22.01.2009
MIKROORGANIZMY W PROCESACH BIOTECHNOLOGICZNYCH
WIRUSY
Medycyna:
-terapia fagowa
- szczepionki
- identyfikacja szczepów bakteryjnych
Nauka:
- ewolucja
- wektory
- narzędzia biologii molekularnej
Przemysł i ochrona środowiska:
- fagoodporne startery
- organizmy transgeniczne
NAUKA
Wektory:
- pozachromosomowe nośniki genów zdolne do samodzielnej replikacji
- zdolne do przenoszenia o wiele większych fragmentów DNA niż za pomocą plazmidowych wektorów bakteryjnych
- wprowadzenie wektorów wirusowych prostą metodą transfekcji (pozyskanie genu, wyizolowanego z płaszcza białkowego) lub infekcji (wprowadzenie całej cząstki wirusowej)
- prezentacja białek na powierzchni fagów jako wydajna metoda przesiewowa w badaniach nad oddziaływaniami pomiędzy białkami
- typowanie bakteriofagami - fagotypowanie - określa różnice we wrażliwości bakterii na określony zestaw fagów - pomaga w rozróżnieniu blisko spokrewnionych szczepów bakterii
- tworzenie bibliotek genomowych (banków genów)
- wektory wirusowe w terapii genomowej
- wektory pochodne adenowirusów (ADV) - wywołują silną odpowiedź immunologiczną
- wektory pochodne para wirusów (AAV) - pozytywne wyniki wprowadzania z ich udziałem trans genów do neuronów
- wektory pochodne wirusa opryszczki (HSV) - wykorzystywany w infekcji neuronów, pozytywne efekty w leczeniu nowotworów mózgu, niedotlenienia mózgu (?), w chorobie Parkinsona (?)
- wektory pochodne retrowirusów - do otrzymania zwierząt transgenicznych, użyteczne do wprowadzania genów do zapłodnionych komórek jajowych ssaków
MEDYCYNA
- fagowe enzymy lityczne:
- holina - uczestniczy w powstawaniu „dziur” w błonie cytoplazmatycznej
- endolizyna - hydrolizując mureinę rozpoczyna proces śmierci komórki bakteryjnej
- terapia bakteriofagowa - u chorych na AIDS, po chemioterapii i transplantacji
Bakteriofagi |
Antybiotyki |
Bezpieczne w stosowaniu, nie powodują poważnych efektów ubocznych |
Różne efekty uboczne, m. in. zaburzenia w funkcjonowaniu układu pokarmowego, alergie, infekcje wtórne |
Replikują i koncentrują się w miejscu infekcji, tak długo, jak długo obecne są wrażliwe na nie bakterie |
Są metabolizowane i eliminowane z organizmu, nie koncentrują się w miejscu i infekcji |
Wysoko specyficzne i bardzo efektywne w niszczeniu docelowych komórek bakterii patogennych, pozwalają na uniknięcie infekcji wtórnej. Nie niszczą naturalnej mikroflory organizmu |
Mogą być używane bez znajomości szczepu bakterii wywołującego chorobę, niszczą zarówno bakterie patogenne, jak i mikroflorę naturalną, co może prowadzić do poważnych infekcji wtórnych |
Bakterie oporne na jeden typ faga pozostają wrażliwe na inne fagi |
Stosowanie antybiotyków może wywołać wyselekcjonowanie bakterii wieloopornych, zarówno będących celem ich działania, jak i innych |
Wyselekcjonowanie nowych fagów jest procesem krótkim, trwa kilka dni - tygodni, i stosunkowo niedrogi |
Wytworzenie nowego antybiotyku jest procesem długim, trwa kilka lat i jest bardzo kosztowne |
- szczepionki - preparaty biologiczne pobudzające odpowiedź komórkową i humoralną organizmu oraz prowadzi do wytworzenia swoistych przeciwciał skierowanych przeciwko określonemu patogenowi
- szczepionki inaktywowane - tworzone z całych cząstek wirusowych, traktowanych związkami chemicznymi lub czynnikami fizycznymi, w celu pozbawienia właściwości chorobotwórczych ale z zachowaniem właściwości antygenowych (wścieklizna, kleszczowe zapalenie mózgu, choroba Heinego-Medina)
- szczepionki atentowane - zawierają całe cząstki wirusowe lecz osłabione przez delecję genów odpowiedzialnych za ich chorobotwórczość (odra, różyczka)
- szczepionki podjednostkowe - zawierają jedynie najbardziej immunogenne antygeny - białka otoczki wirusa (WZW, grypa)
- szczepionki roślinne - są jadalne, o niskich kosztach produkcji, brak specjalnych wymogów przechowywania, wywołują odpowiedź immunologiczną przez śluzówkę nabłonka - są efektywniejsze w porównaniu ze szczepionkami podawanymi przez iniekcję.
Uzyskiwane przez bezpośrednie wprowadzenie genu kodującego antygen do komórki roślinnej lub przez infekcję rośliny wirusem zmodyfikowanym w kierunku produkcji antygenu.
Jako wektory wirusowe - pochodne wirusa mozaiki tytoniu i wirusa mozaiki lucerny
- terapia genowa - wprowadzenie materiału genetycznego do komórek pacjenta w celu zastąpienia uszkodzonego genu prawidłowym lub w celu wprowadzenia genu mającego nadać nową funkcję komórce.
- terapia suplementacyjna - trans geny dostarczają komórce prawidłową kopię genu, która odpowiada za efekt terapeutyczny (hemofilia, mukowiscydoza)
- terapia supresyjna - hamowanie ekspresji genu, który wymknął się spod kontroli, wprowadzenie genu, którego toksyczny produkt będzie prowadził do śmierci komórek, np. nowotworowych
PRZEMYSŁ I OCHRONA ŚRODOWISKA
- przemysł spożywczy i rolnictwo
- aerozole składające się z mieszaniny fagów służące do oprysku mięsa, jaj i owoców likwidując bakterie Listeria, Salmonella, Staphylococcus
- rośliny transgeniczne
- przemysł mleczarski
- infekcje bakterii mlekowych wirulentnymi fagami
W Polsce 60-70% zaburzeń technologicznych przy produkcji serów twarogowych i dojrzewających jest wynikiem fagowych zakażeń bakterii Lactococcus
- zastosowanie bakteriofagów w wytwarzaniu sera z udziałem Lactococcus lactis - dzięki wszczepieniu w genom Lactococcus genów faga przyspieszona ekspresja genów powodujących lizę komórek - przyspieszenie dojrzewania sera.
- modyfikacje genomów starterowych bakterii mleczarskich w właściwościach bioochronnych przeciw Listeria
- oczyszczanie ekosystemów wodnych
- wykorzystanie bakteriofagów do hamowania rozwoju patogenów ryb hodowlanych i roślin
- ograniczenie zakwitania wód sinicami
Równowagi między bakteriami pożytecznymi i szkodliwymi.
BAKTERIE W BIOTECHNOLOGII
- wykorzystanie w przemysłowych procesach fermentacyjnych
- wykorzystanie w produkcji antybiotyków
- wykorzystanie w produkcji kwasów organicznych:
- Lactobacillus - kwas mlekowy
- wykorzystywanie w produkcji aminokwasów:
- Corynebacterium glutamicum - kwas glutaminowy, lizyna, metionina, treonina, izoleucyna
Bacillus
-produkcja enzymów: proteazy, amylazy, celulazy, glukanazy, ksylanazy
- produkcja antybiotyków: bacytracyna, gramicydyna
- komórki-fabryki (cell factory) do produkcji białek heterologicznych (obcych białek, których geny pochodzą od innych gospodarzy): hormon wzrostu, interferony, enzymy
- inne produkty przemysłowe wytwarzane przez Bacillus
Produkt |
Zastosowanie |
Δ-endotoksyny |
Biopestycydy, insektycydy |
Nukleotydy purynowe |
Środki poprawiające smak żywności oraz komponenty leków |
Ryboflawina |
Suplement żywności i skłanik leków |
Kwas poluglutaminowych (PGA) |
Biopolimer, zagęszczacz stosowany w przemyśle spożywczym, kosmetycznym i farmacji |
D-Ryboza |
Przyprawa poprawiająca smak żywności, dodatek do farmaceutyków i kosmetyków |
Taumatyna |
Słodkie białko - spożywczy środek słodzący |
- wykorzystanie w biotransformacji (chemiczne przekształcenie przez Bacillus egzogennych związków organicznych w strukturalnie im podobne produkty) - leki steroidowe
- biodegradacja frakcji ropy naftowej, WWA, pestycydów, fungicydów, herbicydów
GRZYBY W BIOTECHNOLOGII
-wykorzystanie w produkcji kwasów organicznych:
- Aspergillus niger - kwas cytrynowy, glukonowy
- Aspergillus tereus - kwas itakonowy
- Aspergillus griseus - kwas winowy
- wykorzystanie w przemysłowych procesach fermentacyjnych
- wykorzystanie w produkcji antybiotyków
- pozyskiwanie chityny i chitozanu - Aspergillus, Mucor
- pozyskiwanie lipidów - kwas linolenowy - Mucor rouxii
- produkcja enzymów: amylazy, pektynazy, celulazy, lipazy, proteolityczne
- izolacja lowastatyny z Aspergillus terreus - hamuje syntezę cholesterolu, obniżając jego stężenie we krwi
- insektycydy w uprawach rolniczych - Trichoderma, Beauveria
MIKROORGANIZMU EKSTREMOFILNE
- Psychrofile
- rekombinacja DNA in vitro
- detergenty
- dodatki do żywności
- sztuczny śnieg, produkcja lodów
- krioprotektanty dla cytrusów
- produkcja metanu
- hydroliza laktozy w produktach mleczarskich
- roztwory do higieny soczewek kontaktowych
- zmiękczanie mięsa
- Ekstremalne termofile
- amplifikacja DNA przez PCR
- diagnostyka medyczna
- mleczarstwo, piekarnictwo
- przetwórstwo skrobi
- bielenie papieru
- degradacja skażeń ropą naftową
- Acydofile
- odzysk metali, odsiarczanie węgla
- produkcja kwasów organicznych, rozpuszczalników
- Alkalofile
-detergenty
- odwłaszanie skór zwierzęcych
- odgumowywanie
- bielenie pulpy drzewnej, wysokogatunkowy papier
- regeneracja oleju
- Halofile
- optyczne przełączniki
- produkcja tworzyw sztucznych dla medycyny
- odzyskiwanie ropy naftowej
- wczesne diagnozowanie nowotworów
- produkcja dodatków do żywności, barwników, suplementów
- degradacja i transformacja odpadów