SPIS TREŚCI WYKAZ SKRÓTÓW... 11 WSTĘP... 15 CZĘŚĆ I. BIOPROCESY W PRODUKCJI BIOFARMACEUTYKÓW I BIOKOSMECEUTYKÓW: SYSTEMY BIOLOGICZNE I WYBRANE PROCESY UPSTREAM... 17 1. TECHNOLOGICZNE PODSTAWY HODOWLI DROBNOUSTROJÓW (Daria Matczyńska, Daniel Sypniewski)... 19 1.1. Zarys technologii bioproduktów... 19 1.1.1. Produkcja biomasy... 20 1.1.2. Biosynteza... 20 1.1.3. Biotransformacja... 21 1.2. Zarys fizjologii wzrostu drobnoustrojów... 21 1.3. Techniki hodowli drobnoustrojów... 24 1.4. Technologiczne podstawy hodowli drobnoustrojów w bioreaktorach... 25 1.4.1. Bioreaktor standardowy... 27 1.4.2. Bioreaktor air-lift... 28 1.4.3. Bioreaktory z podłożem stałym (SSF; solid-state fermentors)... 30 1.4.4. Bioreaktory z immobilizowanym biokatalizatorem... 32 1.5. Surowce stosowane w procesach biotechnologicznych... 33 1.5.1. Główne składniki pożywek... 34 2. SYSTEMY HODOWLI KOMÓREK LUDZKICH I ZWIERZĘCYCH (Natalia Gawlik-Rzemieniewska, Ewa Nowak)... 49 2.1. Hodowle komórek zwierzęcych w systemach dwuwymiarowych (2D)... 50 2.1.1. Podstawowe techniki i warunki hodowli... 50 2.1.2. Hodowla komórek zwierzęcych w systemach statycznych... 52 2.1.3. Hodowla komórek zwierzęcych w systemach dynamicznych... 54 2.2. Hodowla komórek zwierzęcych w systemach trójwymiarowych (3D). Inżynieria tkankowa... 58 2.2.1. Kolby z mieszadłem obrotowym... 60 2.2.2. Naczynia z obrotową ścianą... 61 2.2.3. Bioreaktory perfuzyjne... 62 2.2.4. Bioreaktory kompresyjne... 64 2.2.5. Bioreaktory odkształcające... 64 2.2.6. Bioreaktory stosujące pole elektromagnetyczne... 65 3. WARUNKI HODOWLI IN VITRO ROŚLIN (Sabina Gałka, Anna Galilejczyk)... 67 3.1. Produkcja biofarmaceutyków w roślinach... 69 3.2. Warunki prowadzenia kultur in vitro roślin... 72 3.2.1. Temperatura... 72 5
3.2.2. Wilgotność powietrza... 73 3.2.3. Oświetlenie... 73 3.2.4. Środowisko gazowe... 73 3.3. Prace prowadzone w czasie hodowli in vitro roślin... 74 3.3.1. Uprawa roślin matecznych... 74 3.3.2. Sterylizacja szkła laboratoryjnego i narzędzi... 74 3.3.3. Przygotowanie i sterylizacja pożywek... 74 3.3.4. Przygotowanie i sterylizacja materiału roślinnego... 78 3.3.5. Izolacja i wykładanie eksplantatów na pożywkę... 78 3.3.6. Pasażowanie kultur... 78 3.3.7. Przenoszenie roślin z kultur do warunków naturalnych i wzrost ex vitro... 79 3.4. Typy roślinnych kultur bioreaktorowych... 79 3.4.1. Kultury niezróżnicowane... 79 3.4.2. Kultury zróżnicowane... 80 3.5. Sposoby zwiększania wydajności produkcji metabolitów wtórnych... 81 3.5.1. Elicytory... 81 3.5.2. Prekursory... 81 3.5.3. Immobilizacja komórek... 81 4. METODY PRZECHOWYWANIA I IMMOBILIZACJI BIOKATALIZATORÓW (Daria Matczyńska, Daniel Sypniewski)... 83 4.1. Metody przechowywania drobnoustrojów... 83 4.1.1. Pasażowanie... 83 4.1.2. Suszenie... 84 4.1.3. Mrożenie... 87 4.2. Banki komórkowe... 88 4.3. Szczepionki do procesów mikrobiologicznych... 89 4.4. Biokatalizatory unieruchomione... 90 CZĘŚĆ II. TECHNOLOGIE BIOFARMACEUTYKÓW... 95 5. BIOFARMACEUTYKI: ZARYS TECHNOLOGII I OBSZARY ZASTOSOWANIA (Daniel Sypniewski, Daria Matczyńska)... 97 5.1. Czym są biofarmaceutyki?... 97 5.2. Tworzenie białek rekombinantowych... 98 5.3. Przykłady białkowych biofarmaceutyków... 99 5.3.1. Czynniki krzepnięcia, leki trombolityczne i przeciwzakrzepowe... 100 5.3.2. Enzymy terapeutyczne... 101 5.3.3. Hormony... 101 5.3.4. Rekombinantowe cytokiny... 102 5.3.5. Rekombinantowe antygeny bakteryjne lub wirusowe... 103 5.3.6. Przeciwciała monoklonalne... 103 6. UKŁADY HODOWLANE I STRATEGIE PRODUKCJI BIOFARMACEUTYKÓW (Daniel Sypniewski, Daria Matczyńska, Tomasz Loch)... 106 6.1. Wektory stosowane do produkcji biofarmaceutyków w układach prokariotycznych... 106 6.1.1. Miejsce inicjacji replikacji... 107 6.1.2. Promotor... 107 6.1.3. Marker selekcyjny... 108 6
6.1.4. Kaseta ekspresyjna i elementy regulatorowe... 110 6.2. Produkcja białek rekombinantowych z wykorzystaniem mikroorganizmów... 111 6.2.2. Bakterie Gram-ujemne... 111 6.2.2. Bakterie Gram-dodatnie... 117 6.2.3. Drożdże... 119 6.2.4. Grzyby strzępkowe... 125 6.3. Produkcja białek rekombinantowych z wykorzystaniem komórek ssaczych... 126 6.4. Produkcja białek rekombinantowych z wykorzystaniem komórek roślinnych... 129 7. SZCZEPIONKI NOWEJ GENERACJI: PLAZMIDOWE, mrna I REPLIKONOWE (Dagna Sołtysik, Daria Matczyńska)... 134 7.1. Szczepionki DNA... 134 7.1.1. Mechanizm działania szczepionek DNA... 135 7.1.2. Zwiększanie immunogenności szczepionek DNA... 136 7.1.3. Produkcja szczepionek plazmidowych... 138 7.1.4. Drogi podania szczepionek DNA... 138 7.1.5. Zalety i wady szczepionek plazmidowych... 139 7.1.6. Zastosowanie szczepionek DNA... 140 7.2. Szczepionki RNA... 141 7.2.1. Mechanizm działania szczepionek RNA... 142 7.2.2. Zwiększenie stabilności RNA... 143 7.2.3. Produkcja szczepionek RNA... 144 8. OLIGONUKLEOTYDY JAKO BIOFARMACEUTYKI (Daniel Sypniewski, Tomasz Loch)... 149 8.1. Tripleks: strategia antygenowa... 149 8.2. Oligonukleotydy antysensowe... 152 8.2.1. Mechanizm działania oligonukleotydów antysensowych... 153 8.2.2. Modyfikacje strukturalne oligonukleotydów antysensowych... 153 8.2.3. Typy działania ASO: efekty sekwencyjnie specyficzne oraz niezależne od sekwencji... 156 8.2.4. Wytyczne dotyczące projektowania, wyboru i stosowania eksperymentalnego ASO... 157 8.2.5. Próby kliniczne i pierwsze preparaty zarejestrowane na rynku... 159 8.3. Rybozymy... 160 8.4. Interferencyjny RNA (RNAi)... 164 8.4.1. Mechanizm interferencji RNA... 165 8.4.2. Rozpowszechnienie i rola małych, niekodujących cząsteczek RNA w przyrodzie... 167 8.4.3. Praktyczne znaczenie RNAi w biotechnologii... 170 8.5. Aptamery... 173 8.6. Znaczenie praktyczne PTGS i dalsze perspektywy rozwoju... 175 CZĘŚĆ III. TECHNOLOGIE BIOKOSMECEUTYKÓW... 179 9. WYPEŁNIACZE TKANEK MIĘKKICH (Ewa Nowak, Ilona Bednarek)... 181 9.1. Kwas hialuronowy... 183 9.2. Kolagen... 186 9.3. Kwas poli-l-mlekowy... 187 9.4. Toksyna botulinowa... 188 10. SUBSTANCJE O DZIAŁANIU ROZJAŚNIAJĄCYM (Ewa Nowak, Ilona Bednarek)... 192 10.1. Kwas kojowy... 192 10.2. Kwas azelainowy... 193 7
10.3. α-hydroksykwasy... 194 10.4. Polihydroksykwasy i kwasy bionowe... 194 11. EGZOPOLISACHARYDY (Ewa Nowak, Natalia Gawlik-Rzemieniewska)... 198 11.1. Dekstran... 199 11.2. Ksantan... 200 11.3. Gellan... 201 11.4. Pullulan... 203 11.5. Kurdlan... 203 11.6. Alginian... 204 11.7. Kwas hialuronowy... 205 11.8. Chitozan... 205 11.9. Polisacharydy otrzymywane z organizmów morskich... 207 12. AMINOKWASY, PEPTYDY I BIAŁKA (Marta Poczęta, Daria Matczyńska)... 210 12.1. Aminokwasy... 211 12.1.1. Kwas glutaminowy... 211 12.1.2. Glutamina... 216 12.1.3. Prolina... 217 12.1.4. Kwas asparaginowy, asparagina i alanina... 218 12.1.5. Lizyna... 220 12.1.6. Metionina, treonina, izoleucyna i glicyna... 223 12.1.7. Aminokwasy niebiałkowe... 225 12.1.8. Technologiczne aspekty biosyntezy aminokwasów... 225 12.1.9. Aminokwasy w preparatach kosmetycznych... 229 12.2. Peptydy w kosmetologii... 231 12.2.1. Synteza bioaktywnych peptydów... 232 12.2.2. Peptydy biomimetyczne w kosmetologii i medycynie estetycznej... 233 12.3. Białka w kosmetykach... 239 12.3.1. Otrzymywanie hydrolizatów białkowych... 240 12.3.2. Rola białek w kosmetykach... 241 12.3.3. Kolagen... 241 12.3.4. Elastyna... 242 12.3.5. Keratyna... 242 12.3.6. Proteiny jedwabiu... 242 12.3.7. Otrzymywanie białek z udziałem mikroorganizmów... 243 13. PIGMENTY I SUBSTANCJE ZAPACHOWE (Ewa Nowak, Marta Poczęta)... 247 13.1. Pigmenty otrzymywane biotechnologicznie... 247 13.1.1. Rodzaj Monascus... 247 13.1.2. Rodzaj Penicillium... 248 13.1.3. Rodzaj Fusarium... 248 13.1.4. Rodzaj Paecilomyces... 249 13.1.5. Rodzaj Talaromyces... 249 13.1.6. Karotenoidy o mikrobiologicznym pochodzeniu... 249 13.1.7. Inne pigmenty otrzymywane biotechnologicznie... 250 13.2. Makro- i mikroalgi jako źródło nowych metabolitów... 251 13.3. Związki zapachowe otrzymywane biotechnologicznie... 253 8
14. ROŚLINNE I ZWIERZĘCE KOMÓRKI MACIERZYSTE (Anna Galilejczyk, Sabina Gałka)... 255 14.1. Komórki macierzyste skóry... 257 14.1.1. Kliniczne zastosowanie komórek macierzystych skóry... 258 14.1.2. Zastosowanie komórek macierzystych w kosmetologii... 258 14.2. Roślinne komórki macierzyste w przemyśle kosmetycznym... 259 14.2.1. Pozyskiwanie roślinnych komórek macierzystych... 260 14.2.2. Przykłady produktów kosmetycznych uzyskiwanych na bazie roślinnych komórek macierzystych... 263 14.2.3. Korzyści wynikające z zastosowania hodowli roślinnych komórek macierzystych... 269 14.3. Zwierzęce komórki macierzyste w przemyśle kosmetycznym... 270 CZĘŚĆ IV. WYODRĘBNIANIE I OCZYSZCZANIE BIOPRODUKTÓW... 275 15. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW DOWNSTREAM (Daniel Sypniewski, Daria Matczyńska). 277 15.1. Oddzielenie biomasy od płynu poprodukcyjnego... 278 15.2. Dezintegracja komórek... 280 15.3. Izolacja i oczyszczanie produktu... 281 16. SPECYFIKA PRODUKCJI BIAŁEK REKOMBINANTOWYCH (Daniel Sypniewski, Daria Matczyńska). 287 16.1. Metody izolacji i oczyszczania biofarmaceutyków... 289 16.2. Izolacja białek z ciał inkluzyjnych... 290 17. PRZEMYSŁOWA PRODUKCJA PLAZMIDÓW (Daria Matczyńska, Dagna Sołtysik)... 294 17.1. Zakończenie biosyntezy... 295 17.2. Oddzielenie biomasy... 295 17.3. Dezintegracja komórek... 295 17.4. Renaturacja plazmidów... 297 17.5. Oczyszczanie i zatężanie roztworu... 297 17.6. Precypitacja plazmidów... 298 17.7. Oczyszczanie plazmidowego DNA... 298 17.8. Czystość preparatów plazmidowego DNA... 299 18. WYKAZ RYCIN... 302 19. WYKAZ TABEL... 306 9