Biotechnologia 20.02.2012 wykład 1

Dwa pojęcia biotechnologii:
a) Biotechnologia to zastosowanie metod naukowych i inżynieryjnych do obróbki materiałów i surowców czynnikami biologicznymi w celu pozyskania dóbr i usług
b) Biotechnologia to zintegrowane zastosowanie nauk przyrodniczych i inżynieryjnych tj. biochemii, mikrobiologii i inżynierii procesowej w celu termicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych dla pozyskania określonych dóbr i usług (definicja wg Europejskiej Federacji Biotechnologii)

Biotechnologia składa się z różnych dziedzin naukowych np.:
- biologia komórki
- genetyka
- mikrobiologia
- biochemia
- chemia
- ekologia
- inżynieria
- informatyka
- matematyka
- fizyka
- biologia molekularna
- ekonomia

Zastosowanie biotechnologii
- ochrona zdrowia
- ochrona środowiska
- rolnictwo
- przemysł spożywczy
- przemysł chemiczny
- surowce
- nośniki energii
- analityczna
- i inne

Podział współczesnej biotechnologii:

1. Zielona biotechnologia , którą stanowią przede wszystkim biotechnologie związane z rolnictwem

2. Czerwona biotechnologia, wykorzystywana w ochronie zdrowia

3. Biała biotechnologia, to biotechnologia przemysłowa wykorzystująca systemy biologiczne w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska

Biotechnologia jest dziedziną interdyscyplinarną, w której poza rozwojem nowych technologii, opartych na biologii molekularnej, inżynierii genetycznej i komórkowej, istnieje wielowiekowa tradycja klasycznych procesów fermentacyjnych w przemyśle spożywczym.

Do biotechnologii klasycznych zaliczane są głownie technologie wykorzystywane przy produkcji:
- alkoholu etylowego
- drożdży piekarniczych
- napojów alkoholowych – wina, piwo
- żywności – sery, napoje mleczne
- kwasu octowego, cytrynowego i mlekowego

Podział biocenologii oparty na kryteriach związanych z najnowszymi technologiami:

1. B. tradycyjne – przebiegające z użyciem naturalnych enzymów lub drobnoustrojów i komórek organizmów wyższych nie zawierających obcego materiału genetycznego

2. B. nowoczesne – w których stosowane są szczepy drobnoustrojów lub linie komórkowe, skonstruowane metodami inżynieryjnymi białka

Powyższy podział stanowi jednak duże uroszczenie; genetycznie modyfikowane drobnoustroje, linie komórkowe i enzymy mogą być wykorzystywane nie tylko do opracowania nowych technologii, ale także do usprawnienia technologii tradycyjnych.

Rosnące zainteresowanie biotechnologią w:
- medycynie
- doskonaleniu procesów biosyntezy i biotransformacji w przemyśle farmaceutycznym

Znaczące osiągnięcia biotechnologii są również widoczne w:
- rolnictwie i przetwórstwie rolno-spożywczym
- ochronie środowiska
- pozyskiwaniu biopaliw ze źródeł odnawialnych

Zdobycze biotechnologii niosą ze sobą również pewne obawy i zagrożenia związane w szczególności z inż. genetyczną i użyciem organizmów modyfikowanych genetycznie – GMO

Nowoczesne metody i rozwiązanie biotech. obejmują:
- rekombinacje genetyczne in-vitro i klonowanie genów
- fuzję komórek (protoplastów)
- inżynierię białka
- technologię enzymów unieruchomionych
- biokatalizę w układach z rozpuszczalnikami organicznymi
- komputerowe modelowanie i sterowanie bioprocesami
- technikę ciągłych procesów biotechnologicznych
- nowoczesne techniki wydzielania i oczyszczania bioproduktów

Wg szacunkowych ocen polski przemysł biotechnologiczny zajmujący się głownie konfekcjonowaniem i dystrybucją obcych produktów końcowych, jest na bardzo wstępnym etapie rozwoju.
Nasz kraj ma szansę wykreować własne technologie, produkty i miejsca pracy! Potrzebna jest jednak w tym celu intensyfikacja działań zmierzających do procesu…(nie zdążyłam zapisać xD więc nie dowiemy się jak stworzyć nowe miejsca pracy xD)

ZIELONA BIOTECHNOLOGIA

W Europie i Polsce opinia publiczna jest niezwykle krytyczna i przeciwna rozwojowi GMO w kontekście szeroko pojętej żywności.
Stan ten jest spowodowany decyzjami politycznymi.
Realną szansą zielonej biotechnologii jest jej wykorzystanie w produktach biotechnologii białej i czerwonej.
Należy rozwijać badania nad regulacją gen. Procesów istotnych do rozwijania produkcji roślinnej „przyjaznej” dla środowiska szczególnie w zakresie odporności na patogeny i szkodniki oraz abiotyczne czynniki stresowe. Powinny być stymulowane prace nad wykorzystaniem mikroorganizmów do zwiększania plonowania i zapewnienia wysokiej jakości produkcji przemysłu rolno-spożywczego. Ważnym kierunkiem badawczym jest takie wprowadzenie transgenicznych roślin do produkcji szczepionek doustnych i rekombinowanych białek, a także wykorzystywanie tychże roślin jako surowców odnawialnych w biorafineriach.

CZERWONA BIOTECHNOLOGIA

Polska nie jest liderem. Produkujemy kilka preparatów takich jak hormony, przeciwciała monoklonalne czy testy diagnostyczne, pozyskiwanych z wykorzystaniem nowoczesnych technik inżynierii genetycznej.

BIAŁA BIOTECHNOLOGIA

Opiera się głownie nie biokatalizie i bioprocesach. Dzięki surowcom odnawialnym, głownie produkty rolne, są przekształcone w cenne chemikalia, leki, materiały polimerowe, czynniki energatyczne, dodatki konsumpcyjne etc. Z wykorzystaniem komórek pleśni, drożdży, bakterii, czy enzymów z nich pochodzących. Biała biotechnologia czyni aktywność przemysłową bardziej przyjazną dla środowiska i jednocześnie obniża koszty wytwarzania poprzez zmniejszenie zużycia surowców i energii, redukcji odpadów..

Wykorzystywanie białej biotechnologii jest obecnie przedmiotem dyskusji UE np.:
- zastąpienie tradycyjnych nie-biologicznych procesów przemysłowych bioprocesami
- bioremediacja

Wykład 2 – 27.02.2012

Bioremediacja – biozysk, użycie biologicznych układów w celu redukcji wielkości zanieczyszczenia powietrza, wody, gleby lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczenia w formy mniej szkodliwe

Stosowane układy biologiczne
- rośliny wyższe (fitoremediacjia)
- drobnoustroje (biohydrometalurgia)
Potencjalne możliwości mikroorganizmów są olbrzymie i dotychczas nie w pełni poznane.

Procesy biotechnologiczne są równie wykorzystywane do:
- produkcji leków (pierwsze były antybiotyki i szczepionki)
- przemyśle chemicznym i wydobywczym (np. biohydrometalurgia, pozyskiwanie uranu)
- produkcji nośników energii (etanol, biodiesel)
- ochronie środowiska (np. biologiczne metody czyszczenia ścieków)
- w biotechnologii kultur (komórkowych, tkankowych, organów) roślinnych i zwierzęcych in vitro
- w biotechnologii roślin i zwierząt, kiedy mamy do czynienia z tworzeniem organizmów transgenicznych

Okres narodzin nowoczesnej biotechnologii
- przypada na lata 40. XX w
- uruchomienie wielkoprzemysłowej produkcji penicyliny pod koniec II wojny światowej wymagało współpracy wielu specjalistów(mikrobiologów, chemików, inżynierów). Sukces ten przyczynił się w dalszym okresie do integracji dyscyplin biologicznych, chemicznych i inżynieryjnych.

W efekcie tego opracowano technlogię produkcji:
- ok.100 antybiotyków
- kilkunastu enzymów
- dwóch witamin
- kilku aminokwasów
- nukleotydów
- giberelin
- dekstranu
Ponad to istotnym sukcesem tego okresu było zastosowanie biotransformacji mikrobiologicznej do otrzymania leków steroidowych.

- do uzyskania dużych wydajności nowo opracowanych technologii istniała konieczność doskonalenia szczepów produkcyjnych
- w związku z tym izolowano je ze środowisk naturalnych orz opracowano metody ich ulepszania. W pierwszym okresie (1945 – 1970) wykorzystywano w tym celu metody mutagenizacji.

Okres rozwoju nowoczesnej biotechnologii
-przypada na lata 70. XX w
Charakteryzuje się użyciem nowych metod:
- diploidyzacji i hybrydyzacji (inżynieria komórkowa)
- inżynierii genetycznej

Dużym osiągnięciem w tym okresie było: opanowanie techniki prowadzenia bioprocesów, dzięki konstrukcji bioreaktorów pozwalających na dokładny pomiar, regulacje parametrów procesowych (pH, O₂, CO₂, likwidacja piany, dozowanie pożywki).
powstałą w ten sposób nowa gałąź wiedzy – inżynieria bioprocesowa. Do ważniejszych jej osiągnięć należy:
- skonstruowanie przemysłowych bioreaktorów tlenowych z mieszadłami mechanicznymi
- bezmieszadłowych bioreaktorów cyrkulacyjnych
- opracowanie techniki prowadzenia mikrobiologicznych procesów ciągłych

Postęp w dziedzinie fermentacji jest ciągły i coraz szybszy. Co roku na liście substancji uzyskanych na drodze fermentacji pojawiają się nowe produkty.
wiele witamin wytwarza się obecnie przemysłowo, stosując w ich syntezie etapy fermentacyjne. Np.:
- witamina B₂ (ryboflawina)
- witamina B₁₂ (cyjanokobalamina)
- witamina C (kwas askorbinowy)

Do najbardziej interesujących procesów fermentacyjnych należą:
- swoiste odwodorowanie i hydroksylacje pierścienia sterydowego
Takie chemiczne przekształcenie (biotransformacja) wydatnie uproszczają np. proces produkcji kortyzolu i jego pochodnych, które są lekami przeciwreumatycznymi.

w oparciu o fermentacje przeprowadza się przemysłową produkcje aminokwasów:
- L-lizyny
- kwasu glutaminowego

Produkcja kwasów nukleinowych na drodze fermentacji stała się ważnym źródłem substancji wzmacniających smak. Istotne zastosowanie w rolnictwie znalazła giberelina, otrzymana drogą fermentacji, będąca regulatorem wzrostu. Zastosowanie w rolnictwie znalazły przetrwalniki i krystaliczne inkluzje pewnego szczepu z rodzaju Bacillus. B. turingensis jest stosowany jako środek owadobójczy. Przemiany niektórych wysoko utlenionych związków aromatycznych mogą być stosowane do syntez chemicznych.

Przewiduje się badania nad dalszymi ulepszeniami gatunków roślin , mającymi na celu:
- zmniejszanie ilości niekorzystnych oligosacharydów (stachioza, rafinoza i galaktoza)
- redukcja ilości nasyconych kwasów tłuszczowych i podwyższenie zawartości kwasów mononienasyconych z 25 do 85%

Inżynieria genetyczna ukierunkowana jest na osiągnięcie tych samych celów co konwencjonalne metody krzyżowania i selekcji.

Przewiduje się, że w ciągu najbliższych lat metoda ta będzie już powszechnie stosowana w ulepszaniu wszystkich głównych roślin uprawnych.

Rośliny następnej generacji będą miały zmienione cechy kontrolowane poligenicznie, tak jak:
- wydajność fotosyntezy
- odporność na stresy abiotyczne
Jednakże w krótkiej i średniej perspektywie czasowej przewidywany wzrost produktywności oczekiwany jest raczej poprzez lepszą ochronę roślin i przyswajanie składników pokarmowych niż poprzez zwiększenie ich fotosyntetyzowanej efektywności.

wykaz mniejszych osiągnięć w biotechnologii w ujęciu historycznym
6000 lat p.n.e. – stosowanie drożdży do wytwarzania piwa i wina

4000lat p.n.e. – stosowanie drożdży w zaczynie chlebowym

1857 – L. Pasteur wykazał ze fermentacja alkoholowa jest prowadzona przez drożdże i że są one żywymi komórkami

1865 – ustalenie zasad przekazywania cech dziedzicznych (G. Mendel)

1869 – pierwsze wyizolowanie kwasu DNA (F. Mischer) szczególnie duże stężenie nukleiny spostrzegł w jądrze komórkowym – „nucleus” – dlatego nazwał ją nukleiną

1872 – wprowadzenie do praktyki przemysłowej i medycznej czystych kultur:
- pleśni – Brefeld 1872
- bakterii – Lister – 1877
- drożdży – Hansen 1881

1880 – uruchomienie produkcji drożdży piekarskich w warunkach hodowli wgłębnych z zastosowaniem wymuszonego napowietrzenia. Rok później powstał pierwszy zakład wytwórczy kwasu mlekowego

1883 – wprowadzenie czystych kultur drożdży do technologii piwowarskiej

1894 – uruchomienie w USA przemysłowej produkcji amylazy grzybowej (takodiastazy)

1923 – Pfizer uruchomił pierwszą w świecie fabrykę produkującą kwas cytrynowy metodą tlenowej fermentacji powierzchniowej przy użyciu A. Niger

1929 – wykrycie zjawiska antybiozy przez Aleksandra Fleminga na przykładzie antagonistycznego oddziaływania grzyba z rodzaju Penicillum w stosunku do gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus)

1941 – opracowanie technologii produkcji penicyliny (Florey, Chain)

1944 – poznanie budowy genów oraz funkcji DNA w dziedziczności (Oswald Avery)

1953 – przedstawienie modelu budowy DNA (Crick, Watson)

1965 – odkrycie kodu genetycznego (Robert Holley, Gobind Khorana, Marshall Nirenberg)

1968 – Daniel Nathans, Hamilton O. Smith, Werner Arber odkrywają pierwsze enzymy restrykcyjne

1972 – Paul Berg kładzie podwaliny doświadczalne pod inżynierię denetyczną. Dokonuje:
- pierwszej rekombinacji DNA in vitro
- pierwsze klonowanie genów

1976 – pierwsze normy prawne dotyczące badań z zakresu inżynierii genetycznej

1966 – sklonowanie pierwszego dorosłego ssaka przez Iana Wilmuta

2003 – zakończenie sekwencjonowania ludzkiego genomu

Rozwój biotechnologii nie byłby możliwy bez osiągnięć dyscyplin podstawowych, takich jak: biochemia, genetyka, mikrobiologia, matematyka czy fizyka.
OBSZARY ZAINTERESOWAŃ ORAZ ZNACZENIE WSPÓŁCZESNEJ BIOTECHNOLOGI
I. Produkcja żywności
Przemysł spożywczy
1. Tradycyjne procesy fermentacyjne- produkcja pieczywa, fermentowanych produktów mlecznych i roślinnych, drożdżowych, napojów alkoholowych
2. Nowe technologie mikrobiologiczne wytwarzania białka organizmów jednokomórkowych (SCP – single cel proteins), aminokwasów, witamin, nukleotydów, kwasów organicznych, polisacharydów.
3. Zastosowanie enzymów do wytwarzania wyrobów mleczarskich, owocowo-warzywnych, napojów fermentowanych, przetworów skrobii
4. Utrwalanie żywności: oksydaza glukozowa (antyutleniacz), nizyna
Nizyna – antybiotyk peptydowy (34 aminokwasy) syntetyzowany przez niektóre szczepy Lactococcus lactis subsp. lactis. Obecnie nizynę zalicza się do bakteriocyn.

Rolnictwo
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, bioinsektycydy, 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
   - Atybiotyków
   -> aminokwasów (L-lizyna, L-metionina, kwas L-glutaminowy)
   -> witamin ( B₂, B₁₂ oraz prowitaminy β-karoten i ergosterol)
   Enzymów i inhibitorów enzymów
   Dekstranu; alkaloidów

3. Mikrobiologiczna biosynteza
   - hormonów peptydowych
   - antygenów
   - innych produktów przy użyciu szczepów

4. Zastosowanie procesów biotransformacji mikrobiologicznej i enzymatycznej produkcji leków:
   - steroidowych
   - aminokwasów
   - antybiotyków
   - witaminy C
   - efedryny

5. Wytwarzanie przeciwciał monoklonalnych m.in. do celów diagnostycznych (testy immunologiczne)