Biotechnologia

Biotechnologia

• ""Biotechnology" means any technological

application that uses biological systems,

living organisms, or derivatives thereof, to

make or modify products or processes for

specific use.„

• Biotechnologia oznacza zastosowanie

technologiczne, które używa systemów

biologicznych,

organizmów żywych

lub ich

składników, żeby wytwarzać lub

modyfikować produkty lub procesy w

określonym zastosowaniu

Kalendarium

•

6000 p. n. e. - produkcja

piwa

,

wina

,

chleba

z użyciem

drożdży

•

4000 p. n. e. - produkcja w Chinach

jogurtu

i

sera

z użyciem bakterii produkujących

kwas mlekowy

•

1675

- odkrycie mikrobów

•

1856

-

Grzegorz Mendel

odkrywa prawa dziedziczenia

•

1919

- pierwsze użycie słowa biotechnologia przez Karla Ereky'ego - węgierskiego agronoma

•

1953

-

James D. Watson

i

Francis Crick

opisują strukturę

DNA

•

1972

- odkrycie, że ludzkie DNA jest w 99% takie same jak u szympansów i goryli

•

1975

- opracowanie produkcji

przeciwciał monoklonalnych

przez Köhlera i Milsteina

•

1980

- scharakteryzowanie nowoczesnej biotechnologii jako

technologia rekombinacji DNA

.

• - produkcja

insuliny

i innych leków w formie ludzkiej w

E. coli

• - żywy szczep drożdży piwnych Saccharomyces cerevisiae 1026 modyfikuje mikroflorę

w przewodzie pokarmowym krów i koni

•

1983

- wynalezienie

PCR

(polymerase chain reaction), techniki która zrewolucjonizowała

biotechnologię, przez

Kary Mullisa

i jego współpracowników w kalifornijskiej firmie Cetus

•

1990

- rozpoczęcie

Projektu poznania ludzkiego genomu

•

1994

-

FDA

aprobuje pierwszą genetycznie zmodyfikowaną żywność - pomidor

FlavrSavr

firmy

Calgene

•

1997

- sklonowanie owcy, nazwanej Dolly, przez zespół

Iana Wilmuta

w brytyjskim

Instytucie

Roslin

•

2000

- opulikowanie wersji roboczej ludzkiego genomu

•

2002

- zsekwencjonowanie DNA pierwszej rośliny uprawnej -

ryżu

•

2003

-

GloFish

pierwsze zmodyfikowane genetycznie zwierzę domowe trafia do sprzedaży.

Wyhodowana w celu wykrywania zanieczyszczeń ryba fluoryzuje jasnoczerwono dzięki genowi

bioluminescencji

Biotechnologia przedwczoraj

Nauka

Produkcja:napoje alkoholowe

Technologia: technika inokulacji

Biotechnologia wczoraj

Nauka

Pasteur: rola mikroorganizmów w procesach fermentacji
zastosowanie czystych kultur drobnoustrojów
warunki aseptyczne bioprocesów

Produkcja

kwasy(mlekowy, cytrynowy)
aceton-butanol
preparaty enzymatyczne
drożdże piekarskie
biotransformacja ( kwas glukonowy, L-sorboza)

Technika,Technologia

degradacja ścieków (beztlenowa Inhoff)
technika złoża zraszanego
tlenowa fermentacja powierzchniowa
fermentatory z napowietrzaniem i mieszaniem

Biotechnologia dzisiaj

Nauka

budowa i funkcja kwasów nukleinowych
budowa białek
podstawy naukowe otrzymywania metabolitów
mechanizmy reakcji enzymatycznych
inżynieria genetyczna( rekombinacja DNA,manipulacja genami,

projektowanie genotypów

Produkcja

wytwarzanie leków( antybiotyki, steroidy)
preparaty enzymatyczne ( amylolityczne, proteazy)
aminokwasy
proteiny( insulina, białka odpornościowe, przeciwciała,
witaminy)

Technologia

inżynieria bioprocesowa( warunki prowadzenia bioprocesów)
konstrukcja bioreaktorów( cyrkulujące, ciągłe)
bioutylizacja odpadów
GMO

Biotechnologia jutro

Zagospodarowanie surowców naturalnych

energia, paliwa silnikowe

Ochrona środowiska

utylizacja odpadów, ścieków

Ochrona zdrowia

diagnostyka medyczna ( wirusy, bakterie, choroby genetyczne)
leki
hormony, witaminy

Przemysł spożywczy, rolnictwo

GMO
białka
ochrona roślin, stabilizacja żywności
hodowla tkanek, komórek in vitro

Przemysł chemiczny

Bioinformatyka

Podział

• Biała – biotechnologia przemysłowa wykorzystująca

systemy biologiczne w produkcji przemysłowej i ochronie

środowiska. Opiera się ona na biokatalizie i bioprocesach.

• Czerwona - biotechnologia wykorzystywana w ochronie

zdrowia, w szczególności w zakresie produkcji nowych

biofarmaceutyków, rozwoju diagnostyki genetycznej, czy

genoterapii i ksenotransplantologii.

• Zielona – biotechnologia związana z rolnictwem obejmująca

stosowanie metod inżynierii genetycznej w celu

doskonalenia produkcji roślinnej czy zwierzęcej.

• Fioletowa - związana z ustawodawstwem, które dotyczy

biotechnologii(prawne i społeczne uwarunkowania

Podział

• Podziały tradycyjne:

• biotechnologia zwierząt,

• biotechnologia roślin,

• biotechnologia żywności

• biotechnologia tradycyjna (stosuje naturalne

enzymy lub organizmy nie zawierające

obcego materiału genetycznego),

• biotechnologia nowoczesna (stosuje

organizmy, enzymy i białka zmodyfikowane

genetycznie).

Biotechnologia ?

• Biotechnology combines disciplines like

genetics, molecular biology, biochemistry,
embryology and cell biology, which are in
turn linked to practical disciplines like
chemical engineering, information
technology, and robotics. Patho-
biotechnology describes the exploitation of
pathogens or pathogen derived
compounds for beneficial effect.

Czym jest biotechnologia?

Dyscypliny naukowe, które wchodzą w skład biotechnologii

to:

 biologia komórki;

 mikrobiologia;

 genetyka wraz z inżynierią genetyczną;

 biochemia i biologia molekularna;

 biofizyka;

 chemia bioorganiczna;

 technologia fermentacyjna;

 inżynieria bioprocesowa;

 techniki separacyjne.

Czym jest biotechnologia?

 Zasadniczy przełom w rozwoju biotechnologii

został dokonany w wyniku ogromnego postępu

w poznaniu budowy i funkcjonowania genów.

Dyscyplina zajmująca się tym problemem,

genetyka, stworzyła podstawy umożliwiające

manipulowanie informacją genetyczną na drodze

racjonalnej.

 Wyłoniona z tych badań nowa dyscyplina, inżynieria

genetyczna, dysponuje obecnie metodami

umożliwiającymi tworzenie nowych, nieznanych dotąd,

światów ożywionych - nowych wersji organizmów

żywych o korzystnych właściwościach użytkowych

wykorzystywanych dla potrzeb człowieka.

Biotechnologia- zastosowania

praktyczne

 wytwarzania różnych produktów – biosynteza;

 przetwarzania produktów – biotransformacja;

 niszczenia niepotrzebnych lub uciążliwych produktów

z ewentualnym ich wykorzystaniem –

biodegradacja;

 wzbogacania rozproszonych substancji –

bioakumulacja;

 zamiany energii fizycznej na chemiczną –

biokonwersja.

Biosynteza

 Na tej drodze wytwarza się tysiące artykułów

przemysłowych, takich jak alkohol, rozpuszczalniki,

aminokwasy, liczne półprodukty, enzymy piorące i do

innych licznych zastosowań, kwasy organiczne,

biomasy paszowe z odpadowych produktów takich

jak melasa, serwatka, odpady drewna, ługi

posulfitowe, odpady z przerobu ropy naftowej i inne.

Szczególnie ważnym zastosowaniem metod

biosyntezy jest wytwarzanie licznych leków, jak

antybiotyki, witaminy, hormony i wspomniane wyżej

różne produkty pochodzenia ludzkiego wytwarzane

przez zmodyfikowane genetycznie drobnoustroje.

Przemysłowe procesy

biosyntezy

Czynniki

katalityczne

Procesy

Drobnoustroje

Produkcja aminokwasów,

antybiotyków, polisacharydów,

preparatów paszowych

Komórki zwierzęce

Otrzymywanie szczepionek

wirusowych, przeciwciał

monoklonalnych

Komórki roślinne

Otrzymywanie kwasu

rozmarynowego

Enzymy

Otrzymywanie dekstranu,

glutationu, tryptofanu

Biotransformacja

Ten typ procesów służy do prowadzenie w

przemyśle reakcji jednostkowych katalizowanych

przez enzymy drobnoustrojowe. Są to reakcje

utleniania i redukcji, hydrolizy, kondensacji,

izomeryzacji, addycji i inne. Przykładem może tu

być otrzymywanie kwasu glukonowego z glukozy,

jako jeden z etapów produkcji witaminy C na

drodze syntezy, czy też produkcja cennych leków

sterydowych poprzez transformację

mikrobiologiczną pewnych sterydów roślinnych;

Przemysłowe procesy

biotransformacji

Czynniki

katalityczne

Procesy

Drobnoustroje

Biotransformacje

steroidów,otrzymywanie

kwasu octowego, L-sorbozy,

kwasu glukonowego

Enzymy

Konwersja glukozy do

fruktozy, kwasu fumarowego

do jabłkowego lub L-

asparaginowego,

biotransformacje steroidów

Bioakumulacja

Mikrobiologiczna akumulacja metali ze źródeł

rozproszonych, których przeróbka hutnicza jest
nieopłacalna. Powstała biomasa drobnoustroju
stanowi wysokoprocentową rudę metalu, będącą
cennym surowcem hutniczym. Bioakumulacja
jest przyszłością przemysłu metalurgicznego.
Kopalne wysokoprocentowe rudy metali skończą
się i pozostaną jedynie niewyczerpalne źródła
rozproszone. Już dzisiaj 15% światowej produkcji
miedzi oparte jest na metodach
biotechnologicznych.

Biokonwersja

Ta metoda biotechnologiczna stanowi istotną

część przyszłości energetyki. W metodzie tej
wykorzystuje się energię słońca, którą
bakterie fotosyntetyzujące lub algi
jednokomórkowe zamieniają na energię
wiązań chemicznych związków organicznych.
Zmodyfikowane genetycznie organizmy mogą
na tej drodze wytwarzać związki chemiczne
takie jak węglowodory gazowe i płynne.

Zalety bioprocesów 

• proces biotechnologiczny jest cenionym przez chemików

procesem, niezależnie od ilości przejść w całym procesie

biosyntezy i stopniem złożoności tworzonej cząsteczki.

Cały proces biosyntezy odbywa się w jednym bioreaktorze

przy jednym wsadzie;

• możliwość wytwarzania nawet bardzo złożonych związków

z wieloma centrami asymetrii z równą łatwością, jak

związków najprostszych;

• tanie, proste, łatwo dostępne i w małym asortymencie

surowce wyjściowe, jakimi są składniki podłoży dla

drobnoustrojów. Często są to nawet produkty odpadowe

przemysłu spożywczego;

• prosta aparatura produkcyjna (bioreaktory, filtry,

ekstraktory, wyparki) i złożona z niewielu członów w linii

produkcyjnej;

• niska temperatura procesu i niekorozyjne środowisko;

Zalety bioprocesów

• proste, a więc tanie, operacje przemysłowe. Główne operacje to

te związane z funkcjonowaniem bioreaktora: lekkie ogrzewanie,

mieszanie, napowietrzanie;

• bardzo małe zużycie energii;
• brak zanieczyszczania środowiska;
• wyjątkowo duża elastyczność w asortymencie produkcji i

związana z tym duża efektywność inwestycji. Ta sama fabryka, z

tymi samymi urządzeniami, praktycznie tymi samymi surowcami

i liniami dostawczymi może w krótkim czasie zmienić profil

produkcji zmieniając jedynie drobnoustrój dla nowego procesu

biotechnologicznego;

• najkorzystniejszy kierunek inwestowania: sukces procesu

biotechnologicznego jest, w głównej mierze, wynikiem badań

naukowych nad drobnoustrojem produkcyjnym. Inwestowanie w

przemyśle biotechnologicznym to przede wszystkim

inwestowanie w naukę, a więc najbardziej opłacalne.

Wady bioprocesów

• ograniczona możliwość stosowania;
• wrażliwość enzymów ( temperatura, obecność

innych substancji, które mogą je zatruć);

• odwracalność reakcji enzymatycznych;
• mikroskala;
• czasem bardzo długi czas syntezy biokatalitycznej;
• zazwyczaj cena biokatalizatora jest stosunkowo

niska, ale jeżeli zależy nam na zastosowaniu

wyselekcjonowanego oraz bardzo czystego enzymu,

to cena gwałtownie rośnie.

Produkty biotechnologiczne

Rodzaje produktów

Przykłady

Całe komórki

drożdże piekarskie, preparaty

paszowe, preparaty regeneracyjne

przewodu pokarmowego, szczepionki

Produkty końcowe przemian

katabolicznych

etanol, kwasy mlekowy i masłowy,

aceton, butanol

Fermentowane produkty spożywcze

jogurt, kefir, sery, piwo, wino

Produkty syntez podstawowych

•niskocząsteczkowe

•wielkocząsteczkowe

•aminokwasy, kw. cytrynowy,

nukleotydy, witaminy

•enzymy, lipidy, polisacharydy

Produkty biotechnologiczne

Rodzaje produktów

Przykłady

Produkty syntez peryferyjnych

antybiotyki, alkaloidy, dekstran.

ksantan, gibereliny

Produkty syntez i biotransformacji

specjalnych z udziałem

egzogennych prekursorów

1-hydroksy-1-fenylopropanon, kwas

akrylowy, kwas 6-

aminopenicylanowy,prednizolon,

testosteron, L-sorboza, tlenek

etylenu

Produkty obce dla drobnoustrojów

syntetyzowane przez szczepy ze

zrekombinowanym DNA

isnulina, interferony, hormony

wzrostu, czynniki krwi, inne białka i

polipeptydydy

Produkty chemiczne

Produkcja aminokwasów: L-lizyny, L-cysteiny,

kwasu L-glutaminowego i kwasu L-
asparaginowego;

Produkcja rozpuszczalników: butanolu, acetonu;
Produkcja dekstranu;
Produkcja kwasu glukonowego;
Produkcja kwasu itakonowego.

Łączna ilość procesów

biotransformacji rozpoczętych na

skalę przemysłową

Typy związków chemicznych

wyprodukowanych w wyniku

procesów biotransformacji

Gałęzie przemysłu, w których

wykorzystuje się produkty

przemysłowej biotransformacji