podczas procesu dojrzewania diacetyl dyfunduje z powrotem do cytoplazmy komórki drożdżowej, gdzie podlega redukcji do acetoiny przy udziale enzymu reduktazy diacetylowej 29

W celu optymalizacji produkcji piwa proponowane są różne strategie, w tym jedna z nich dotyczy prac genetycznych, zmierzających do obniżenia przez drożdże transgeniczne obecności lotnych ketonów; prace te opierając się głównie na: 30

Konstrukcji transgenicznych drożdży przy udziale różnego typu wektorów ekspresyjnych: wektorów integracyjnych, replikatywnych, episomalnych, sztucznych chromosomów (YAC) stanowiących tzw. kasety ekspresyjne (expression cassettes), transformowalne do wnętrza konstruowanej komórki 31

Amplifikacji genów ILV5 odpowiedzialnych za tworzenie reduktazy isomerycznej rozkładającej kwasy α-acetohydroksylowe w cyklu biosyntezy izoleucyny-waliny, co zapobiega akumulacji kwasów acetohydroksylowych o 50-60% i ew. ich wypływowi z komórki 32

33

DNA z komplementarną nicią DNA podwójna nić (helix) 34

NUKLEOSOM 35

SELENOID 36

WEKTORY Wektor jest to sztucznie zrekombinowane DNA, tzw. rdna, z genem lub zespołem genów, kodujących pożądane cechy technologiczne 37

Są różne typy wektorów, a dobranie odpowiedniego wektora zależy, m.in. od kompetencji klonowanych komórek drożdżowych 38

Najważniejszym elementem warunkującym specyficzność wektora są sekwencje ori odpowiedzialne za inicjację replikacji DNA 39

ori Strzałkami oznaczono potencjalne miejsce replikacji ori 40

Najprostsze wektory posiadają wyłącznie jedno, unikalne miejsce restrykcyjne, w które można wprowadzić obcy DNA, stosując technikę cięcia-łatania 41

42

Wektor musi być tak skonstruowany, aby istniała możliwość selekcji tych komórek, do których wniknął, stąd wektory zazwyczaj posiadają geny markerowe (CUP1, G418) czyli geny kodujące białka odpowiedzialne za łatwo wyróżnialne cechy fenotypowe 43

Do praktyki browarniczej, w celu konstrukcji drożdży transgenicznych zastosowano następujące typy wektorów: 44

1. Wektory integracyjne (np. do 140 kopii) zawierają DNA genów rybosomalnych z drożdży jako homologiczne do chromosomu, rekombinacyjne sekwencje (EcoRI fragment z częścią 5.8S i 25S rdna genów bez sekwencji ARS), wzmacniające efekt transformacji 45

Wektor integracyjny 46

Do tego dołączona jest sekwencja DNA bakteryjnego (Enterobacter aerogenes), kodująca ALDC oraz pewien fragment plazmidu bakteryjnego pbr322 z selekcyjnym markerem, np. z genami oporności na antybiotyk ampicylinę czy tetracyklinę, z regionem kodującym HIS lub URA, bądź z genami lacz z E. coli 47

Wektory integracyjne mogą łączyć się z homologicznymi do nich odcinkami odpowiednich chromosomów, zapewniając dużą stabilność rekombinacji 48

2. Wektory replikatywne (autonomously replicating plasmids) są konstruowane z fragmentu DNA plazmidu bakteryjnego pkb105 lub pkb106 z sekwencją α-aldc (z Enterobacter aerogenes lub Klebsiella terrigena), z sekwencji markerowej odporności na Amp, z partii drożdżowego DNA w wektorze integracyjnego oraz z chromosomalnego regionu replikacji (ori) 49

Przykładem wektorów replikatywnych, skonstruowanych dla drożdży browarniczych mogą być 2 niżej przedstawione wektory, jako kasety ekspresyjne (expression cassettes), będące pod kontrolą mocnych drożdżowych promotorów np. ADH (z sekwencją izoenzymu dehydrogenazy alkoholowej) i PGK (z sekwencją kinazy fosfoglicerynowej) 50

Wektor replikatywny 51

Wektor replikatywny 52

Do wielokrotnej amplifikacji genów ILV5 zastosowano również wektory replikatywne (z genami URA 3), które wprowadzano do drożdży auksotroficznych (mutant w ura - ) 53

3. Wektory episomalne Niosą informację genetyczną o dekarboksylacji kwasu α-acetomlekowego i są wektorami skonstruowanymi na bazie pewnych sekwencji bakteryjnych i drożdżowych. Zawierają one geny ALDC izolowane z bakterii Enterobacter aerogenes, geny selektywne, np. Ap r /G418 r,leu2, jak również plazmid drożdżowy 2 µ 54

Wektor episomalny 55

56

Transformacja lub co-transformacja chemiczna i elektrotransformacja odpowiednich wektorów: integracyjnych, replikatywnych, episomalnych lub systemów YAC (yeast artificial chromosom), będących tzw. kasetą ekspresyjną (expression cassettte) 57

Urządzenie do elektrotransformacji 58

Komora do elektrotransformacji 59

Fuzja lub elektrofuzja protoplastów kompetentnych komórek, z odpowiednim zestawem cech genetycznych, których ekspresja wyrażać się będzie pożądanymi właściwościami technologicznymi, np. drożdże amylolityczne lub flokulujące 60

Aparat do elektrofuzji 61

Komora helikalna do elektrofuzji 62

Tworzenie się nowych połączeń fosfolipidowych membrany 63

1 2 3 64

Przykłady drożdży amylolitycznych otrzymanych w wyniku elektrofuzji protoplastów 65

Szczepy drożdży amylolitycznych otrzymanych w wyniku elektrofuzji protoplastów 66

Injekcja rekombinacyjnego DNA z odpowiednim zestawem cech genetycznych bezpośrednio do kompetentnych komórek. Ekspresja rdna wyrażać się będzie pożądanymi właściwościami technologicznymi piwa 67

Igła injekcyjna 68

Enukleacja oraz fuzja cytoplastów Technika ta może być szczególnie korzystna do drożdży przemysłowych, tj. polyploidów, bądź aneuploidów, rho + lub rho - 69

A B C rho + rho - 70

Po usunięciu jądra z jednej macierzystej komórki (enukleacja), zawierającej np. plazmidy ekspresyjne z α-aldc, a następnie po elektrofuzji tego cytoplastu z inną, pożądaną komórką o korzystnych cechach jądrowych otrzymujemy drożdże z nowymi cytoplazmatycznymi oraz jądrowymi cechami 71

Szczepy o cechach mitochondrialnych rho - rho - rho + Cytoplasty po enukleacji jąder ze sferoplastów drożdży 72

73

74

Zastosowanie drożdży transgenicznych z w/w zmianami powoduje szybkie obniżenie poziomu diacetylu w dojrzewającej brzeczce, pozbawiając piwo ujemnych cech smakowych, oczywiście bez innych niekorzystnych zmian w gotowym produkcie 75

Drożdże transgeniczne z wszczepionym zespołem genów amylolitycznych pozwalają na wydajniejszą fermentację, a czynnik flokulacyjny czyni drożdże efektywniejsze podczas fermentacji 76

Wynika z tego, że klonowanie obcego, zrekombinowanego DNA (rdna) w drożdżach pozwala nam na tzw. wyrażenie się badanego genu w komórce oraz na ekspresję odpowiednio zmodyfikowanych białkowych produktów 77

Jest to proces bardzo złożony, zważywszy, że drożdże przemysłowe są z reguły polyploidami lub aneuploidami Stąd ogromnie trudno jest generować stabilne auksotroficzne mutanty służące do selekcji transformantów oraz utrzymać stabilność klonowanej cechy technologicznej 78

Polyploidy lub aneuploidy przemysłowe po rekombinacji niedużego odcinka DNA mogą bowiem szybko reperować zmiany w swoim rodzimym, zmodyfikowanym zestawie genetycznym 79

Przedstawione wyżej metody i techniki rekombinacji genetycznej dają w wielu przypadkach pozytywne rezultaty, a otrzymane drożdże transgeniczne można zastosować z pełnym sukcesem w technologii browarniczej. Pozostaje jedynie opracowanie legislacji tak otrzymanych krzyżówek genetycznych i aprobację technologów browarnictwa oraz konsumentów. 80

GUSHING? PROST! 81

Dziękuję za uwagę 82