Biotechnologia II
sem. VIII

Wykład 2 2.03.2009

Aplikacje aminokwasów

Aktualna światowa produkcja aminokwasów przekroczyła 25 mln ton rocznie. Największy ilościowy udział w tej produkcji mają: kwas L-glutaminowy i L-lizyna 850 000 ton. Aminokwasy są szeroko wykorzystywane przez różne gałęzie przemysłu ok. 66% wyprodukowanych aminokwasów znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, 30% jako dodatki do żywności i pasz, a ok. 4 % w medycynie, przemyśle kosmetycznym i jako substraty w przemyśle chemicznym.

W przemyśle spożywczym aminokwasy pojedynczo bądź w mieszaninie są wykorzystywane są wykorzystywane jako polepszacze smaku wśród których najbardziej znanym jest glutaminian sodu, a także jako antyoksydanty i substraty do otrzymywania słodziku (aspartamu). Coraz powszechniej praktykuje się wzbogacanie pasz oraz żywności, zwłaszcza dietetycznej w deficytowe aminokwasy.

W medycynie aminokwasy pełnią rolę czynników terapeutycznych przy zaburzeniach pokarmowych i metabolicznych, są składnikami płynów infuzyjnych. Pochodne niektórych aminokwasów, zwłaszcza N-acylowe, stosowane są w przemyśle kosmetycznym jako substancje powierzchniowo-czynne. W przemyśle chemicznym aminokwasy stanowią surowce wyjściowe do produkcji polimerów np. włókien polialaninowych, czy poliglutaminianowych. Ten ostatni wykorzystywany jest do pokrywania powierzchni skór syntetycznych.

Metody otrzymywania aminokwasów

• Metoda mikrobiologiczna, czyli fermentacja prowadzona za pomocą rosnących szczepów produkcyjnych

• Synteza enzymatyczna

• Synteza chemiczna (szczątkowa)

Do produkcji aminokwasów, w tym kwasu glutaminowego i L-lizyny wykorzystywane są metody fermentacji.

Biokonwersja (synteza enzymatyczna)

Substrat
enzym
produkt

Fermentacja

Glukoza
Metabolizm
produkt

W przypadku biokonwersji substrat i produkt są do siebie podobne

Biosynteza kwasu glutaminowego

HOOC-CH₂-CH₂-CH-COOH kwas dikarboksylowy

|

NH₂

Technologia produkcji L-aminokwasów metodą fermentacji:

Szczep

Inokulum

I etap namnażania szczepu

II etap namazania szczepu

(kultura mateczna)

Fermentacja główna ← sterylizacja

Oddzielenie biomasy

Zatężanie

Krystalizacja

Suszenie

Produkt

Do produkcji kwasu glutaminowego, a także lizyny wykorzystywane są szczepy Corynebacterium glutamicum.

Charakterystyka Corynebacterium glutamicum

Są G(+), nie tworzą przetrwalników, nie wykazuja zdolności do ruchu. Mają one charakterystyczny kształt maczugi (coryne). Mogą rosnąć w warunkach tlenowych i beztlenowych. Są mezofilami, optymalna temperatura wzrostu 28-30˚C. Corynebacterium glutamicum nie wykazuje aktywności proteolitycznej, celulolitycznej, amylolitycznej. Wszystkie szczepy są auksotrofami względem biotyny, niektóre wymagają do wzrostu dodatkowo tiaminy. Ich wspólną cechą jest zdolność do sekrecji kwasu glutaminowego, inicjowana przez dodanie środka powierzchniowo czynnego lub antybiotyku.

Wykład 3 9.03.2009

Biosynteza i uwarunkowania szczepu do nadprodukcji kwasu glutaminowego.

I etap. Asymilacja jonu amonowego (rys.)

1 - dehydrogenaza L-glutaminianowa

2 - syntetaza L-glutaminowa droga alternatywna

3 - synteza L-glutaminowa

Centralny metabolizm Corynebacterium glutamicum obejmuje:

• Glikolizę

• Szlak pentozofosforanowy

• Cykl Krebsa

• System reakcji anaklerotycznych (uzupełniających). System ten uzupełnia cykl Krebsa w kwas szczawiooctowy, który jest dalej przekształcany do kwasu 2-oksoglutarowego. Najważniejszymi reakcjami anaklerotycznymi są reakcje katalizowane przez karboksylazę fosfoenolopirogronową oraz karboksylazę progronianową. W wyniku tej reakcji tworzą się duże ilości szczawiooctanu.

NADPH potrzebny do syntezy kwasu glutaminowego dostarczany jest w dużych ilościach przez cykl pentozofosforanowy.

Bakterie Corynebacterium glutamicum posiadają aktywną dehydrogenazę glutaminianową i labilną małoaktywną dehydrogenazę 2-oksoglutaranową. W związku z tym 2-oksoglutaran jest preferencyjnie przekształcany do kwasu glutaminowego.

Bakterie c. glutamicum wykazują wysoką aktywność ureazy rozkładającej do amoniaku. Jony amonowe wprowadzane są do komórki na drodze dyfuzji, a przy niskim stężeniu tych jonów za pośrednictwem białkowego nośnika. Pierwotnym biorcą jonów NH⁴⁺ jest 2-oksoglutaran, który przekształcany jest do kwasu glutaminowego i dalej do glutaminy. W procesie włączania NH⁴⁺ do wytworzenia aminokwasu uczestniczą 3 enzymy (dehydrogenaza glutaminianowa, syntetaza glutaminianowa, syntaza glutaminianowa).

Głównym enzymem jest enzym nr 1, dwa pozostałe zabezpieczają syntezę kwasu glutaminowego przy niskim stężeniu jonów amonowych. Kolejnym uwarunkowaniem jest brak izoenzymów i związanych z tym dodatkowych mechanizmów regulacji.

Izoenzymy - enzymy, które dokładnie z takich samych substratów tworzą takie same produkty.

Brak enzymów degradujących wytworzony kwas glutaminowy.

Komórki C. glutamicum są naturalnymi auksotrofami, wymagającymi do wzrostu biotyny. Biotyna bierze udział w syntezie kwasów tłuszczowych, a zatem w syntezie fosfolipidów (obecnych w membranie cytoplazmatycznej). Transport kwasu glutaminowego z komórek do podłoża zachodzi przy niskim stężeniu biotyny w podłożu.

Wykład 4 16.03.2009

Warunki produkcji kwasu glutaminowego.

1. Źródła węgla:

• Melasa z trzciny cukrowej - zawiera 38% sacharozy, 20% cukrów redukujących

• Melasa buraczana - zawiera 50% sacharozy

• Hydrolizaty skrobi - zawierają ok. 60% glukozy

Szczepy produkcyjne przekształcają 50-60% dodanego źródła węgla do aminokwasów.

2. Źródła azotu:

• Amoniak gazowy lub w roztworze wodnym

• Nieorganiczne sole amonowe (najczęściej siarczan amonu)

• Mocznik

• Jony amonowe pełnią podwójną rolę - jako źródło azotu i jako czynnik regulujący pH podłoża fermentującego

Stężenie jonów amonowych w pożywce należy utrzymywać na umiarkowanym poziomie, dlatego dodawane są one porcjami w trakcie procesu biosyntezy.

3. Czynniki wzrostu:

• Aminokwasy

• witaminy.

Aminokwasy wymagane do prawidłowego wzrostu szczepów wprowadzane są do podłoża z ekstraktem mięsnym, hydrolizatem białka sojowego, wyciągiem narokowym kukurydzy itp.

Optymalne stężenie biotyny w podłożu to 2,5μg/l, po przekroczeniu tej wartości biosynteza kwasu glutaminowego jest zahamowana. Dzieje się dlatego, gdyż biotyna bierze udział w syntezie kwasów tłuszczowych, co związane jest z syntezą fosfolipidów. Duża ilość fosfolipidów utrudnia transport kwasu glutaminowego w komórce. Dodatek tiaminy do podłoża wpływa korzystnie na wzrost szczepu.

4. Sole nieorganiczne:

• Makroelementy

• Mikroelementy

Szczególnie ważną rolę odgrywają makroelementy: potas i magnez oraz mikroelementy: mangan (II) i żelaza (II). Makro i mikroelementy mają wpływ na aktywność i konformację białek enzymatycznych, decydują o kierunku metabolizmu i o transporcie substratów i produktów.

5. Odczyn środowiska

Optymalnym dla wzrostu bakterii jest neutralne lub słabo alkaliczne pH. Dla produkcji kwasu glutaminowego optimum mieści się w granicach 7-8.

6. Natlenianie.

Ilość dostarczonego powietrza -2vvm (2 objętości powietrza na 1 objętość pożywki, w ciągu 1 minuty). Szybkość obrotów mieszadła ok. 550 obrotów na mnutę (rpm,min^-1). Nadmiar tlenu sprzyja syntezie kwasu 2-okso-glutarowego, a nie glutaminowego. Niedomiar zaś powoduje tworzenie się kwasu bursztynowego i mlekowego.

7. Temperatura 30-32C

Biosynteza kwasu glutaminowego - system fermentacji okresowej z zasilaniem pożywką. Bioreaktory o pojemności 1000m³. Proces biosyntezy kwasu glutaminowego jest procesem dwufazowym: faza I-wzrost szczepu; faza II- właściwa biosynteza kwasu glutaminowego. W przypadku nadmiaru biotyny w podłożu hodowlanym należy do podłoża (na początku hodowli dodać antybiotyk (penicylina) lub środek powierzchniowo-czynny.

Wykład 1 23.02.2009

Metabolizm - ogół przemian biochemicznych zachodzących w komórkach, umożliwiających przemianę materii i zdobywanie energii. U organizmów jednokomórkowych metabolizm warunkuje spełnianie funkcji życiowych.

W ramach metabolizmu wyróżnia się:

• Anabolizm (synteza) - są to reakcje chemiczne w ramach których następuje tworzenie związków bardziej złożonych i reakcje te wymagają dostarczenia energii (endoergiczne).

• Katabolizm (rozpad) - jest to degradacja związków złożonych zasobnych w energię w związki bardziej proste. Procesom rozkładu towarzyszy zwykle uwalnianie energii i są to reakcje egzoergiczne.

Charakterystyczne jest to, że procesy anaboliczne i kataboliczne przebiegają w sposób ciągły w organizmach, są ze sobą wzajemnie powiązane i nie można ich rozpatrywać oddzielnie. Zarówno anabolizm, jak i katabolizm podlegają złożonym procesom kontrolnym. W organizmach przebiega właściwa gospodarka energetyczna i odbywa się to dzięki regulacji aktywności poszczególnych systemów enzymatycznych.

Z racji na funkcję metabolizm dzielimy na podstawowy (centralny, pierwotny, pierwszorzędowy) i peryferyjny (wtórny, drugorzędowy).

Wśród procesów metabolicznych wyróżniamy zespoły reakcji określane jako:

1. Metabolizm centralny - jest to zespół reakcji potrzebnych do życia komórki, obejmuje to zarówno reakcje kataboliczne, anaboliczne, jak i amfiboliczne i przemiany te mają charakter uniwersalny dla znakomitej większości grup taksonomicznych mikroorganizmów i organizmów wyższych też.

2. Metabolizm pośredni - dotyczy on głównie przemian katabolicznych i zaliczane są tu reakcje, które dostarczają substratów dla metabolizmu centralnego (np. hydroliza skrobi, białek) oraz usuwają nadmiar produktów (np. aminokwasy).

3. Metabolizm peryferyjny - jest to zwykle zespół reakcji anabolicznych i dostarczają organizmom produkty bardziej specyficzne niespełniające podstawowych funkcji metabolicznych, ułatwiające jednak mikroorganizmom przetrwanie w środowisku poprzez tworzenie takich substancji jak antybiotyki, toksyny i substancje powierzchniowo czynne.

Klasycznym zjawiskiem jest to, że metabolity pierwotne powstają w wykładniczej fazie wzrostu, metabolity przejściowe w lag-fazie a idiolity w idiofazie.

Glikoliza

Zachodzi zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. W ramach glikolizy następuje podwójne ufosforylowanie heksozy i jej rozbicie na dwie triozy i są to cząsteczki pirogronianu bądź fosfoenolopirogronianu, trioza po reakcji dekarboksylacji w postaci acetylo-CoA włączana jest do cyklu Krebsa.

Cykl Krebsa

W ramach cyklu Krebsa dzięki wysokiej reaktywności szczawiooctanu powstają produkty (intermediaty) zawierające 4 i 5 atomów węgla, co daje możliwość syntezy aminokwasów zawierających 4 bądź 5 atomów węgla. Cykl Krebsa zachodzi w warunkach tlenowych (powiązany jest z układem oddechowym) i reakcje zachodzące w tym szlaku należą do najbardziej wydajnych energetycznie. Synteza aminokwasów, takich jak kwas glutaminowy, lizyna, asparaginian opiera się właśnie na tych przemianach.

Wykład 5 23.03.2009

Zasadniczym szlakiem degradacji heksoz jest glikoliza. W wyniku glikolizy powstają fragmenty 3-węglowe (kw. pirogronowy) które w warunkach tlenowych ulegają dekarboksylacji do acetylo-CoA i etap ten stanowi punkt wejścia w cykl Krebsa.

Glikolizę zapoczątkowuje podwójne ufosforylowanie cząsteczki heksozy i powstające wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe w fosfotriozach zostają wykorzystane do syntezy 2 cząsteczek ATP w ramach fosforylacji substratowej .

Przemiany produktów glikolizy w warunkach tlenowych powodują znacznie wyższy zysk energetyczny,(fosforylacja oksydacyjna w ramach której powstaje 36 cząst. ATP) Łączny bilans glikolizy, cyklu Krebsa i Łańcucha oddechowego daje 38 cząsteczek ATP- Z 2 fosforylowanych substratów i 36 z oksydacji.

Z biotechnologicznego punktu widzenia w ramach przemian zachodzących w warunkach tlenowych, możemy liczyć na pośredniki bioproduktów zawierających 3,4 i 6 atomów węgla.

W warunkach beztlenowych lub przy deficycie tlenu zachodzą procesy fermentacyjne, tzn. nie dochodzi do pełnego spalania substratu. Powstają takie produkty jak etanol, kw. mlekowy, masłowy, propionowy, octowy, aceton, butanol, izopropanol, wodór, diacetyl, acetoina, butanodiol.

Porównanie wzrostu drożdży Sacharomyces cerevisiae w warunkach tlenowych i w warunkach beztlenowych.

Ze względu na deficyt związków 4 i 5-węglowych w ramach szlaku glikolitycznego funkcjonują reakcje wspomagające (anaplerotyczne) powodujące, że główne produkty glikolizy, takie jak P-enolopirogronian i pirogronian ulegają karboksylacji do szczawiooctanu. Szczawiooctan jest najbardziej reaktywnym pośrednikiem cyklu Krebsa a tym samym siłą napędową tego cyklu oraz aktywatorem układu oddechowego. Enzymy prowadzące te przemiany to karboksylaza P-enolopirogronianowa i karboksylaza pirogronianowa.

Szlakiem funkcjonującym równolegle z glikolizą jest szlak heksozomonofosforanowy. W ramach tego szlaku glukoza zostaje ufosforylowana do 6-P-glukozy, a następnie utleniona do 6-P-glukonianu. W wyniku reakcji dekarboksylacji powstają pentozy (ryboza i ksyloza), sedoheptulozo-7-P, a następnie erytroza (zawiera 4 C). W ramach tego szlaku powstają związki zawierające 5,7 i 4 at. węgla. Zysk energetyczny z funkcjonowania tego szlaku wynosi 36 ATP.

Szlak Entnera-Doudoroffa

Pierwszy etap tego szlaku jak w HMP (powst. 6-P-glukanian).

Dalszy etap jak w glikolizie.

Zysk energetyczny tych przemian bardzo niski, zaledwie 1 mol NADPH i 1 mol NADH.

Tabela do nauki.

Wykład 6 6.04.2009

Przemiany peryferyjne metabolizmu mikroorganizmów przemysłowych (metabolizm wtórny, metabolizm drugorzędowy, metabolizm przemian specyficznych).

Mikroorganizmy oprócz metabolitów niezbędnych dla rozwoju mogą wytwarzać produkty nie spełniające funkcji metabolicznych wykazujących jednak ważne właściwości. Są to głównie związki niskocząsteczkowe i związki organiczne, czyli organiczne substancje niskocząsteczkowe. Substancje te określa się ogólnie terminem IDIOLITY, ponieważ ich synteza ma miejsce głównie w fazie stacjonarnej, czyli idiofazie (faza, w której pobierane są składniki odżywcze nazywa się tropofaza). Jakkolwiek synteza idiolitów może rozpoczynać się już w trofofazie, przy czym główne ilości idiolitów powstają w fazie stacjonarnej. Z chemicznego punktu widzenia idiolity są to np.: aminokwasy, alkaloidy, chinony, antocyjany, flawonoidy, fenazyny, nitryle, wybrane peptydy, piperazyny, pirydyny, pirole, polieny, steroidy, tetracykliny, polipeptydy, itp. Jeżeli chodzi o ich wykorzystanie biotechnologiczne to są to np.:

• antybiotyki, które znalazły zastosowanie w leczeniu chorób: infekcyjnych, nowotworowych, antybiotyki wykorzystywane są przy wykonywaniu przeszczepów - antybiotyki zapewniają to, że przeszczepy nie są odrzucane, antybiotyki stosowane są do konserwowania żywności,

• probiotyki - są to substancje stosowane do stymulowania kiełkowania roślin, zwiększania plonowania roślin oraz stosowane do stymulowania wzrostu zwierząt,

• toksyny - wytwarzane przez mikroorganizmy wykorzystywane są głównie do zwalczania owadów jako insektycydy,

• inhibitory enzymów - są związane z metabolizmem peryferyjnym, najczęściej wykorzystywane w farmakologii przy leczeniu nadciśnienia, bo ogranicza funkcje określonych enzymów, stosowane przy leczeniu chorób nowotworowych i owrzodzenia żołądka,

• polisacharydy: dekstran (w farmakologii jako środek zastępczy osocza krwi), pululan (w przemyśle spożywczym jako powłoki ochronne), alginianu (środek żelujący), ksantan (środek żelujący).

Generalnie idiolity są substancjami wykazującymi określoną aktywność biologiczną i wśród tych aktywności najważniejsze są właściwości:

• anaboliczne,

• cytotoksyczne,

• hemolityczne,

• herbicydowe,

• immunostymulujące,

• przeciw drobnoustrojowe (ukierunkowane),

• przeciw nowotworowe,

• przeciw zapalne,

• uspokajające i pobudzające.

Idiolity tworzone są tylko przez wybrane grupy mikroorganizmów, nie jest to umiejętność powszechna. W produkcji idiolitów wyspecjalizowane są promieniowce (Streptomyces), grzyby strzępkowe (Penicillium, Aspergillus, Mucor) oraz bakterie (Bacillus, Azotobacter). Ten sam szczep może wytwarzać równocześnie idiolity należące do różnych klas chemicznych. Cechą charakterystyczną jest to, że produkcja idiolitów uzależniona jest w dużym stopniu od warunków hodowli (dostępności pożywek, rodzaju hodowli, warunków zasolenia, temperatury i pH). * Ponieważ te metabolity specyficzne powstają w momencie kiedy ta dana kultura mikroorganizmów jest w jakiś sposób zagrożona. Synteza idiolitów jest najbardziej intensywna w warunkach ograniczonego czy limitowanego składu podłoża, niskich stężeń źródła węgla i azotu.

Rola tych związków przede wszystkich ekologiczna. Jest to forma metabolizmu mająca na celu zapewnienie nierosnącej komórce utrzymanie jej aktywności metabolicznej przy jednoczesnym zachowaniu stanu równowagi z otoczeniem w warunkach, w których normalny metabolizm (związany ze wzrostem populacji i rozmnażaniem) jest już niemożliwy. Biochemicy produkcję metabolitów peryferyjnych traktują jako tzw. wentyl bezpieczeństwa i nazywają to formą życia, w której dochodzi do nadprodukcji niektórych metabolitów w sposób niezbilansowany i jest to efekt rozregulowania podstawowych mechanizmów zarządzających życiem populacji.

Najszerszym pojęciem definiującym przyczyny powstawania tych związków jest tzw. wolna gra ewolucyjna zachodząca na marginesie wcześniej ukształtowanych procesów życiowych.

Charakterystyczne dla syntezy idiolitów jest to, że w czasie wzrostu mikroorganizmów (tropofaza) występuje silna represja dróg metabolicznych odpowiedzialnych za produkcję idiolitów w warunkach, w których wzrost szczepu w jakiś sposób zostaje zagrożony następuje natychmiastowa derepresja enzymów metabolizmu wtórnego. Podstawowymi sygnałami do tej derepresji enzymów jest ograniczenie ilości źródła węgla, azotu i fosforu.
Głównym mechanizmem odpowiedzialnym za uaktywnienie tych dróg jest sprzężenie zwrotne. Wymiana sygnałów między metabolizmem centralnym i metabolizmem peryferyjnym zachodzi w tzw. węzłach metabolicznych. Metabolizm centralny i metabolizm peryferyjny mają te same prekursory, są to przede wszystkim ufosforylowane cukry, fosfoenolopirogronian, acetylo-CoA, malonylo-CoA (cykl Krebsa), aminokwasy (białkowe). Punktem wyjścia tych przemian peryferyjnych są te same związki, które zarządzają w metabolizmie centralnym.

Wykład 7 20.04.2009

Genetyczne uwarunkowania metabolizmu peryferyjnego.

Mikroorganizmy posiadają genofory, które mogą pomieścić kilka tysięcy genów. U promieniowców, które produkują większość antybiotyków jest ich ok. 7 tysięcy. Ponieważ w całym cyklu życiowym wykorzystywana jest informacja zawarta tylko w ok. 2 tysiącach genów, tak więc istnieje spory zapas DNA, które nie zawiera istotnych informacji dla funkcji życiowych mikroorganizmów. Są to tzw. milczące geny, potencjał tych genów tłumaczy najprawdopodobniej dlaczego mikroorganizmy w określonych warunkach mogą syntezować tysiące różnych produktów o specyficznym charakterze, zawsze aktywnych biologicznie. Wyzwaniem dla biotechnologów jest, że trudne są do zdefiniowania i odtworzenia warunki w których synteza idiolitów jest uruchamiana. Istotnym jest również to, że geny strukturalne kodujące enzymy swoiste dla tych szlaków są zlokalizowane w chromosomach i tylko w niewielu przypadkach w plazmidach.

Geny chromosomalne odpowiedzialne za syntezę związków specyficznych zlokalizowane są obok siebie tworząc tzw. klaster.

Liczba genów strukturalnych dla różnych metabolitów specyficznych jest różna: dla biosyntezy dekstranu potrzebny jest zaledwie jeden gen (gen odpowiedzialny za syntezę enzymu dekstranosacharazy), natomiast biosynteza gramicydyny wymaga 2 genów, antybiotyki ampicylina, cefalosporyna, tetracykliny wymagają obecności kilkunastu genów strukturalnych.

Biosynteza metabolitów specyficznych powiązana jest ściśle ze szlakami centralnymi i mają wspólne metabolity pośrednie. Podstawowym związkiem łączącym obie formy metabolizmu jest acetylo-CoA, ponadto takie substancje jak: malonylo-CoA, aminokwasy niebiałkowe, P-enolopirogronian i ufosforylowane cukry.

Schemat (ksero).

Szlak poliketydowy.

Jest to zespół reakcji enzymatycznych wyróżniających się dużą różnorodnością, funkcjonujący wg trybu podobnego do szlaku syntezy kwasów tłuszczowych, tak więc reakcjami charakterystycznymi dla tego szlaku będą:

- wiązanie grupy acylowej

- kondensacja kolejnej cząsteczki malonylo-CoA (wymagana energia)

- redukcja grupy ketonowej

- wydzielenie cząsteczki wody

- redukcja podwójnych wiązań.

Szlak poliketydowy działający na użytek syntezy metabolitów specyficznych stanowi modyfikację szlaku syntezy kwasów tłuszczowych, polegającą na tym, że:

1. wykorzystywane są tutaj różne prekursory

2. różny jest stopień redukcji podwójnych wiązań

3. włączone są reakcje cyklizacji

4. istnieje możliwość włączania podstawników wywodzących się ze środowiska hodowlanego lub będący związkiem powstającym w ramach szlaków centralnych.

Podsumowując: Duża różnorodność struktury chemicznej idiolitów spowodowana jest niską specyficznością substratową enzymów funkcjonujących w ramach szlaków peryferyjnych. Istnienie licznych rozgałęzień szlaków peryferyjnych, dzięki temu zjawisku powstawać mogą substancje różnorodne chemicznie i substancje łańcuchowe poprzez reakcje cykliczne, aromatyczne, wiążące w pierścieniu nie tylko węgiel ale również azot, siarkę i tlen. Istnienie węzłów metaboli tycznych łączących szlaki centralne ze szlakami peryferyjnymi. Aktualnie przedmiotem szczególnego zainteresowania z zakresu metabolizmu peryferyjnego jest mikroflora mórz i oceanów z różnych stref klimatycznych, poziomów zasolenia i głębokości. Interesującym polem działań są również mikobakterie izolowane z gruntu biofilmów szczątków roślin.

Wykład 8 27.04.2009

Wykorzystanie poszczególnych grup mikroorganizmów w procesach biosyntezy.

Termin mikroorganizm nie jest jednoznaczny i do tej grupy zalicza się bakterie, liczne grzyby, niektóre glony (algi), pierwotniaki. Odrębną grupę stanowią wirusy, które są przedmiotem zainteresowania biotechnologów (odrębne jednostki z pogranicza życia i materii nieożywionej).

Cechy bakterii, takie jak nieposiadanie jądra (nukleoid), różnice w barwieniu Gramma (g+ i g-) i związane z tym istotne różnice w budowie ściany komórkowej, zdolność do przetrwalnikowania determinują przydatność poszczególnych grup bakterii do określonych dziedzin biotechnologii. I tak, bakterie nieprzetrwalnikujące stosowane są do produkcji metabolitów niskocząsteczkowych i wśród najczęściej wykorzystywanych są tu bakterie kwasu glutaminowego (Corynebacterium i Brevibacterium), bakterie kwasu mlekowego (Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus - tworzą również antybiotyki), bakterie kwasu octowego (Acetobacter, Gluconobacter).

Wśród bakterii g- na szczególną uwagę zasługuje E. coli, znamy ją jako mikroorganizm zasiedlający nasze jelita i wytwarzający w naszym organizmie szereg witamin, które możemy wykorzystywać. Bakterie E.coli wykorzystywane są do produkcji amylazy penicylinowej (enzym służący do produkcji półsyntetycznych penicylin), ponadto E.coli zasłużyła się biotechnologii jako doskonały biorca obcego DNA. Kolejne wykorzystanie tych bakterii jest w diagnostyce mikrobiologicznej do oznaczania tzw. miana coli.

O wiele szersze wykorzystanie znalazły bakterie przetrwalnikujące g+. Dzięki szczególnej budowie ściany komórkowej tych bakterii (przewaga peptydoglikanu, brak przestrzeni periplazmatycznej), powoduje, że bakterie te mogą wydzielać poza komórkę mnóstwo substancji (np. enzymy). Szczególne zastosowanie w biotechnologii znalazł szczep rodzaju Bacillus i wydzielać on może poza komórkę nie tylko enzymy, ale i antybiotyki oraz insektycydy.

Ważniejsze produkty metabolizmu wytwarzane przez bakterie z rodzaju Bacillus:

• basytracyna, butyrozyna, gramicydyny, polimyksyny - są to antybiotyki polipeptydowe, które w większości przypadków stosowane są jako dodatek do pasz w celu ich stabilizacji

• acylaza penicylinowa - do produkcji antybiotyków półsyntetycznych

• α-amylaza - jest produkowana też przez grzyby strzępkowe, ale produkowana przez Bacillus działa przy wyższym pH (przemysł warzywny, górniczy). α-amylazy bakteryjne są zwykle bardziej termostabilne w porównaniu z amylazami grzybowymi

• β-amylaza i izoamylaza - wykorzystywane do hydrolizy skrobi

• α- i β-glukanaza - wykorzystywane do hydrolizy cukrów innych niż skrobia

• β-galaktozydaza - wykorzystywana do hydrolizy laktozy

• izomeraza glukozowa - konwertuje glukozę do fruktozy

• penicylinaza - wykorzystywana do inaktywacji penicyliny

• enzymy proteolityczne: proteaza alkaliczna i obojętna - mogą być wykorzystywane w przemyśle pralniczym

• pululanaza - enzym rozkładający wiązania α-1,6 w skrobi

• termolizyna - służy do produkcji aspartamu

• bioinsektycydy - szczep B.thuringensis, służy do ochrony roślin przed insektami.

Szczepy rodzaju Bacillus należą do tlenowców, jednakże mogą rozwijać się w stosunkowo szerokim zakresie pH i wiele z gatunków należących do tego rodzaju nie ma kompletnego cyklu Krebsa. W zależności od poziomu natlenienia intensyfikowany lub ograniczany jest etap tworzenia przetrwalników i wydzielania metabolitów.

Przedmiotem dużego zainteresowania biotechnologów są bakterie z rodzaju Clostridium, należące do grupy beztlenowców, co powoduje, że wiele metabolitów może być uzyskanych w warunkach deficytów tlenu, a tlen stanowi zwykle najdroższą pożywkę w procesach biosyntezy. Szczepy Clostridium wydzielają poza komórkę enzymy hydrolizujące skrobię, celulozę, pektyny i białka. Cechą wyróżniającą jest to, że szczepy z rodzaju Clostridium fermentują zarówno heksozy, jak i pentozy. Wytwarzają stosunkowo duże ilości alkoholi (etanol i butanol) oraz kwasów organicznych i ketonów. Wśród bakterii Clostridium jest wiele gatunków termofilnych, co stwarza szanse uzyskania z udziałem tych szczepów enzymów o wysokiej termostabilności.

Wykład 9 4.05.2009

Wykorzystanie promieniowców w biotechnologii.

Głównymi cechami wyróżniającymi promieniowce jest ich budowa komórki jak u bakterii i morfologia zbliżona do grzybów. Promieniowce są blisko spokrewnione z takimi bakteriami jak Corynebacterium, Brevibacterium, Micrococcus i Mycobacterium. Największe znaczenie biotechnologiczne ma rodzaj Streptomyces. Większość antybiotyków stosowanych w lecznictwie wytwarzane jest właśnie przez te promieniowce. 2/3 z poznanych dotychczas antybiotyków wytwarzane jest przez Streptomyces.

Najważniejsze antybiotyki wytwarzane przez Streptomyces:

• aktynomycyna

• erytromycyna

• kanamycyna

• nystatyna

• oksytetracyklina

• polifungina

• streptomycyna

• tetracyklina

• neomycyna

• gentamycyna

• wiomycyna.

Bardzo silne toksyny wytwarzane są przez Actinomyces bovis i Actinomyces isrealii.

Szczepy Streptomyces wykorzystywane są również do produkcji inhibitorów enzymów i do produkcji witaminy B12 (kolealaniny).

Wykorzystanie grzybów strzępkowych w biotechnologii.

Grzyby strzępkowe są w zasadzie organizmami tlenowymi, jednakże mogą się rozwijać również w warunkach silnego deficytu tlenu. Wykorzystują zarówno nieorganiczne, jak i organiczne źródło azotu. Mają intensywną przemianę materii i ogromną tolerancję na zmieniające się warunki otoczenia. Rozwijają się bardzo szybko na powierzchni większości produktów spożywczych. Zwykle są to organizmy mezofile, jednakże chętnie rozwijają się także w temperaturze kilku °C. Znoszą przez długi okres czasu niewystarczającą wilgotność i w miarę obfity wzrost można obserwować przy wilgotności 11-14%. pH preferowane 3-5, a mogą rozwijać się i do 11. Główne znaczenie biotechnologiczne to zdolność do wytwarzania enzymów i innych związków, np. kwasów organicznych, które są stosowane w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym (kwas glukonowy), w oczyszczalniach ścieków i przetwórstwie żywności. Z punktu widzenia przyrodniczego, współdziałając z bakteriami uczestniczą w rozkładzie materii organicznej umożliwiając tym samym kolejne okresy wegetacji roślin. Potężną siła w tym aspekcie jest wytwarzanie przez grzyby enzymów rozkładających celulozę i kompleks lignino-celulozowy.

Negatywne strony funkcjonowania grzybów to:

• straty spowodowane pleśnieniem produktów spożywczych, tkanin, skór, drewna, papieru i różnych materiałów technicznych

• powodowanie alergii

• zdolność do obfitej produkcji toksyn

Najważniejsze antybiotyki produkowane przez grzyby:

• cefalosporyna

• cyklosporyna

• funagilina

• penicylina

• wariotyna

Najważniejsze enzymy wytwarzane w dużej skali produkowane przez grzyby:

• amylazy - α-amylazy pleśniowe są aktywne już przy pH 4,5 (optimum 5), mają niższą temperaturę optymalną - ok. 40°C (bakteryjne 50-60) i nie wymagają do stabilizacji jonów wapnia, tak więc przemysł owocowo-warzywny korzysta głównie z α-amylaz pleśniowych

• enzymy pektyno lityczne

• enzymy celulolityczne

• dekstranaza

• inwertaza

• katalaza

• oksydaza glukozowa

Do produkcji tych enzymów stosowane są głównie szczepy Aspergillus i Penicillum.

Wykorzystanie glonów w biotechnologii.

Zalicza się je głównie do mikroorganizmów ze względu na możliwość wykorzystania do produkcji specyficznych produktów, takich jak agar-agar, karagenan i alginian. Ponadto glony wykorzystywane są w krajach o cieplejszym klimacie jako pasza dla zwierząt i nawóz. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się glon o nazwie Chlorella, który wykazuje szczególną zdolność wykorzystywania energii słonecznej do wzrostu. Aż do 20% energii wymaganej do rozwoju tego glonu zaczerpnięte jest z energii słonecznej. Typowe rośliny lądowe mają o wiele niższą sprawność w tym zakresie i zaledwie 2% tej energii czerpane jest ze słońca. Plony Chlorelli są 20-krotnie wyższe z danej powierzchni uprawnej w porównaniu z typowymi roślinami. Tak więc w klimacie tropikalnym, bogatym w zasoby wody, produkcja tych glonów prowadzona jest na szeroką skalę.

Przedmiotem zainteresowania, jeżeli chodzi o glony, są również liczne substancje biologicznie czynne korzystne dla naszego zdrowia, tak więc trwają liczne prace nad ich wykorzystaniem w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym.

Wykład 10 11.05.2009

Biotechnologia środowiska:

• Technologie oczyszczania ścieków, utylizacji odpadów, oczyszczania powietrza

• Technologie bioremediacji i fitoremediacji (technologie ryzoremediacji)

Bioremediacja to technologia usuwania zanieczyszczeń takich jak związki ropopochodne, w tym chlorowcopochodne, metale ciężkie z gleby i zasobów wodnych z wykorzystaniem mikroorganizmów w celu kanalizowania, degradacji lub transformacji tych zanieczyszczeń do form mniej szkodliwych. W procesie bioremediacji wykorzystuje się głównie mikroorganizmy, duży jednak udział w tym procesie mają rośliny i mikroflora rozwijająca się w strefie przykorzeniowej. W zależności od narzędzia biologicznego rozróżniamy procesy bioremediacji, fitoremediacji i rezoremediacji. Cechami szczególnymi procesów bioremediacji są:

1. Niepowtarzalność - zależnie od specyfiki zanieczyszczenia, miejsca, gdzie powstało to zanieczyszczenie, stosuje się różne rozwiązania technologiczne

2. Praca w warunkach nieoptymalnych dla wzrostu mikroorganizmów i niesterylnych

Typowy proces biotechnologiczny prowadzony w warunkach optymalnych z udziałem jednego mikroorganizmu, a podczas procesu zapewniona była możliwość kontroli i regulacji parametrów. W procesie bioremediacji natomiast proces przebiega z udziałem mikroflory rodzinnej, bytującej w tym środowisku i mikroorganizmów wyselekcjonowanych pod kątem likwidacji danego zanieczyszczenia. Warunki temperaturowe, pH, zasolenia, wilgotności (w przypadku gleby) są dalekie od optymalnych i zmienne w czasie procesu oczyszczania.

PODZIAŁ PROCESÓW REMEDIACJI

1. Bioremediacja naturalna - jest to proces przebiegający samorzutnie bez stymulacji człowieka. Przebiega ona z udziałem mikroflory autochtonicznej (rodzimej), która zaadaptowała się do zanieczyszczeń i je degraduje. Bioremediacja naturalna przebiega jednak bardzo długo, trwa kilka, a nawet kilkadziesiąt lat. Bioremediacja ta powinna być jednak monitorowana, by nie doszło do rozprzestrzeniania zanieczyszczeń.

2. Biostymulacja - proces ten przebiega z włączeniem myśli człowieka i polega na wzbogacaniu danego miejsca odpowiedniej pożywki, by uaktywnić wzrost mikroorganizmów w zanieczyszczonym środowisku. Biosynteza obejmuje też takie zabiegi jak spulchnianie zanieczyszczonego gruntu lub napowietrzanie akwenów, by zwiększyć dopływ tlenu dla rozwijającej się mikroflory. W przypadku gleby można prowadzić też zraszanie celem zwiększenia wilgotności w oczyszczanym gruncie.

3. Bioaugmentacja - proces ten obejmuje zastosowanie zabiegów tak jak przy Biostymulacja oraz wprowadzenie do oczyszczanego środowiska mikroorganizmów wyspecjalizowanych w rokładzie danych zanieczyszczeń.

Procesy Bioremediacji mogą być prowadzone w miejscu zanieczyszczenia (In situ) lub zebrane w miejscu zanieczyszczenia i prowadzone w innym miejscu (ex situ).

Mikroorganizmy rozkładające substancje toksyczne, głównie węglowodory, występują w środowisku stosunkowo licznie. W gruntach są to przede wszystkim bakterie, promieniowce i grzyby. W środowiskach wodnych bakterie i drożdże. Wśród bakterii największą aktywność degradacyjną przypisuje się takim gatunkom jak Pseudomonas, Bacillus, Achranobacter, Alcaligenes. Wśród drożdży najważniejszym przedstawicielem jest Candida, a wśród grzybów - szczepy Penicillium, Aspergillus i Mucor. W ostatnich kilku latach wielkim odkryciem jest zaangażowanie w procesy biodegradacji mikobakterii tj. Gardonia, Nocardia, Dietza. Udział zarówno w zakładzie jak i produkcji węglowodorów.

Bioremediacja jest biotechnologią najbezpieczniejszą w tym zakresie i najtańszą. Jednakże z technologicznego punktu widzenia nastręcza wiele problemów z uwagi na zależność procesu i wspomnianą wcześniej niepowtarzalność. Na jej wyniki ma wpływ:

• rodzaj zanieczyszczeń i jego stężenie, toksyczność, biodostępność (problem biodostępności dotyczy głównie węglowodorów aromatycznych i poliaromatycznych, które są silnie absorbowane w porach gruntów i na skutek tego niedostępne dla mikroflory, która mogłaby zdegradować te substancje.

• szybkość rozprzestrzeniania się zanieczyszczenia

• obecność pożywek

aktywność enzymów glebowych

Wykład 11 18.05.2009

W procesach bioremediacji głównym narzędziem są:

1. mikroorganizmy autochtoniczne

2. wprowadzone przez człowieka (wyizolowane i wyselekcjonowane w laboratorium)

Stosuje się zazwyczaj kilkuszczepowe mieszaniny mikroorganizmów, ponieważ jak wynika z obserwacji, ze względu na różnorodność substancji zanieczyszczających wymagana jest również „współpraca” mikroorganizmów.

Najważniejsze rozwiązania technologiczne.

1. Landfarming, czyli uprawa gruntu.

W celu pobudzenia aktywności mikroorganizmów i ich zdolności do rozkładu zanieczyszczeń prowadzi się takie zabiegi jak: spulchnianie gruntu (w celu zwiększenia dopływu tlenu do wnętrza gruntu), zabezpieczenia wilgotności do poziomu 30% oraz dodaje się nawozy, czyli związki zawierające N i P i te pierwiastki będą wykorzystywane przez mikroorganizmy. Charakterystycznym dla tej technologii jest to, że stosunkowo szybko zostaje usunięta główna pula zanieczyszczeń i skażeń. Powodem tego jest adaptacja autochtonicznej mikroflory do podwyższonego poziomu zanieczyszczeń.

2. Kompostowanie.

Termin ten w odniesieniu do procesów bioremediacji rozumiany jest jako zastosowanie dodatku do zanieczyszczonego gruntu dojrzałego kompostu. Celem tego zabiegu jest dostarczenie do oczyszczanego środowiska wielu enzymów, głównie wytwarzanych przez grzyby, zarówno pleśnie, jak i grzyby kapeluszowe, które to enzymy ze względu na niską specyficzność substratową mogą przyspieszyć rozkład substancji zanieczyszczających. Niewskazany jest dodatek świeżego kompostu, obecne w nim związki organiczne mogą bowiem stanowić bardziej odpowiednie źródło węgla od zanieczyszczeń.

Technologia ta jest stosunkowo szeroko stosowana i sprawdzona, jednakże przed rozpoczęciem tego zabiegu przydatność danej partii kompostu sprawdza się na poletku doświadczalnym.

3. Bioremediacja + fitoremediacja + ryzoremediacja.

Tę formę bioremediacji stosuje się w przypadku zanieczyszczeń różnorodnymi substancjami, np. substancjami ropopochodnymi i metalami ciężkimi, przy czym koncentracja tych zanieczyszczeń nie może być zbyt wysoka, ponieważ zahamowałoby to wzrost roślin. W tym rozwiązaniu technologicznym wykorzystuje się potencjał:

1. Mikroorganizmów bytujących w gruncie i konsorcjów mikroorganizmów wprowadzonych przez człowieka

2. Posadzonych, posianych roślin

3. Aktywność mikroflory rozwijającej się w strefie korzeniowej roślin, tj. ryzosferze.

W tych warunkach drobnoustrojom zawdzięczamy rozkład związków organicznych, roślinom kumulację jonów metali ciężkich. Usunięcie tych roślin po zakończeniu procesu oczyszczania powoduje uwolnienie, oczyszczenie gruntu ze szkodliwych pierwiastków.

4. Bioremediacja w bioreaktorach.

To rozwiązanie technologiczne stosowane jest w przypadku usuwania zanieczyszczeń substancjami o wysokiej toksyczności w przypadku gdy nie można przeprowadzić procesu oczyszczania w miejscu gdzie nastąpiło to zanieczyszczenie i zanieczyszczony grunt transportowany jest do specjalnych bezpiecznych miejsc.

Ta forma oczyszczania uznawana jest za bardzo sprawną, łatwiejszą do kontroli, barierą natomiast są koszty urządzeń. Stosowane są tutaj bioreaktory kolumnowe tzw. bioreaktory szlamu, wyposażone w wysokosprawne, niekonwencjonalne systemy mieszania - mieszadła ślimakowe i napowietrzanie zachodzi na zasadzie odnawiania powierzchni płynu/masy/szlamu a nie rozdrabniania i rozprowadzania powietrza.

5. Bioremediacja + wstępne utlenianie.

Ta technologia stosowana jest głównie przy usuwaniu zanieczyszczeń ropopochodnych. Węglowodory to substancje bardzo stabilne chemicznie i pierwszy stopień ich utlenienia z udziałem mikroorganizmów przebiega bardzo trudno. Tak więc proponuje się, by przed procesem bioremediacji dodać do oczyszczanego środowiska nadtlenek wodoru bądź ozon. Technologia ta ma zasadniczą wadę, ponieważ środki te są toksyczne dla mikroorganizmów, tak więc muszą być dodawane w ściśle określonych ilościach i z odpowiednią częstotliwością dla ochrony życia w oczyszczanym gruncie.

We wszystkich opisanych rozwiązaniach technologicznych jako dodatek stosuje się czasem środków powierzchniowo-czynnych (detergentów). Powodem jest sorpcja zanieczyszczeń w cząstkach gruntu i wynikająca stąd niemożność ich rozkładu z udziałem mikroorganizmów.

Pamiętać jednak należy, że detergenty same jako takie są zanieczyszczeniem, często również trudnodegradowalnym. Substancje te muszą być stosowane w minimalnych ilościach i pod ścisłą kontrolą. W bardziej zaawansowanych technologiach stosuje się dodatek substancji powierzchniowo-czynnych produkowanych przez mikroorganizmy i substancje te określa się terminem biosurfaktanty.

Wykład 12 25.05.2009

Biosurfaktanty - biological surface active agent's

Biosurfaktanty to związki powierzchniowo-czynne wytwarzane przez ogromną liczbę mikroorganizmów i roślin (saponiny) oraz organizmy zwierzęce (w tym przez człowieka - kwasy żółciowe, ślina).

Substancje te mogą być wydzielane poza komórkę, pozostawać z nią związane
na powierzchni komórki i pozostawać w jej wnętrzu. Cel podstawowy syntezy tych związków jest jeden, mianowicie ułatwienie wzrostu mikroorganizmów na substratach nie mieszających się z wodą i trudno transportowanych do wnętrza komórki. Podstawową rolą tych związków jest zmniejszenie napięcia powierzchniowego na granicy faz. W wielu przypadkach towarzyszy temu tworzenie emulsji z nierozpuszczalnych substratów (np. oleje), które
w formie zemulgowanej mogą łatwiej dostać się do komórki oraz dzięki temu,
że powierzchnia kontaktu drobinek emulsji w komórkach ulega istotnemu zwiększeniu.

Biosurfaktanty to substancje o złożonej budowie, zawierające w swej cząsteczce zarówno grupę hydrofilową - rozpuszczalną w wodzie - jak i grupę hydrofobową - nierozpuszczalną w wodzie.

RAMNOLIPID (najlepiej zbadany z dotychczas poznanych drobnoustrojowych związków powierzchniowo-czynnych)

Biosurfaktanty produkowane są głównie przez mikroorganizmy tlenowe, najlepiej zbadana jest ich synteza w podłożach płynnych (jednakże jak wskazują wyniki najnowszych badań
są one równie intensywnie wytwarzane w warunkach hodowli w stałym złożu i przez mikroorganizmy bytujące w glebie) w obecności substratów hydrofobowych, czyli związków ropopochodnych, olejów roślinnych, glicerolu. Jeśli chodzi o źródło azotu, dane na ten temat są niejednoznaczne, wiele prac wskazuje, że syntezie tych związków sprzyja limitacja związków azotowych, tj. jony amonowe czy mocznik. Inne badania wskazują, że stężenie tych substancji nie ma większego wpływu, a o syntezie biosurfaktantów decyduje obecność wybranych aminokwasów, tj. kwas glutaminowy lub tyrozyna.

Biosurfaktanty mogą być syntetyzowane zarówno w fazie wzrostu jak i w fazie stacjonarnej. W fazie wzrostu zachodzenie tej syntezy jest zrozumiałe, ponieważ jest indukowane obecnością hydrofobowego substratu, a więc przyspiesza wzrost mikroorganizmów. Syntezę tych związków w fazie stacjonarnej tłumaczy się natomiast ułatwianiem transportu do wnętrza komórki substratów trudniejszych do przyswojenia, niezbędnych jednak do wydłużenia czasu życia komórki. Spośród znanych i zbadanych do chwili obecnej, ponad 100 związków powierzchniowo-czynnych na skalę przemysłową produkowane są 3: ramnolipid, emulsan i alasan. Ramnolipid należy do grupy surfaktantów niskocząsteczkowych, a emulsja i alasan do surfaktantów wysokocząsteczkowych. Podział surfaktantów na nisko- i wysokocząsteczkowe wynika z faktu ich zróżnicowanej roli w hodowli mikroorganizmów. Surfaktanty niskocząsteczkowe zmniejszają napięcie powierzchniowe, są stosunkowo słabymi emulgatorami, wysokocząsteczkowe natomiast powodują zwykle tworzenie trwałych emulsji i zwiększenie rozpuszczalności pozornej związków hydrofobowych w wodzie.

Ze względu na zróżnicowane funkcje zainteresowanie przemysłu jest znaczące zarówno surfaktantami nisko- jaki i wysokocząsteczkowymi.

SURFAKTANTY NISKOCZĄSTECZKOWE: najczęściej glikolipidy (ramnolipidy, trechalolipidy, soforolipidy, celobiolipidy), mogą to być glikopeptydy czy też lipoproteiny (antybiotyki: gramicydyna i polimyksyna - antybiotyki dodawane do pasz, mają właściwości związków powierzchniowo-czynnych).

Funkcję związków powierzchniowo-czynnych mogą mieć same kwasy tłuszczowe lub lipidy
i fosfolipidy.

SURFAKTANTY WYSOKOCZĄSTECKOWE: glikolipidy i glikoproteiny, związki z grupy enzymów, glukolipidy (emulsan, alasan,, liposam).

Wykorzystanie biosurfaktantów

• W przemyśle rolniczym przy produkcji nowej generacji nawozów fosforanowych.

• W przemyśle żywności i napojów przy produkcji lodów i smakołyków.

• W przemyśle skórzanym, gdzie przyspieszają proces odtłuszczania skór.

• Wykorzystanie przy krystalizacji cukrów - krystalizacja cukrów.

• W przemyśle metalurgicznym regulują procesy zwilżania, natłuszczania powierzchni metalowych.

• W przemyśle papierniczym przy wytwarzaniu pulpy.

• W przemyśle barwników, w celu lepszego, równomiernego rozproszenia barwników i lepszej ich adhezji do barwionej powierzchni.

Główne zalety biofurfaktantów.

1. Biodegradowalność - środki te po przedostaniu np. do ścieków ulegają biodegradacji, nie utrudniają procesu oczyszczania

2. Niska toksyczność - związki bio

3. Zgodność ze środowiskiem - termin ten oznacza, że są to produkty które mogą być stosowane w kosmetyce, farmaceutykach i jako dodatki do żywności funkcjonalnej

4. Łatwość produkcji - produkty te wytwarzane są na bazie podłoży zawierających nie przetworzone surowce lub produkty odpadowe - taniość produkcji.

5. Możliwość szerokiego wykorzystania w ochronie środowiska, w technologiach przemysłowych - stosowane są podczas wydobywania ropy naftowej, oczyszczania ścieków i bioremediacji zanieczyszczonych gruntów.

6. Specyficzność - biosurfaktanty stanowią zwykle kompleks cząsteczek organicznych ze specyficznymi grupami funkcjonalnymi, co powoduje ich specyficzne ukierunkowanie, np. na ułatwienie degradacji wybranych związków toksycznych. Poszczególne biosurfaktanty mogą być stosowane jako dodatek do konkretnych kosmetyków, żeli leczniczych.

7. Efektywność w ekstremalnych warunkach temperatury, pH i zasolenia.

8. Wyjątkowa różnorodność strukturalna, co umożliwia wybór odpowiednich biosurfaktantów, które będą najskuteczniejsze do konkretnych technologii.

PROCESY BIOTRANSFORMACJI

Biotransformacja są to reakcje katalizowane przez enzymy, w których to reakcjach następuje przekształcenie określonego fragmentu substratu. Termin biotransformacja używany jest również do określenia przemian wewnątrzustrojowych, którym ulegają ksenobiotyki i leki. Substancje te w wyniku biotransformacji przekształcane są w formy mniej toksyczne bądź nietoksyczne i wydalane z organizmu. Gdyby te reakcje nie zachodziły, substancje te zalegałyby w tkance tłuszczowej przez bardzo długi okres czasu.

Celem biotransformacji ksenobiotyków w organizmach jest zwiększenie ich rozpuszczalności w wodzie (zwiększenie ich polarności) i dzięki temu ułatwione jest ich wydalanie.

W dziedzinie biotechnologii klasycznej termin biotransformacja używany jest w odniesieniu do reakcji jednostkowych katalizowanych przez enzymy drobnoustrojowe - czynnikiem katalizującym mogą być:

- komórki mikroorganizmów

- wyodrębnione enzymy

- immobilizowane komórki

- immobilizowane enzymy.

Najczęściej wykorzystywane reakcje w procesach biotransformacji to utlenianie, redukcja, hydroliza, kondensacja, izomeryzacja, addycja i inne.

Podstawowymi procesami biotransformacji, w których technologie stosowane są od lat to produkcja kwasu octowego z etanolu (szczepy Acetobacter) i produkcja kwasu glukonowego z glukozy (szczepy glukonowate).

Najprostszymi reakcjami, które prowadzone są metodą biotransformacji są przemiany kwasu fumaranowego do kwasu bursztynowego, jabłkowego.

HC-COOH

║
HOOC-C-H

NH₃ Aspartaza

H₂O

FAD CH₂-CH-COOH
Hydrataza

fumaranowa CH₂-COOH kwas asparaginowy

dehydrogenaza

bursztynianowa HO-CH-COOH

CH₂-COOH

kwas jabłkowy

CH₂-COOH

CH₂-COOH

kwas bursztynowy

Biotransformacja aminokwasów - rozdział racematów, w reakcjach tych używane są racematy, acylazy, amitazy, wszystkie trzy wymienione enzymy są ściśle stereospecyficzne i katalizują reakcje hydrolizy substratów o konfiguracji L, izomer D substratu pozostaje natomiast bez zmian - nie podlega reakcji.

Biotransformacja jonów metali - slajdy.

E. coli i Enterobacter eloccae.

Produkcja odmian antybiotyków i antybiotyków półsyntetycznych.

Penicylina G - pierścień β-laktamowy + fenylooctan

Penicylina V - pierścień β-laktamowy + fenoksyoctan

23

grupa hydrofobowa
(nierozpuszczalna w wodzie)

grupa hydrofilowa
(rozpuszczalna w wodzie)

---