Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA ńska, ż … · 2014. 12. 2. · Przedmiot: Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna Wykład 1 – Biotechnologia – historia,

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot:

Wykład 1 – Biotechnologia – historia, zakres i odbiór społeczny

TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii

BIOTECHNOLOGIAZintegrowane zastosowanie wiedzy z zakresu biochemii, mikrobiologii i nauk inżynierskich w celu racjonalnego wykorzystania możliwościdrobnoustrojów, hodowanych komórek zwierzęcych i roślinnych lub ich części dla celów przemysłowych, w rolnictwie, ochronie zdrowiai w ochronie środowiska.

Biotechnologia zielona – zastosowania metod biotechnologicznych w rolnictwie

Biotechnologia biała – wykorzystanie systemów biologicznych w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska

Biotechnologia czerwona – zastosowania metod biotechnologicznych w ochronie zdrowia

11







Biotechnologia przemysłowa

- Bioakataliza

- Biosynteza

- Biotransformacja

Udział biotechnologii przemysłowej w przemyśle chemicznym

2004 5%

2010 16%

2020 25%?




Atuty biotechnologii- przetwarzanie surowców odnawialnych- selektywne otrzymywanie optycznie czystych substancji- łagodne warunki prowadzenia procesów- mała energochłonność- duży stopień bezpieczeństwa- mała szkodliwość dla środowiska

Perspektywy i możliwości- możliwość skutecznej diagnostyki i leczenia chorób i nowotworowych;

- tworzenie nowych leków i szczepionek;- pokonanie problemu głodu dzięki wprowadzeniu GMroślin odpornych na choroby i niekorzystne warunki klimatyczne oraz bardzo szybko rosnących.




Perspektywy czerwonej biotechnologii

-poszerzanie udziału biofarmaceutyków w rynku farmaceutycznym-wprowadzanie do lecznictwa białek zmodyfikowanych-malejące koszty wytwarzania; nowi producenci: drobnoustroje ekstremofilne, transgeniczne rośliny i zwierzęta-wykorzystanie osiągnięć genomiki (Human GenomeProject i inne) dla odkrywania nowych celów molekularnych

-wykorzystanie osiągnięć farmakogenomiki – leki nakierowanena określone grupy pacjentów

-somatyczna terapia genowa in vitro i in vivo; technologiasiRNA

-terapia antysensowa-ksenotransplantacje



TECHNOLOGIA CHEMICZNAPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii

Historia biotechnologii przemysłowejOd zarania ludzkości - spontaniczne procesy fermentacyjneDruga połowa XIX w. - Ludwik Pasteur – mikrobiologiczne początki współczesnej biotechnologii,

odkrycie biochemicznych podstaw fermentacji alkoholowej, konstrukcja szczepionek, pasteryzacja;O. Brefeld, J. Lister, E Ch. Hansen – otrzymywanie czystych kultur pleśni, bakterii i drożdży

1915 opracowanie przez Weizmanna fermentacyjnej metody otrzymywania butanolui acetonu przy użyciu bakterii Clostridium

1923 Firma Pfizer - fermentacyjna technologia otrzymywania kwasu cytrynowego1925 Opracowanie fermentacyjnych technologii wytwarzania kwasów: octowego, szczawiowego

do 1935 glukonowego, fumarowego1929 odkrycie penicyliny przez Fleminga1933 przemysłowa produkcja etanolu z hydrolizatów drewna1943 początek produkcji penicyliny na skalę przemysłową (Florey, Chain, Abraham)1944 odkrycie streptomycyny przez Schatza i Waksmana1949 wytwarzanie witaminy B121953 określenie struktury DNA (Watson i Crick)1965 ustalenie kodu genetycznego

do 1970 pierwsze technologie z użyciem immobilizowanych enzymów1970- początki zastosowań inżynierii genetycznej do udoskonalania szczepów przemysłowych1970- początki inżynierii bioprocesowej1978 firma Genetech rozpoczyna produkcję ludzkiej insuliny z użyciem E. coli1982 dopuszczenie do stosowania w Europie pierwszych szczepionek otrzymanych

techniką rekombinowanego DNA 1988 opracowanie techniki PCR

do 2000 początki inżynierii białkowej i metabolicznejpo 2000 stosowanie transgenicznych roślin i zwierząt jako bioreaktorów




Schemat odzysku złota z rud złotonośnychCN- + O22 + 4 H2O HCO3

-2 + 2 NH3

NH32 + O23 NO2-2 + H+2 + H2O2 2 NO3

- + 6 H+ Drobnoustroje utleniające cyjanki:Actinomyces, Alcaligenes, Artrobacter,Bacillus, Micrococcus, Neisseria, Paracoccus,Thiobacillus, Pseudomonas


Reakcje bioutlenienia cyjanków





Kolonie Aspergillus niger

Schemat procesu wytwarzania kwasucytrynowego metodą fermentacyjną





Penicylina G

Biotechnologiczne wytwarzanie antybiotyków




Insulina ludzka produkowana przez BIOTON jest pierwszym polskim lekiem wytworzonym z wykorzystaniem inżynierii genetycznej i pierwszym polskim lekiem opartym na nowoczesnych metodach procesowania białka





Biotechnologia przemysłowaTworzywa plastyczne wytwarzane przez drobnoustroje

Skład polimerów polihydroksykwasów (PHA) wytwarzanych przez różne gatunki bakterii z różnych źródeł węgla

O CH

R

CH2 C

O

n

Granule kwasu polihydroksymasłowego w komórkach Ralstonia eutropha




Biotechnologiczne metody przekształcania energii

Bioreaktor do wytwarzania biogazuw wyniku fermentacji anaerobowej

Schemat bioogniwa mikrobiologicznego




Biotechnologia w ochronie środowiska

Zastosowanie bakterii luminescencyjnych do biomonitoringu





Schemat procesu oczyszczania ścieków z zastosowaniem technologii osadu czynnego.





Zastosowanie bioreaktora do remediacji zanieczyszczonych wód gruntowych




AgrobiotechnologiaWprowadzanie DNA do komórek roślinnych

Bakterie glebowe Agrobacterium tumefaciens zakażają rośliny wprowadzając do nichplazmid Ti, zawierający geny powodujące tworzenie guzowatych narośli

Uproszczony schemat mapy plazmidu Ti A. tumefaciensWektor skonstruowany na bazie Ti nie zawiera sekwencji zaznaczonych na czarno – w ich miejscewstawiane są geny obce

Narośl powstająca w wyniku zainfekowania rośliny przez Agrobacterium tumefaciens




Społeczny odbiór biotechnologii

Organizmy Modyfikowane Genetycznie - GMO (z ang. Genetically Modified Organism) Organizmy Transgeniczne - zawierają w swoim genomie (czyli informacji genetycznej organizmu) obce geny, pochodzące z obcego organizmu.





Niektóre obszary i techniki współczesnej biotechnologii będące przedmiotem szczególnych kontrowersji społecznych

- klonowanie organizmów

- organizmy transgeniczne

- żywność GMO

- rośliny i zwierzęta jako bioreaktory

- terapia genowa i antysensowa

- komórki macierzyste i ich zastosowanie




Klonowanie – w potocznym rozumieniu proces tworzenia idealnej kopii z oryginału

W biologii mianem klonu określa się organizmy mające identyczny lub prawie identyczny materiał genetyczny. Klonami są więc organizmy powstałe w procesie rozmnażania wegetatywnego, takie jak kolonie jednokomórkowców, odrośla i rozmnóżki roślin, etc.

Termin clone pochodzący od greckiego κλωνος (gałązka, odrośl),oznaczający roślinę wyhodowaną z ukorzenionej gałązki, wprowadzono w XIX w. w Anglii.

Klon; klonowanie ?Społeczny odbiór biotechnologii



TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy BiotechnologiiPodstawy Biotechnologii

KlonowanieSpołeczny odbiór biotechnologii

Klonowanie organizmów oznacza procedurę otrzymywania organizmów o takiej samej informacji genetycznej, z reguły poprzez procedurę transferu jądra z komórki somatycznej do komórki jajowej pozbawionej uprzednio jądra.

Klonowanie genów - w genetyce i biologii molekularnej proces tzw. wyosobniania genu. Polega na łączeniu fragmentów materiału genetycznego z wektorem molekularnym i ich namnażaniu w innym organizmie. Otrzymuje się w ten sposób wiele kopii tego samego genu.Termin klonowanie genów odnosi się teżdo identyfikacji genów poprzez wykorzystanie procedury klonowania genów.





żaba Xenopus laevis (1958, 1962) karp: (1963) ?owca: (1996) pierwszy sklonowany ssak: Owca Dollymałpa (Rezus): (samica, styczeń 2000) świnia: (5 prosiaków z jednej świni, Szkocja - 2000) bawół: (samiec, styczeń 2001) krowa: Alpha and Beta (samica, 2001) kot: CopyCat "CC" (samica, jesień 2001) mysz: (1998)królik: (marzec-kwiecień, 2003) we Francji i Korei Południowej. muł: Idaho Gem (samiec, maj 2003) i Utah Pioneer (samiec, lipiec 2003) jeleń: Dewey (2003) koń: Prometea (samica, 2003) szczur: Ralph (samiec, 2003) muszki owocowe (2004) pies: Snuppy (kwiecień 2005)

Klonowanie zwierząt





Klonowanie człowieka ?•masowa produkcja klonów, w celu np. tworzenia z nich zastępów tanich żołnierzy albo niewolników •produkcja klonów pozbawionych mózgu w celu używania ich jako "zapasowych ciał". W razie np. nieuleczalnej choroby albo śmierci na skutek urazu istniałaby możliwość wszczepienia mózgu do organizmu "pustego" klona i dalsze życie •produkcja dorosłych klonów w celu pozyskiwania z nich cennych organów do przeszczepów •produkcja klonów jako forma świadomego sterowania cechami potomstwa - np. zamiast rodzić"niepewne genetycznie" dzieci, można by mieć dziecko-klona - identycznego ze sobą samym lub innym członkiem rodziny, lub "zamówić" sobie dziecko - klona osoby obdarzonej szczególnymi talentami.

- Severino Antinori 2002- Clonaid, realianie 2002- Panos Zavos 2004- Woo Suk Hwang 2004



Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNAZwierzęta transgeniczne1. Modyfikacje mające na celu wytwarzanie w organizmie zwierząt białek terapeutycznych.

Zwierzęta jako bioreaktory

Modyfikowane w tym celu są głównie krowy, kozy, owce, gdyż pożądane białka wytwarzane są w gruczołach mlecznych i wydzielane z mlekiem. Produkowana jest antytrombina - ludzki enzym - czynnik krzepliwości krwi, pozwala na kontrolępowstawania zakrzepów, produkcja antytrypsyny - stosowanej w leczeniu rozedmy płuc, erytropoetyny - leczenie anemii.Inne podejście – modyfikowane genetycznie kury: pożądane produkty są akumulowane w jajach.

2. Uzyskanie szybszego wzrostu zwierząt hodowlanych.

Modyfikacje polegające na wprowadzeniu genów kodujących hormon wzrostu.W ten sposób modyfikowane były głównie ryby: karpie, łososie, ale także na zwierzętach gospodarskich, świniach, królikach, owcach.

3. Krowy dające więcej mleka, oraz mleko specjalnie przystosowane do produkcji serów.Zwiększenie laktacji – zastosowanie rekombinowanej somatotropiny bydlęcej (BST)Krowom wprowadzono dodatkowe kopie genów kodujących proteiny: beta- i kappa- kazeinę. Kazeina jest składnikiem twarogów i białych serów. Modyfikacje powoduje to, iż z mleka łatwiej jest uzyskać ser - można go uzyskać więcej z tej samej objętości mleka oraz szybciej.

4. Odporność na choroby.

5. Modyfikowane świnie jako dawcy narządów.





Organizmy transgeniczne Gigantyczne myszy otrzymanow wyniku wprowadzenia do zapłodnionej komórki jajowej szczurzego genu hormonuwzrostu, tzw. somatotropiny.

Gen, umieszczony w plazmidzie pod kontroląPromotora genu mysiej metalotioneiny,wprowadzono techniką mikroiniekcji.

Ekspresję genu indukowano podając rosnącym transgenicznym myszom wodę zawierającąkadm



Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Społeczny odbiór biotechnologiiRośliny transgeniczne – strategie postępowaniaZmiana właściwości użytkowych produktów roślinnych- żywność funkcjonalna, np. ryż wytwarzający

prowitaminę A i białka wiążące żelazo („złoty ryż”) – geny przeniesione z hiacynta

- Flavr SavrTM – pomidory o zwiększonej trwałości; gen kodujący poligalaktouronazę wyciszony dzięki zastosowaniu strategii antysensowej

- kawa o zredukowanej zawartości kofeiny

- słodkie ziemniaki – wprowadzenie genu kodującego słodkie białko (taumatynę)

- winogrona bezpestkowe




Zmiana cech użytkowych roślin- kukurydza i inne rośliny użytkowe oporne na herbicydy.Oporność na Roundup uzyskuje się poprzez wprowadzenie wielokrotnych kopiigenu kodującego cel molekularny dla tego herbicydu.

- rośliny użytkowe odporne na insekty.Wprowadza się gen Cry kodujący białko z bakterii Bacillus thuringiensis toksycznedla larw owadów.

-ziemniaki odporne na wymarzanie poprzez wprowadzenie genu BetA kodującegobiałko „antifreeze” z ryb żyjących w morzach arktycznych.

-rośliny transgeniczne jako bioreaktory. Rośliny wytwarzające szczepionki przeciwkochorobom ludzkim. Sałata transgeniczna wytwarzająca antygen powierzchniowy wirusa HCVB;Ziemniaki transgeniczne akumulujące w bulwach fragment toksyny cholery.

Larwy pasożyta kukurydzy zaatakowane przez B. thuringiensis





Eurobarometr 2005





Eurobarometr 2005




Eurobarometr 2005






Żywność GMOEurobarometr 2005





Wiek a poparcie dla różnych biotechnologii




Społeczny odbiór biotechnologiiWyniki sondażu na temat stosunku społeczeństw UE

do stosowania manipulacji genetycznych

Documents

Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA ńska, ż … · 2014. 12. 2. · Przedmiot: Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna Wykład 1 – Biotechnologia – historia,