Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie

CZ.1.07/2.2.00/15.0316

HOUBY V BIOTECHNOLOGII

Seznam doporučené literatury

Tkacz, J.S., Lange, L. (Eds.), Advances in Fungal Biotechnology for Industry, Agriculture, and Medicine. Springer 2004

Wainwright, M., An Introduction to fungal biotechnology. John Wiley & Sons 1992

Arora, D.K., Fungal Biotechnology in Agricultural, Food, and Environmental Applications. CRC 2003

Kavanagh, K. (Ed.), Fungi. Biology and Applications. Willey, Chichester , Chichester 2005

http://www.vscht.cz/kch/syl.htm

BIOTECHNOLOGIE

Definice : Bios – život, živý

Technologie – postup, pracovní proces

Definice OSN v dohodě o biologické diverzitě

„Biotechnologie je jakákoli technologie, která využívá biologické systémy, živé organizmy nebo jejich části k určité výrobě nebo jejich přeměně či jinému specifickému použití.“

Biotechnologiejsou technologie založené na využívání poznatků z biologie, využívá se v zemědělství, potravinářství, medicíně a průmyslu. Jedná se především o využívání nižších organizmů.

Biotechnologie – rozdělení

KLASICKÉ BIOTECHNOLOGIE – mají základ v empirii a používají se prakticky od nepaměti při výrobě různých potravin, např. při výrobě vína, piva, při kvašení okurek, zelí, mléka atd.

MODERNÍ BIOTECHNOLOGIE – jsou postupně zaváděny od druhé poloviny minulého století nejen jako důsledek pokroku biologie, biochemie, chemie, genetiky, ale i rozvoje technických oborů (nové objevy v elektronice, miniaturisace technických součástek, konstrukce mikroanalytických přístrojů, konstrukce přístrojů).

Hlavní obory přispívající k rozvoji biotechnologie

Mikrobiologie – zvláště fyziologie a genetika mikroorganismů

Molekulární genetika – zejména metody genové manipulace

Genetika vyšších organismů – zejména somatická genetika

Bioinženýrství – hlavně zdokonalování technické stránky fermentačních výrob, vývoj bioreaktorů pro enzymové technologie a speciálních technik pro kultivaci živočišných a rostlinných buněk

Procesní inženýrství – zvláště automatizace biotechnologických výrob

Biochemie a fyzikální chemie separačních procesů

Analytická chemie – aplikace speciálních metod pro analýzu biologických materiálů

Konstrukce výrobních zařízení pro biotechnologie včetně měřící techniky a čidel

Interdisciplinární povaha biotechnologií

HISTORIE BIOTECHNOLOGIE

Mikroorganismy sloužily člověku dávno předtím než byly objeveny

Před 9000 lety vyráběli staří Sumerové pivo zkvašováním cukru

Egypťané používali před 6000 lety kvasinky k výrobě chleba a ze stejné doby pochází zprávy o výrobě sýrů

Výrobu octové kyseliny z ethanolu pomocí mikrobů prováděli již Babyloňané před 7000 lety

Moderní průmyslová mikrobiologie má však svůj začátek až v technologii výroby penicilinu, vyvinuté ve 40- tých letech 20. stol.

V minulosti byly biotechnologie spíše uměním (řemeslem) než aplikací vědeckých poznatků, příkladem čehož je výroba vína, piva či sýrů. Výrobní postupy těchto procesů byly velmi dobře zvládnuty a bylo dosaženo vysoké reprodukovatelnosti bez znalosti molekulárních mechanismů.

Recept na dobré pivo na hliněné tabulce z r. 2050 př. Kr.

Klínopisná tabulka obsahující jména některých sumerských bohů. (2400 - 2200 l. př. Kr.)

SOCIÁLNÍ HMYZ (MRAVENCI R. ATTA, TERMITI) A HOUBY SKUPINY BASIDIOMYCOTINAI. MRAVENCI PĚSTUJÍCÍ HOUBY (ATTA A ACROMYRMEX) A JEJICH DOMESTIKOVANÉ HOUBY, LEUCOAGARICUS A LEPIOTA Mravenci pěstující houby jsou rozšíření hlavně v Jižní Americe, ale nacházejí se také na Kubě a na severu až v New Jersey. Jsou zde zahrnuti zástupci 2 rodů mravenců (Atta a Acromyrmex), kteří sbírají listy a květy rostlin, aby mohli „krmit“ své houby. Angl. se nazývají „leaf-cutting ants“. Houby, které tito mravenci pěstují náležejí do rodů Leucoagaricusnebo Lepiota (Agaricales, Homobasidiomycetes). Rody jako Xylaria(Ascomycetes) a Auricularia (Auriculariales, Heterobasidiomycetes)jsou zde také zastoupeny. Houby nevytvářejí plodnice v aktivních mraveništích, ale až v těch opuštěných. V aktivních mraveništích houby vytvářejí zduřeniny hyf bohaté na živiny, které se nazývají bromacie a ty mravenci požírají. Mravenci nejen pomáhají houbě v rozšiřování, ale také odstraňují kontaminující houby.

Je známo, že mravenci sami si udržují kolonie bakterie, (Aktinomycetes), Streptomyces, která produkuje antibiotické látky, které pomáhají kontrolovat parazitickou plíseň, Escovopsis. Tento vztah vypadá jako symbióza, ale zahrnuje 3 partnery. Mravenci tedy zvládají používání antibiotik daleko dříve než na to přišel člověk. Tito mravenci hrají důležitou ekologickou roli v tropických pralesích: obohacují půdu o organickou složku, provzdušňují půdu, a organickou odumřelou hmotu upravují pro následnou kolonizaci dalších organismů.

Mravenec rodu Atta

Zahrádka udržovaná mravenci rodu Acromyrmex. Vrchní část je zelenavá a je tvořena listy; spodní část je bílá s houbovým myceliem

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ

1590 J. a Z. Jensenové - první pevné mikroskopy, dvoučočkové

1675 Antonius van Leeuwenhoek jako první pozoroval bakterie(povlak ze zubů) a ve vodě prvoky „animalcules“

1697 Stahl publikoval knihu „Zymotechnia Fundamentalis“, věnované poznatkům v oblasti fermentací

1830 objeveny proteiny

1833 izolovány první enzymy

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ II.

1855 objevena bakterie Escherichia coli – později hlavní výzkumný a produkční nástroj v biotechnologiích

1863 Mendelovy poznatky (křížení hrachu) položily základy klasické genetiky

1857 Pasteur dokázal, že mléčná kyselina vzniká činností mikroorganismů. Je pokládán za zakladatele mikrobiologie

Objevil mikroorganismy ve vzduchu, příčiny, podstata kvašení, hniloby, použití živných tekutých půd, sterilizace teplem, očkování proti vzteklině, 1881 - vakcína proti sněti slezinné (B. anthracis)

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ III.

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barvení bakterií. V roce 1880 publikoval svoji zásadní práci o Bacillus tuberculosis.

Kochovy postuláty (jak zjistit zda organismus je původcem dané choroby):1. izolovat očekávaného původce z nemocného2. původce roste v čisté kultuře 3. infikovat zdravého hostitele – organismus způsobí klasický klinický obraz choroby4. izolovat stejný organismus/původce z nového nemocného

19. st. mohutný rozvoj evropského pivovarství; 1816 Stavovská inženýrská škola v Praze; 1872 pivovarská škola ve Weihenstephanu; 1883 Výzkumný a vzdělávací pivovarský institut v Berlíně

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ IV.

Na přelomu 19. a 20. století dochází v průmyslových biotechnologických procesech k odklonu od původně dominantního pivovarství.

Biotechnologie se stávají alternativou chemických výrob – organické kyseliny (mléčná, citrónová, máselná). Jsou zakládány sbírky čistých mikrobních kultur (1884 – Praha, 1906 – Dánsko ad.).

1914 smíšená mikrobní populace („aktivovaný kal“) byla použita pro čištění odpadních vod v Manchestru (Anglie)

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ V.

1928 Fleming objevil penicilin, první antibiotikum vhodné pro humánní medicínu

V následujících desetiletích paralelně s objevy v biologických disciplinách probíhá významný rozvoj technických řešení biotechnologických procesů

1944 Waksman izoloval streptomycin, účinné antibiotikum proti tuberkulóze

1953 časopis Nature publikoval práci Watsona a Cricka popisující dvoušroubovicovou strukturu DNA

1942 Haetley, Florey (USA) průmyslová produkce penicilinu

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ VI.

1965 Harris a Watkins uskutečnili fusi myších a lidských buněk

1966 rozluštění genetického kódu, demonstrujícího že sekvence 3 nukleových basí (kodon) determinuje každou z dvaceti aminokyselin.

1978 poprvé byl vyroben rekombinantní lidský insulin

1979 poprvé byl syntetizován lidský růstový hormon

1985 poprvé byly ve velkém testovány geneticky modifikované rostliny, rezistentní ke hmyzu,virům a bakteriím

2003 DOKONČENÍ PLNÉ IDENTIFIKACE LIDSKÉHO GENOMU

1990 byla zahájen projekt zmapování kompletního genomu člověka –dokončeno 2000

1997 skotští vědci představili ovci „Dolly“ klonovanou z buněk dospělé ovce.

MEZNÍKY VĚDY, KTERÉ OVLIVNILY ROZVOJ BIOTECHNOLOGIÍ VII.

Ian Wilmut tvůrce klonované ovce Dolly

HLAVNÍ OBLASTI POUŽITÍ BIOTECHNOLOGIE POSLEDNÍCH LET

ZEMĚDĚLSTVÍ

Výroba enzymů, doplňků krmiv, ochucovadel, aminokyselin, nových typů krmných antibiotik, zvyšování odolnosti kulturních rostlin, zavádění nových typů kultivarů a kulturních plodin, genetické „dopování“ rostlin s cílem snížit nebo úplně odstranit potřebu jejich hnojení, produkce nových typů biopesticidů a rostlinných vakcín, diagnostika rostlinných chorob

POTRAVINÁŘSKÝ PRŮMYSL

Tradiční bioprocesy – pivovarství, vinařství, drožďárenství, sýrařské technologie, výroba široké škály potravinářských produktů (pečivo, sýry a další mléčné výrobky, konzervované potraviny), nápoje (pivo, víno, destiláty) a aditiv

CHEMICKÝ PRŮMYSL Výroba alkoholů, organických kyselin, aminokyselin, nukleotidů, degradabilních polymerů, provádění náročných kroků organických syntéz a přeměn labilních meziproduktů, výroba opticky aktivních látek pomocí enzymové katalýzy

MEDICÍNA A FARMACEUTICKÝ PRŮMYSL Produkce monoklonálních protilátek, očkovacích látek (vakcín), interferonů, peptidových hormonů, bílkovin se specifickými účinky, purifikovaných genů, nových typů antibiotik, zefektivnění výroby vitamínů a léčiv

OCHRANA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ

zpracování a recyklace městských, průmyslových a zemědělských odpadů; biologické čistírny odpadních vod; kompostování; produkce Bioplynu; kontrola znečištění; odstranění toxických látek z životního prostředí

OSTATNÍ PRŮMYSL

získávání kovů z důlních odpadů a z chudých rud; zpracování lignocelulosových odpadů za vzniku nových chemických surovin, energetického ethanolu, methanu a vodíku;

GENOVÉ INŽENÝRSTVÍ do jednoho organizmu cíleně vnáší určitý gen či geny jiného organizmu. Takto geneticky modifikované organismy (GMO) se dnes ve velké míře využívají v

• medicíně (výroba insulinu a dalších hormonů)

• potravinářství (například rekombinantní chymosin pro výrobu sýrů)

• zemědělství (rostliny cukrové třtiny tolerantní k mrazu; salátová zelenina nemající tendenci ke hnědnutí; sója odolná k herbicidům; banány obsahující dávky vakcín pro děti; ovoce a zelenina s vyšším obsahem vitamínů; pomalu zrající broskve a rajčata; dlouho kvetoucí květiny, modré růže ap.; skot odolávající vyšším teplotám, nedostatku vody, odolný vůči masařkám ap.)