PODSTAWY BIOTECHNOLOGII Chemiczne procesy biotechnologiczne

Sala 3.65 , poniedziałek, godz.8.45 -10.30

Prof. dr hab. Marek Łaniecki Zakład Kinetyki i Katalizy www.kik.amu.edu.pl

krówka

1410 – ? 1605 – ?

Program wykładów 1. Komórka (bakterie, drożdże) 2. Enzymy – katalizatory biologiczne 3. Metabolizm komórkowy i sposoby pozyskiwania energii 4. Wytwarzanie wina i piwa 5. Biologiczne oczyszczanie ścieków 6. Biopaliwa 7. Związki biologicznie czynne (aminokwasy, antybiotyki

BIOTECHNOLOGIA – dyscyplina nauk technicznych wykorzystująca procesy biologiczne na skalę przemysłową

BIOTECHNOLOGIA – interdyscyplinarna dziedzina nauki wykorzystująca systemy biologiczne, komórki mikroorganizmów, części komórki lub ich molekularne analogi dla uzyskania określonych produktów

BIOTECHNOLOGIA – zastosowanie technologiczne systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich składników do wytwarzania lub modyfikowania produktów lub procesów do określonego zastosowania

Podział Biała biotechnologia – systemy biologiczne w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska Zielona biotechnologia – rolnictwo Czerwona biotechnologia – ochrona zdrowia (biofarmaceutyki, diagnostyka genetyczna, genoterapia, transplantologia) Fioletowa biotechnologia - ustawodawstwo Biotechnologia zwierząt

Biotechnologia roślin Biotechnologia żywności Tradycyjna – naturalne enzymy i organizmy bez obcego materiału genetycznego Nowoczesna – organizmy, enzymy, białka zmodyfikowane genetycznie EuropaBio

A. Chmiel, Biotechnologia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, PWN, Warszawa, 1998.

Stanley Miller exp.1954 Nobel - 1989

„Prebiotyczna zupa” CH4 CO2 NH3

H2

H2O UV

Q

CH3COOH CH3CH2OHCOOH NH2-CO-NH2 NH2CH2COOH NH2CH2(CH3)COOH NH2-CH2(CH2COOH)COOH

kwas octowy kwas mlekowy mocznik glicyna alanina kwas asparaginowy

Komórka „najprostsza” forma życia

Schemat komórki bakterii

P. Singleton, Bakterie w biologii, biotechnologii i medycynie, PWN, 2000, Warszawa.

Przybliżony skład chemiczny typowej komórki bakterii i komórki ssaka Procent całkowitej wagi komórki Składnik

Bakteria E. coli

Komórka ssaka

H2O Jony nieorganiczne (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl- ) Małe metabolity Białka RNA DNA Fosfolipidy Inne lipidy Polisacharydy

70 1

70 1

3 15 6 1 2 2

3 18 1.1 0.25 3 2 2

Całkowita objętość komórki Względna objętość komórki

2 x 10-12 cm3 1

4 x 10-9 2000

B. Alberts, D. Bray, J.Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D.Watson, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing Inc. 1983, NY/London

Gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus)

Formy bakterii gronkowce pakietowce paciorkowce dwoinki pałeczki laseczki średnia wielkość : 0.75 - 2.0 µm przecinkowce śrubowce krętki srednia wielkość : 0.2(1.0) do 60-80 µm

CYTOLOGIA Badania morfologii i działania strukturalnych składników komórki. 1. Błona komórkowa

2. Cytoplazma z organellami 3. Jądro 4. Membrana z chromosomami

Drożdże

Saccharomyces – rodzaj z rodziny drożdżowatych - grzyby jednokomórkowe o komórkach kulistych, jajowatych lub walcowatych. Wielkość – od 1 do 10 mikrometrów Rozmnażanie – przez pączkowanie ( w niesprzyjających warunkach rozmnażanie płciowe) Około 200 gatunków z dużą liczbą odmian. Fermentacja dolna

Fermentacja górna d. Piwowarskie d. Winiarskie d. Piekarnicze

d. Gorzelnicze Spożywcze i paszowe

Królestwo – grzyby

Typ

- woreczniaki

Rodzaj

- drożdże

Elementy komórki Cytoplazma - ciecz, w której zawieszone są wszystkie struktury komórki oraz składniki pokarmowe, jony, enzymy, produkty przemiany materii.

Nukleoid (chromosom) - zwinięta w ścisłą strukturę nić DNA o długości około 1mm, połączona z cząsteczkami RNA i białkami. Zawiera komplet informacji genetycznej.

Plazmid – pozachromosomowy fragment DNA, zazwyczaj o kształcie kolistym, zdolny do niezależnej replikacji. Koduje różne przydatne komórce funkcje jak np. oporność na antybiotyki.

Rybosom – zbudowany jest z dwóch podjednostek: dużej (50S) i małej (30S). Zawiera rRNA (70%) i białka (30%). Jego rolą jest odczytanie kodu genetycznego i kontrola syntezy białek.

Substancje zapasowe – poli-β-hydroksymaślan (PHB), glikogen, polifosforany. Synteza oraz magazynowanie PHB i glikogenu zachodzi, gdy obecne jest źródło węgla przy jednoczesnym deficycie azotu, siarki. Synteza polifosforanów ma miejsce w warunkach aerobowych przy nadmiarze fosforanów w środowisku.

Chromatofory – organelle komórkowe zawierające chlorofil i karotenoidy. U cyjanobakterii i bakterii fotosyntetyzujących zwane są tylakoidami. Mają formę pęcherzyków lub spłaszczonych, warstwowo ułożonych błon i połączone są z błoną cytoplazmatyczną. Biorą udział w fotosyntezie.

Wakuole gazowe – występują u niektórych prokariotów np. cyjanobakterii. Składają się z drobnych, wypełnionych gazem pęcherzyków. Wpływają na gęstość komórek i pozwalają zwiększyć dostęp światła.

Karboksysomy – wewnątrzkomórkowe struktury błonowe u bakterii autotroficznych. Zawierają enzym RuBisCo biorący udział w wiązaniu atmosferycznego CO2.

Osłony komórkowe - błona cytoplazmatyczna , ściana komórkowa, błona zewnętrzna, warstwy zewnątrzkomórkowe (otoczki lub śluz).

Narządy ruchu - rzęski lub wici, umożliwiają poruszanie się w kierunku substancji odżywczych i ucieczkę przed substancjami toksycznymi.

Funkcje ściany komórkowej i błony komórkowej  nadają kształt i zabezpieczają przed ciśnieniem osmotycznym, są miejscem, w którym przebiega wiele reakcji,  uczestniczą w przekazywaniu sygnałów do wnętrza komórki, są głównymi elementami systemu transportu i magazynowania energii,  regulują przemieszczanie się substancji między komórką, a środowiskiem zewnętrznym: są przepuszczalne dla cząstek hydrofobowych ( N2 , O2 , węglowodorów) i małych cząstek polarnych (H2O, CO2, gliceryny, mocznika), a nieprzepuszczalne dla aminokwasów, H-, HCO3-, Ca2+, K+, Cl-, Mg

Budowa osłon komórkowych

E.P.Solomon, L.R.Berg, D.W.Martin,C.A.Villee, Biologia, Multico Oficyna Wydawnicza, 1996, Warszawa.

Błona cytoplazmatyczna

B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter, Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.

Rodzaje białek błonowych

Białka transportujące - przenoszą określone substancje odżywcze, metabolity i jony przez dwuwarstwę lipidową. Białka kotwiczące - łączą błonę komórkową z makrocząsteczkami po obu stronach błony. Receptory – wykrywają sygnały chemiczne w otoczeniu komórki i przekazują informacje do wnętrza komórki. Enzymy – katalizują określone reakcje biochemiczne.

Sposoby wiązania białek błonowych z błoną cytoplazmatyczną

B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter, Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.

Rodzaje transportu przez błony komórkowe  dyfuzja bierna –zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, bez udziału energii (transport CO2, O2),  dyfuzja ułatwiona - zachodzi zgodnie z gradientem stężenia, bez zużycia energii, ale z udziałem swoistych białek błonowych, np. transport wody przez akwaporyny,  transport aktywny – przebiega wbrew gradientowi stężeń; prowadzony jest z nakładem energii z udziałem białek transportowych,  pierwotny transport aktywny – wyrzucenie protonów na zewnątrz błony cytoplazmatycznej przy użyciu energii uzyskanej z hydrolizy ATP, absorpcji fotonu lub przepływu elektronów w procesach oddechowych (wytworzenie siły protonomotorycznej),  wtórny transport czynny – siła protonomotoryczna napędza transport różnych cząsteczek lub jonów przez błonę, przy udziale białek (permeaz).

Sposoby transportu cząsteczek i jonów

B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter, Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.

Klasy białek transportujących

Nośniki – wiążą rozpuszczoną substancję po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę– towarzyszy temu zmiana konformacji nośnika. Są bardzo selektywne.

Pompy – białka transportujące daną substancję przez błonę z jednoczesnym wykorzystaniem energii (pompa protonowa).

Kanały jonowe – małe hydrofilowe pory, przez które substancja może przechodzić na drodze dyfuzji. Rozpoznanie cząsteczki transportowanej następuje na podstawie jej wielkości i ładunku elektrycznego. Przepływ jonów zmienia napięcie w po obu stronach błony (potencjał błonowy).

Pompa protonowa

Energia konformacji białka

NASTĘPNY CYKL

B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J.Lewis, M. Raff , K. Roberts, P. Walter, Podstawy biologii komórki, cz 1-2, PWN, 2007, Warszawa.

Wzrost bakterii Komórki bakterii mogą rosnąć i dzielić się, żyjąc pojedynczo lub w koloniach. Czas podwojenia liczby komórek (generacji) - czas konieczny do przebiegu pełnego cyklu komórkowego. Jego długość waha się od kilku minut do kilku tygodni. Podłoża (pożywki) do hodowli bakterii:  stałe (żel agarowy),  płynne. Rodzaje hodowli:  okresowe – po pewnym czasie następuje wyczerpanie substancji odżywczych i nagromadzenie toksycznych produktów,  ciągłe – systemy przepływowe, do których w sposób ciągły wprowadza się świeże podłoże i usuwa jednocześnie jego nadmiar, utrzymując stały poziom płynu hodowlanego. Po pewnym czasie układ osiąga homeostazę.

Typowa krzywa wzrostu okresowej hodowli bakterii

Warunki wzrostu bakterii  substraty odżywcze: CO2, NH3, alkohole, węglowodory, węglowodany, sole nieorganiczne, ( źródło C, N, P, S, H, O ),  woda  energia  temperatura: 0 - 15oC psychrofile, 15 - 45oC mezofile, 45 - 105oC termofile  pH:

 tlen:

0.8 - 4 acydofile, ok. 7.0 większość bakterii, 8 - 9.5 alkalofile - tlenowce – tlen jest niezbędny do ich wzrostu, - beztlenowce – rosną tylko w warunkach, w których nie ma tlenu - względne beztlenowce - mogą rosnąć w obecności tlenu lub w warunkach beztlenowych