Biotechnologia
Biotechnologia oznacza zastosowanie technologiczne, które używa systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich składników, żeby wytwarzać lub modyfikować produkty lub procesy w określonym zastosowaniu.
Przykładowo: produkcja piwa jest procesem biotechnologicznym, w którym wykorzystuje się fermentację cukrów prostych przez drożdże. W wyniku niedostatecznej ilości tlenu, utlenianie jest niezupełne i następuje fermentacja. Innym przykładem jest produkcja przetworów mlecznych. Przykładem zastosowania biotechnologii w przemyśle jest projektowanie organizmów produkujących pożądane związki chemiczne.
Tworzenie GMO
GMO, czyli organizmy zmodyfikowane genetycznie to rośliny, zwierzęta i drobnoustroje, których geny zostały celowo zmienione przez człowieka. Rekombinacja DNA i inne pokrewne techniki pozwalają tworzyć organizmy o odmiennych właściwościach niż macierzysty gatunek. Pierwszy "GMO" został stworzony w 1973 przez Stanley Cohena i Herberta Boyer'a.
Aby otrzymany organizm był transgeniczny, należy do niego wprowadzić kawałek DNA, który pochodzi od obcego organizmu. Nim jakiś organizm zostanie genetycznie zmieniony, transformowany, należy posiadać fragment materiału genetycznego, który pochodzi z innego organizmu. Może on zostać wycięty z większego fragmentu DNA, dzięki enzymom restrykcyjnym. Są to cząsteczki białek, które potrafią przecinać nić DNA, częstokroć czynią to w specyficznym miejscu, dzięki czemu możliwe jest wycięcie takiego fragmentu jaki jest potrzebny.
Tak przygotowany materiał jest wprowadzany do zwierząt bądź roślin. Ten fragment najczęściej zwiera informację (koduje) cząsteczki białka, które będą wykorzystane przez organizm. Samo wprowadzenie materiału genetycznego nie jest łatwe.
Zastosowanie GMO w prod żywnościowych
Obecnie GMO najczęściej znajdują zastosowanie w medycynie, rolnictwie, przemyśle spożywczym i ochronie środowiska. Mikroorganizmy GM to zmodyfikowane bakterie produkujące enzymy o większej aktywności wykorzystywane są w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym (leki - insulina, humulina), przetwórstwie rolno-spożywczym, do oczyszczania środowiska (rekultywacja, remediacja) oraz diagnostyki lekarskiej. Zmodyfikowane drożdże znajdują zastosowanie do produkcji piekarniczej, mleczarskiej, farmaceutycznej, browarniczej.
Rośliny GM to odmiany transgeniczne posiadające odporność na czynniki biotyczne i abiotyczne, korzystniejszy zestaw składników odżywczych, przedłużoną trwałość stopniowo zastępują w uprawie odmiany tradycyjne.
Transgeniczne rośliny są źródłem żywności, która jest określana terminem „nowa żywność”. Pojęcie to obejmuje następujące typy żywności GM:
• Żywność będąca GMO (pomidory, ziemniaki)
• Żywność zawierająca przetworzone GMO (koncentraty, frytki mrożone)
• Żywność zawierająca przetworzone GMO (czekolada z lecytyną GM soji)
• Żywność produkowana z zastosowaniem GMO (chleb pieczony z wykorzystaniem transgenicznych drożdży)
• Produkty żywnościowe pochodne GMO, lecz nie zawierające komponentów transgenicznych (olej, cukier)
Poniżej przedstawiono kilka typów modyfikacji, które są bardzo istotne w produkcji żywności i w żywieniu człowieka.
Kontrola dojrzewania owoców (zwiększenie trwałości)
Modyfikacje węglowodanów roślinnych
Intensyfikacja biosyntezy barwników karotenoidowych
Modyfikacja białek roślinnych
Zmiany składu chemicznego olejów roślinnych
Rośliny jako źródła enzymów stosowanych w przetwórstwie surowców
Produkcja białek mleka ludzkiego
Usuwanie kofeiny
Zagrożenia GMO
Nie jest też dokładnie znany wpływ GMO na środowisko. Obawy budzą szczególnie rośliny zawierające geny odporności na herbicydy. Istnieje bowiem zagrożenie, że dojdzie do skrzyżowania z ich dziko żyjącymi krewnymi, w wyniku czego może dojść do powstania superchwastu, odpornego na działanie środków ochrony, a tym samym niemożliwego do zniszczenia. Niebezpieczeństwem może być też zbyt duże ujednolicenie upraw. W przypadku wystąpienia choroby straty byłyby być ogromne. Tak więc bardzo ważne jest zachowanie bioróżnorodności upraw, aby w razie potrzeby odmianę podatną na występującą chorobę, zastąpić inną - odporną.
Największe obawy wzbudza jednak bezpośrednia szkodliwość produktów GMO względami organizmu ludzkiego. Uważa się, że białka będące produktami ekspresji transgenów, mogą modyfikować przebieg metabolizmu komórek i prowadzić do powstania związków szkodliwych, mogących powodować szereg chorób, uczuleń itp. Obawy te są uzasadnione, jako że zdarzały się przypadki wystąpienia wysypek po spożyciu produktów GMO. Prawda jest jednak taka, że wiele spośród tradycyjnych produktów żywnościowych również powoduje uczulenia. GMO jest zaś poddana ogromnej liczbie badań, zanim zostanie odpuszczone do obrotu.
Etapy PCR
Reakcja łańcuchowa polimerazy, PCR technika umożliwiająca amplifikację (namnażanie) fragmentów DNA in vitro przy użyciu polimerazy DNA. Została opracowana przez Kary B. Mullis i M. Smitha, którzy za to otrzymali w 1993 Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
PCR zrewolucjonizowała współczesną biologię molekularną, umożliwiając wyprodukowanie milionów kopii fragmentu DNA w zaledwie kilka godzin. Stosuje się ją w diagnostyce chorób dziedzicznych, ustalaniu ojcostwa, w kryminalistyce przy ustalaniu pochodzenia śladów krwi, do powielania DNA ze szczątków organizmów wymarłych, wykrywania wirusów we krwi, np. wirusa HIV.
Do przeprowadzenia PCR potrzebne są:
1) substrat - matryca DNA (fragment DNA do skopiowania: wystarczy pojedyncza cząsteczka, może to być również fragment DNA nie oddzielony od genomu);
2) krótkie, jednoniciowe fragmenty DNA - oligonukleotydy, umożliwiające rozpoczęcie procesu replikacji (tzw. startery);
3) pozostałe substraty tej reakcji - nukleozydotrifosforany (ATP, GTP, CTP, TTP);
4) enzym katalizujący tę reakcję - polimeraza DNA.
ETAPY PCR:
1) denaturacja - rozdzielenie nici DNA (temperatura 95°C);
2) renaturacja - hybrydyzacja komplementarnych oligonukleotydów z rozplecionymi nićmi DNA (temperatura 54°C);
3) replikacja DNA - polimeraza DNA, przyłączając ATP, GTP, CTP, TTP, buduje komplementarne nici DNA (temperatura 72°C).
Podwyższenie temperatury powoduje rozpoczęcie ponownej reakcji PCR. Każdorazowo zostaje podwojona liczba kopii DNA. Obecnie w reakcji PCR wykorzystuje się odporną na denaturację w wysokich temperaturach polimerazę DNA, wyizolowaną z termofilnych bakterii Thermus aquaticus - nazwaną Taq.
RNA Struktura kwasu rybonukleinowego różni się od DNA. Jednostką cukrową w RNA jest ryboza, a nie deoksyryboza jak w przypadku DNA. Kwas rybonukleinowy, zatem, zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: adenozyny (AMP), guanozyny (GMP), cytydyny (CMP) oraz uracylu (UMP). Istotną różnicą jest to, że jedną z czterech zasad jest uracyl zamiast tyminy. Uracyl paruje komplementarnie z adeniną, tworząc dwa wiązania wodorowe, różniąc się od tyminy występowaniem grupy metylowej. Cząsteczki RNA występują w formie jedno- i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) nie mogą tworzyć tak regularnej struktury jak w przypadku B-DNA, ze względu na występowanie grupy hydroksylowej przy 2 atomie węgla rybozy.
hnRNA (heterogenny RNA) jądrood- tysiące pojedynczy łańcuch polirybonukleotydowy o różnej długości, częściowo skompleksowany z białkami w różnego rodzaju ziarnistości i włókna- poddany obróbce (cięciu) daje mRNA i wędruje do cytoplazmy.
mRNA (informacyjny, matrycowy RNA) cytoplazma- matryca w procesie syntezy polipeptydów (białek).
rRNA (rybosomowy RNA) jądro, jąderka,
rybosomy- struktura przestrzenna skomplikowana: obszary dwuniciowej spirali oraz obszary łańcuchów jednoniciowy- chaktywny udział w procesie syntezy białek.
tRNA (przekaźnikowy, transportujący RNA)cytoplazma- krótki łańcuch zwinięty tak, że odcinki dwuniciowe splecione w helisę są oddzielone jednoniciowymi pętlami- przenośnik aminokwasów w procesie syntezy białek.
snRNA (mały jądrowy RNA)jądro, jąderko,
cytoplazma- krótkie odcinki RNA, przypuszczalnie jednoniciowe- udział w składaniu rybosomów, obróbce RNA.
miRNA (mikroRNA)krótkie odcinki jednoniciowego RNAregulacja- walka z wirusami.
Wirusowy IRNA niektóre wirusy- jednoniciowy, rzadziej dwuniciowy, w znacznym stopniu zwinięty w kształt kłębka- nośnik informacji, matryca do syntezy białek.
DNA Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) stanowi nośnik informacji genetycznej organizmów, przekazywany (dziedziczony) z pokolenia na pokolenie. Cząsteczka DNA jest podwójną spiralą (dwie nici polinukleotydowe skręcone wokół siebie). Podstawową jednostką, monomerem budującym DNA są nukleotydy (połączone ze sobą wiązaniami), złożone z następujących elementów: *zasady azotowej (jednej z czterech rodzajów: adeniny i guaniny - pochodnych puryny oraz cytozyny i tyminy - pochodnych pirymidyny); *cukru pentozy, a dokładnie deoksyrybozy; *reszty kwasu fosforowego (fosforanu).
DNA występuje w
- jądrze komórkowym
- w mitochondrium
- w chloroplastach komórek roślinnych
Funkcje DNA; służy przekazywaniu informacji genetycznej (genów)komórka i organizmom potomnym, kieruje synteza białek w organizmie miedzy innymi białek enzymatycznych a dzięki temu kieruje wszystkimi procesami zachodzącymi w organizmie
(metabolizm). Gen jest to fragment DNA zawierający informacje dotyczącą syntezy jednego białka.
Biofilm, forma agregacji bakterii, grzybów i innych mikroskopijnych organizmów w postaci cienkich osadów tworzących się na różnych powierzchniach, mających kontakt z niesterylną wodą lub innymi płynami. Powstają we wszystkich środowiskach. W zależności od miejsca powstawania i składu gatunkowego biofilmy mogą być przyczyną wielu chorób lub mieć pozytywne znaczenie dla człowieka. Mikroorganizmy tworzące biofilmy są odpowiedzialne np. za degradację zanieczyszczeń organicznych gleby i wód. Inne, tworzące nazębną płytkę bakteryjną, są przyczyną próchnicy zębów. Jeszcze inne powodują groźne choroby prostaty, nerek, gruźlicę, infekcje ucha środkowego Wśród bakterii tworzących biofilm wymienia się: Staphylococcus epidermidis Pseudomonas aeruginosa Escherichia coli.
Biodegradacja biochemiczny rozkład związków organicznych przez organizmy żywe (pierwotniaki, bakterie, promieniowce, grzyby, glony, robaki) na prostsze składniki chem.
Termin biodegradacja, w odróżnieniu od terminu mineralizacja, używany jest na ogół w odniesieniu do substancji szkodliwych, np. pestycydów. Rozkładowi ulegać może nawet 95% substancji organicznej. Biodegradację wykorzystuje się w biologicznych oczyszczalniach ścieków oraz w stawach biologicznych (służących do fermentacyjnego oczyszczania ścieków np. z cukrowni). Konieczna jest do tego odpowiednia temperatura oraz brak w ściekach substancji toksycznych dla mikroorganizmów (np. detergentów czy pestycydów).
Biodegradacja ma zastosowanie przy produkcji biogazu z odpadów i ścieków, biomasy paszowej ze ścieków, a także pestycydów w opakowaniach podatnych na biodegradację, rozpuszczalnych w wodzie. Dużą biodegradacją charakteryzują się gleby biologicznie aktywne, zasobne w próchnicę.
Wpływ wysokich temperatur na drobnoustroje
Temperatury wysokie tzn. od 70°C wzwyż działają zabójczo na drobnoustroje powodują ścięcie białka. Najbardziej wrażliwe na wysokie temperatury są formy wegetatywne drobnoustrojów bakterie, drożdże, pleśnie. Najbardziej odporne są przetrwalniki bakterii nieco mniej są zarodki drożdży i pleśni.
Sposoby wykorzystania temperatur wysokich w walce z drobnoustrojami.
* Pasteryzacja zabieg ten stosuje się temp 65°-90°. Czas trwania pasteryzacji jest odpowiednio dopasowany do temp tzn. im wyższa temperatura tym krótszy czas jej działania. 65°C-30min, 72°C-75°C -kilkanaście sekund, 80°C -kilka sekund.
Skutek działania pasteryzacji. Proces ten niszczy tylko formy wegetatywne drobnoustrojów oraz zarodniki drożdży i pleśni. Nie niszczy przetrwalników.
* Sterylizacja zabieg ten polega na stosowaniu temperatury powyżej 100°C. W przemyśle spożywczym stosuje się sterylizację mlekową którą przeprowadza się w autoklawie. Najczęściej jest to temperatura 117°C lub 121°C. W wyniku sterylizacji giną wszystkie żywe formy drobnoustrojów tzn. komórki drożdży, pleśni i bakterii zarodniki i przetrwalniki.
Proces wzrostu drobnoustrojów w czasie można przedstawić za pomocą krzywej wzrostu bakterii. Jest to wykres logarytmu z liczby komórek w jednostce objętości od czasu. W określonych warunkach hodowli, krzywa wzrostu bakterii jest charakterystyczna dla danego gatunku.
Na wykresie można wyróżnić 4 fazy:
*Faza pierwotnego zahamowania (spoczynkowa, adaptacyjna)- okres początkowy po dostaniu się jednostki tworzącej kolonię (j.t.k.), np. komórki bakteryjnej, do nowego środowiska. W tej fazie komórki nie dzielą się; zachodzi adaptacja do nowych warunków środowiska. W zależności od rodzaju bakterii może trwać kilka do kilkunastu godzin.
*Faza wzrostu logarytmicznego (intensywnego wzrostu)- liczba komórek gwałtownie rośnie, zachodzą intensywne podziały. *Faza równowagi - dochodzi do zrównania się w przybliżeniu liczby komórek tworzących się i obumierających w danej chwili. Faza ta następuje gdy zaczynają się wyczerpywać źródła pokarmu i/lub stężenie produktów przemiany materii wzrasta do poziomu szkodliwego dla samych bakterii. Dla większości gatunków faza ta następuje po osiągnięciu stężenia komórek bakteryjnych na poziomie ok. 107 - 108 j.t.k./ml (cfu/ml)
*Faza wymierania (spadkowa)- dominują procesy obumierania komórek, bakterie wytwarzają formy inwolucyjne (zmienia się kształt komórek). Drobnoustroje przetrwalnikowe intensywnie wytwarzają przetrwalniki. W niektórych przypadkach, w podłożach płynnych, można mówić o samowyjałowianiu się środowiska.
Drobnoustroje w zależności od swojej budowy i zdolności wykorzystania tlenu wzrastają w podłożach płynnych na różne sposoby. Typy wzrostu, obok morfologii kolonii i innych własności bakterii stanowią ważną cechę diagnostyczną umożliwiającą identyfikację gatunku. Wzrost w dużej mierze zależy od natlenienia podłoża , pH i napięcia powierzchniowego.
Typy wzrostu w podłożu płynnym:
*wzrost dyfuzyjny - w całej objętości podłoża. wykazują go drobnoustroje urzęsione (z możliwością ruchu), będące względnymi beztlenowcami (mogące żyć zarówno w atmosferze tlenowej jak i beztlenowej).
*wzrost w dolnej części podłoża: -wzrost dyfuzyjny w dolnej części podłoża - drobnoustroje preferujące mniejsze stężenie tlenu, urzęsione, -wzrost w postaci osadu na dnie - drobnoustroje po podziale pozostające w agregatach
*wzrost w postaci błonki lub kożuszka na powierzchni podłoża - drobnoustroje tlenowe
Fermentacja alkoholowa - to proces rozkładu węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże z wytworzeniem alkoholu etylowego i dwutlenku węgla.
Istota fermentacji alkoholowej polega na przemianie, pod wpływem drożdży, cukru na alkohol i dwutlenek węgla:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
W wyniku tego procesu powstaje również szereg produktów ubocznych, między innymi: gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy. Produktami ubocznymi fermentacji są również wyższe alkohole i estry, które mają decydujący wpływ na bukiet smakowo-zapachowy produktu.
Fermentacja alkoholowa jako proces biochemiczny pozwala organizmom działającym w warunkach beztlenowych na regenerację NAD zużytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu wspomnianej glikolizy - pirogronian jest w dwóch etapach redukowany do etanolu (alkoholu etylowego) przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD i wydzieleniu dwutlenku węgla. W pierwszym etapie pirogronian jest przekształcany w etanal (aldehyd octowy) oraz dwutlenek węgla przy pomocy dekarboksylazy pirogronianowej. W drugim etapie etanal jest redukowany do etanolu (z jednoczesnym utlenieniem NADH do NAD) przez dehydrogenazę alkoholową (ADH - alcool deshydrogenase).
Fermentacja mlekowa - fermentacja węglowodanów do kwasu mlekowego odbywająca się pod wpływem działania bakterii mlekowych. Fermentacja ta odgrywa kluczowe znaczenie przy produkcji wielu przetworów mlecznych.
Fermentacja mlekowa jako proces biochemiczny pozwala organizmom (bądź też organom takim jak mięśnie szkieletowe) działającym w warunkach beztlenowych na regenerację NAD zużytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu wspomnianej glikolizy - pirogronian jest redukowany w mleczan przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD przy pomocy dehydrogenazy mleczanowej (LDH - Lactate Deshydrogenase). Warto dodać, że reakcja może przebiegać też w drugą stronę - i tak kwas mlekowy jest jednym z podstawowych substratów energetycznych dla mięśnia sercowego (po przekształceniu w pirogronian włączany jest do cyklu Krebsa).
Immobilizowane białka - immobilizacja białka polega na unieruchomieniu go na statłym podłożu, przez co uzyskuje on właściwości fizyczne nośnika. Immobilizacji poddać można: białko nieenzymatyczne, rozpuszczalny enzym, kompleks enzymów, martwe komórki, żywe komórki.
Ze względu na typ immobilizacji, można wyróżnić:
unieruchamianie we wnętrzu nośnika (pułapkowanie) i osadzanie na powierzchni nośnika, które może zachodzić na zasadzie oddziaływań niekowalencyjnych lub z utworzeniem wiązań kowalencyjnych.
Złoże z katalizatorem może być umieszczone w kolumnie lub w zbiorniku do którego jest dodany substrat. Unieruchomienie preparatu umożliwia przeniesienie zalet katalizy heterogenicznej na rozpuszczalne enzymy.
Korzyści immobilizacji:
- zatrzymanie biokatalizatora na nośniku;
- wyższe stężenie biokatalizatora;
- możliwość kontroli mikrośrodowiska;
Ograniczenia wynikające z immobilizacji:
- utrata aktywności enzymu;
- możliwe utrudnienia w dopływie substratu i odpływie produktu;
- ograniczony czas życia układu w wyniku obniżania aktywności biokatalizatora i zmiany (degradacji) złoża, podczas użytkowania;
Antybiotyki, grupa leków mających zdolność niszczenia bakterii lub hamowania ich wzrostu. Antybiotyki nie działają (lub działają w znikomy sposób) na zdrowe komórki organizmu. Początkowo otrzymywane były z hodowli gł. grzybów czy bakterii, obecnie wiele z nich wytwarza się sztucznie.
Ze względu na budowę i działanie środki te dzieli się na kilka grup:
1) antybiotyki beta-laktamowe, w których skład wchodzą pochodne penicyliny, oraz cefalosporyny;
2) tetracykliny;
3) antybiotyki aminoglikozydowe;
4) antybiotyki peptydowe i antybiotyki o innej budowie.
Z powodu narastającej oporności bakterii poszukuje się wciąż nowych, bardziej skutecznych antybiotyków.
Działanie antybiotyków polega na powodowaniu śmierci komórki bakteryjnej (działanie bakteriobójcze) lub wpływaniu w taki sposób na jej metabolizm, aby ograniczyć jej możliwości rozmnażania się (działanie bakteriostatyczne).
Antybiotyki zazwyczaj zakłócają pewne procesy metaboliczne. Głównym problemem jest specyficzność działania. Nietrudno jest zabić 100% bakterii - można to zrobić silnym promieniowaniem, wysoką temperaturą lub ekstremalnym pH środowiska. Takie procesy zabiłyby również niechybnie pacjenta. Podstawą terapii antybiotykami jest zasada selektywnej toksyczności Ehrliha, zgodnie z którą, antybiotykiem jest substancja, która w organizmie, w stężeniu nie wykazującym większej toksyczności dla ludzi i zwierząt wyższych, powoduje uszkodzenie lub śmierć drobnoustrojów. Można to osiągnąć przez stosowanie substancji oddziałujących na takie struktury, które są obecne w komórkach drobnoustrojów, a których nie ma w organizmie człowieka, lub występują w nim w innej formie.
Główne mechanizmy działania antybiotyków to:
*Zakłócanie syntezy białek np. Streptomycyna Osobnym problemem jest szkodliwość dla naturalnej flory bakteryjnej człowieka.