Biotechnologie Jakákoliv technologie využívající biologický materiál

Prezentace na téma: "Biotechnologie Jakákoliv technologie využívající biologický materiál"— Transkript prezentace:

1 Biotechnologie Jakákoliv technologie využívající biologický materiál
celé organismy (bakterie, plísně, rostliny…) části organismů (izolované tkáně a pletiva) biomakromolekuly (enzymy, protilátky…) společenstva organismů

2 Biologický materiál Přirozený Upravený Volný
Mutanty Adaptované kultury Geneticky modifikované organismy Chemicky modifikované biomakromolekuly Volný Imobilizovaný (zasazený do matrice)

3 Imobilizace biologického materiálu
Imobilizace = znehybnění Vytvoření materiálu, který pevně váže biologický materiál + jednodušší manipulace (izolace, dávkování…) + opakované použití + větší odolnost biologického materiálu - imobilizace může biomateriál poškodit - difúzní limitace - vyšší cena

4

5 Způsoby imobilizace Podle matrice
bez matrice (např. kovalentní prokřížení enzymů glutaraldehydem) organická matrice (polysacharidy – alginát…) anorganická matrice (keramické materiály) hybridní matrice (křemičitý gel – alginát…)

6 Způsoby imobilizace Podle vazby materiálu na matrici kovalentní
nekovalentní – vodíkové můstky, Van der Walsovy síly… bez spojení – matrice materiál pevně obklopuje (enkapsulace)

7 Klasické biotechnologie
Živé mikroorganismy používal člověk už od pradávna (nevědomky) výroba alkoholických nápojů jiné potraviny (kvasnice, kysané mléko…) tradiční nápoje (kombucha)

8 Moderní biotechnologie
Potravinářství Produkce látek (aminokyseliny, antibiotika, vitamíny, meziprodukty metabolismu, ethanol…) Produkce bílkovin (enzymy, hormony, protilátky…) Chemické syntézy (farmacie) Rozklad nežádoucích látek (čističky, ropné skvrny…) Biosenzory …

9 Způsoby velkoobjemové kultivace
Tři základní typy kultivace Vsádková (batch) Smíchání všech reaktantů v jednom reaktoru Vypuštění produktů po zkončení reakce Průtočná (kontinuální) Nepřetržité připouštění reaktantů a vypouštění produktů Reakce může probíhat prakticky nepřetržitě Fed-batch („příkrmová“) Vsádková kultivace s občasným přidáním některého substrátu

10 Vsádková kultivace Tradiční metoda Obvykle méně ekonomická
Pro některé procesy jediná možná

11 Průtočná kultivace Modernější Obvykle ekonomicky efektivnější
větší výkon na méně prostoru Obtížnější regulace Koncentrace složek i mikrobiálních buněk závisí na zřeďovací rychlosti D (rychlosti přítoku substrátů a odebírání produktů)

12 Regulace průtočných systémů
Mikrobiální buňky musí zůstat v reaktoru po celou dobu kultivace v cca konstantním množství imobilizace rozmnožování vyvážené odplavováním

13 Turbidistat Neustálé měření koncentrace buněk (obvykle turbidimetricky = rozptyl světla) a regulace zřeďovací rychlosti při přírůstku buněk zvýšení rychlosti při úbytku buněk snížení rychlosti Je možné dosáhnout maximální rychlosti růstu Skutečná rychlost kolísá těsně pod maximální

14 Chemostat Jedna z živin je v nedostatku – všechna se spotřebuje
nelze dosáhnout vyššího nárůstu než kolik určuje limitní živina při odplavení části buněk zůstane více limitující živiny pro ostatní a rychlost růstu se zvýší zřeďovací rychlost je neměnná

15 Produkce alkoholických nápojů
Nejčastěji kvasinky, zejména Saccharomyces cerevisiae (kvasinka pivní) Kvašení cukr  alkohol + CO2 Různé druhy kvašení horní – méně používané, MO na hladině spodní (submerzní) – MO na dně

16 Produkce alkoholických nápojů
Kvašením může vzniknout max. cca 15-20% alkoholu (cca vnitrobuněčná koncentrace ethanolu – zastavení kvašení = chemická rovnováha) nápoje s vyšším obsahem alkoholu se buď destilují nebo míchají z čistého EtOH

17 Pivo Slad Chmelové látky Voda zdroj sacharidů pro kvašení
rmutování = postupné zahřívání sladu, štěpení škrobu amylázami na maltózu Chmelové látky zdroj hořké chuti dnes přidáván obvykle chmelový extrakt Voda vliv na chuť obvykle z pivovarských studní

18 Kvašení piva 7-14 dní, 8-11°C Maltóza je zkvašena na EtOH a CO2
Vsádkové kvašení (kádě) Kontinuální kvašení (trubky) Oddělení kvasnic Zrání piva (20-60 dnů) dokvašování chemické reakce s vlivem na chuť

19 Víno Kvašený nápoj z vinného moštu Kvašení sacharóza  EtOH + CO2
Saccharomyces cerevisiae Podle cukernatosti hroznů zůstane část cukru nezkvašena – dělení vín na suchá až sladká Barva závisí na odrůdě a technice lisování Šumivá vína – CO2 se nenechá unikat Perlivá vína – sycená CO2

20 Bioethanol Potenciální náhrada benzínu Produkce ze sacharidů
do 20% je možné neomezené přidávání do benzínu přes 20% potřeba přeřídit motory nižší výhřevnost – vyšší spotřeba Produkce ze sacharidů sacharóza – nejjednodušší kvašení, ale drahá, v Brazílii škrob – jednoduché kvašení, ale drahý, v EU včetně ČR celulóza – obtížné kvašení, levná a dostupná, nepropracované technologie

21 Sacharóza V Brazílii se jezdí až na 100% EtOH Levný řepný cukr
Vývoz EtOH Vypalování pralesů kvůli plantážím třtiny

22 Škrob Přebytky zemědělství (EU)
Jednoduchá technologie – rozklad, kvašení Drahá surovina zemědělství má vysokou spotřebu energie příliš mnoho dopravy suroviny potenciál genetických modifikací Mnohdy až pasivní bilance energie (na litr EtOH se spotřebuje více nafty) potřeba optimalizace Zdražování potravin

23 Celulóza Nejrozšířenější a nejlevnější (dřevo)
Možnost využít odpad (piliny, starý papír…) Obtížná technologie celulóza je krystalická – obtížný rozklad na monosacharidy doprovázena ligninem a hemicelulózami – obtížné oddělení komplexu

24 Celulóza Technologie dosud ve stádiích experimentů – potenciál zefektivnění Rozklad dřeva napařováním, máčením v horké H2SO4.... Biologický potenciál dřevokazné houby – rozklad ligninu (ale konzumují celulózu) některé bakterie mají celulolytické enzymy (ale neumí rozložit lignin) konstrukce GMO

25 Produkce látek pomocí MO
Mikrobiální metabolismus má schopnost syntézy velkého množství zajímavých chemických látek Metabolismus je obvykle ekonomicky regulován a nemá velké přebytky Nutnost donutit organismus k přebytkům změněná aktivita některého enzymu poškozená regulace metabolismu nefyziologické podmínky kultivace odstraňování produktů – posun chemické rovnováhy

26 Výroba kyseliny citrónové
Aspergillus niger – plíseň výchozí surovina melasa – odpad při výrobě cukru aerobní proces, vyžaduje hodně kyslíku mutovaná forma organismu s málo aktivní citrátizomerázou hromadění citrónové kyseliny nedostatek oxalátu – syntéza z pyruvátu a CO2 výtěžek obvykle přes 100% vneseného cukru

27 Produkce aminokyselin
Krmivo Potravinářská surovina (glutamát) Doplněk stravy (růst svalů, podpora sexuálních funkcí…) Výchozí surovina pro další chemické syntézy Výhoda – biotechnologicky připravené aminokyseliny mají jen konfiguraci L bakteriální syntéza – mutované kmeny s poškozenou regulací

28 Výroba octa Ocet = cca 8% kyselina octová
Octové bakterie (Acetobacter aceti) V ocetnicích Tradiční aplikace imobilizovaných MO (na bukových pilinách) Oxidace sacharidů na octovou kyselinu přísně aerobní proces musí se udržet vyšší koncentrace substrátu, jinak je oxidace úplná až na CO2 a H2O Podle suroviny a mikroorganismů vznik minoritních dalších kyselin (propionová, mléčná, galaktouronová…)  různé příchuti octa

29 Mikrobiální „bioplasty“
Některé bakterie produkují zásobní látky na bázi polyhydroxyalkanových kyselin (PHA) zásoba uhlíku b-hydroxymáselná b-hydroxyvalerová … Tyto polymery mají charakter plastických hmot = potenciální náhrada klasických ropných plastů Nevýhoda = vysoká cena (10x – 100x vyšší než z ropy) – zatím jen speciální použití (lékařské implantáty apod.) Výhoda = plně recyklovatelné

30 Mikrobiální „bioplasty“
Zásobní látky jsou produkovány ve stacionární fázi růstu a při nevyváženém růstu (hodně C, málo N) Složení polymeru závisí na kultivačních podmínkách a živinách – možnost ovlivnit Možnost využít odpadních surovin

31 Mikrobiologická likvidace odpadů
MO dokáží rozložit velké množství chemických látek na neškodné Využití i v likvidaci odpadů Čištění odpadních vod – odstraňování organických látek, amoniaku, síranů… Likvidace pevných odpadů - kompostování

32 Čištění odpadních vod Stále stoupající požadavky na čistotu odpadních vod organické znečištění anorganické látky (amoniak, těžké kovy…) speciální znečištění (perzistentní polutanty) V přirozených vodách žije velké množství MO schopných rozkladu těchto látek Samočisticí schopnost přirozené vody V čističkách jsou tyto přirozené procesy urychlovány popř. selektivně regulovány

33 Samočištění vody = Selfpurification
Soubor přirozených procesů vedoucích k odstranění znečištění vody Faktory samočištění Fyzikální – přestup kyslíku, sedimentace, odplavování… Chemické – chemické reakce (redoxní, srážecí, neutralizační) Biologické – potravní řetězce

34 Biologické samočištění vody
Organické látky V potravních řetězcích dochází k přeměně nečistot na biomasu minerální látky – možné pokračování potravního řetězce autotrofními organismy Mezi tvorbou biomasy a rozkladem existuje rovnováha Oba procesy probíhají aerobně i anaerobně v anaerobním prostředí neúplná mineralizace (org. kyseliny, methan…)

35 Biologické samočištění vody
Saprobní společenstva Biologická rovnováha – odolnost k výchylkám 3 fáze společenstva – dle znečištění polysaprobní – převaha redukčních procesů (fermentace) mezosaprobní – rovnáváha oxidačních a redukčních procesů oligosaprobní – převaha oxidačních procesů

36 Autolýza Samovolný rozklad těl uhynulých organismů pomocí vlastních enzymů První stupeň rozkladu biomasy

37 Rozklad bílkovin Proteázy – štěpení bílkovin na peptidy a aminokyseliny Deaminázy – odštěpování aminoskupin na NH3 Dekarboxylázy – odštěpování CO2 Anaerobně vznikají nejrůznější páchnoucí látky (sulfan, merkaptany…) Aerobně bez zápachu

38 Rozklad dusíkatých látek
Aerobně i anaerobně Odštěpování amoniaku z organických látek (amonifikace) Proteus, Micrococcus -aerobně Clostridium –anaerobně Nitrifikace – oxidace amoniaku – aerobní proces – zisk energie NH4+  NO2- Nitrosomonas, Nitrococcus, Streptomyces, Nocardia… NO2-  NO3- Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira…

39 Rozklad sirných látek Redukce síranů – produkce H2S – anaerobní proces
i další oxidované sloučeniny síry sírany fungují jako terminální akceptory elektronů Desulfovibrio, Desulfotomaculum Oxidace sulfidů a sulfanu na síru nebo sírany aerobně – Thiobacillus, Thiobacterium… fotosynteticky anoxicky – purpurové bakterie (Rhodospirillum, Rhodomicrobium…)

40 Rozklad tuků = lipolýza extracelulární lipázy
Pseudomonas, Yarowia (kvasinka), Mucor, Aspergillus, Penicillium (plísně) zejména aerobní proces anaerobně vznik uhlovodíků

41 Rozklad sacharidů polysacharidy  monosacharidy  začlenění do metabolismu Anaerobně monosacharidy  ferm. produkty  methan fermentace – enterobakterie, Clostridium… methanogeneze – Methanococcus, Methanobacterium… Aerobně – úplná oxidace na CO2 a vodu

42 Čištění odpadních vod Odpadní vody průmyslové a splaškové
různé znečišťující látky 3 fáze procesu mechanická – sedimentace, filtrace biologická – odbourávání organických látek chemická – odstraňování chemických látek Mnoho uspořádání přirozené – kontrolovaný přirozený proces – nádrže, rybníčky… aktivační – intenzifikace procesů – vznik a separace aktivovaného kalu

43 Aktivovaný kal Směsná kultura mikroorganismů vzniklá dlouhodobým provzdušňováním odpadní vody Pomnožení a koncentrace přirozené mikroflóry bakterie prvoci kvasinky vláknité houby Vznik vloček (flokulí) Správná flokulace poukazuje na kvalitu aktivovaného kalu

44 Kompostování =Aerobní proces likvidace pevných odpadů
městské odpady, biologický odpad, aktivovaný kal, průmyslové odpady, dřevní hmota… dochází i k rozkladu některých nebezpečných látek (výbušniny, pesticidy…) Redukce objemu odpadu Rozklad organických látek Snížení obsahu vody V průběhu procesu dochází ke zvýšení teploty - likvidace patogenních MO

45 Kompostování MO jsou obvykle přítomny v likvidovaném materiálu
organotrofní bakterie vláknité houby prvoci vyšší organismy (hmyz, členovci…) V průběhu procesu dochází k zužování druhové pestrosti v důsledku zvyšování teploty postupně mizí vyšší organismy, houby, aktinomycety a mezofilní bakterie zůstávají termofilní bakterie

46 Kompostování Pro aerobní procesy je třeba zajistit dostatečné množství kyslíku (5-10%) přesto místy anaeorbní procesy – vznik organických kyselin – rozklad aerobními druhy cirkulace vzduchu - trubky obracení kompostu – nebezpečí vychladnutí

47 Kompostování Velký odpar vody (až 0,8 g / 1 g organické hmoty)
nutná regulace (regulace teploty, udržování vlhkého prostředí, zkrápění…) nedostatek vody zastavuje rozkladné procesy

48 Kompostování Likvidace patogenních MO
většina patogenů má teplotní optimum cca 37°C vyšší teploty je ničí při kompostování se teplota zvyšuje až na 80°C – likvidace patogenů někdy se jen udržuje nižší teplota (60°C) po delší dobu – také likvidace

49 Kompostování Využití kompostu
hnojivo – nesmí obsahovat toxické látky (těžké kovy, nezreagované polutanty…) spálení – nebezpečné komposty

50 Geneticky modifikované organismy
Organismy, jejichž genetická informace byla cíleně změněna Za GMO není považován organismus vzniklý náhodnou mutagenezí, fúzí protoplastů, výměnou genetického materiálu přirozeným postupem ani šlechtěním. Typické genetické modifikace přidání genetického materiálu z jiného organismu cílená mutace genetického materiálu cílené odstranění části genetického materiálu

51 Cíle genetických manipulací
Vznik organismů z novými či pozměněnými vlastnostmi Produkce bílkoviny z jiného organismu výroba inzulínu výroba enzymů Produkce určité látky mutace v enzymu  hromadění meziproduktu odstranění regulace  nadprodukce přidání genu  modifikace přirozeného metabolitu

52 Cíle genetických manipulací
Zvýšení odolnosti organismu přidání genů pro rezistenci k některým látkám produkce toxinů proti škůdcům zvýšení teplotní odolnosti Biosenzory Geny pro produkci snadno měřitelné odpovědi na podnět (luminiscence, produkce barevné látky apod.)

53 Cíle genetických manipulací
Vylepšení produktů rychleji zrající rajčata rýže obohacená o vitamín A svítící rybičky Věda a výzkum exprese Green Fluorescence Protein v tkáních či buňkách výzkum funkce a exprese genů výzkum metabolismu

54 Geneticky modifikované organismy
Zákon 78/2004 sb. Autorizace nakládání s GMO uzavřené nakládání – GMO nesmí proniknout ven uvádění do životního prostředí – mimo uzavřený prostor uvádění do oběhu – předání třetím osobám

55 Autorizace Nutná pro povolení nakládání Zpracovává MŽP
Hodnocení rizik – zpracovává poradce (vysokoškolák s praxí v oboru GMO) Popis genetické modifikace Popis nakládání Popis zabezpečení

56 Hodnocení rizik Zdraví lidí Působení na zvířata a rostliny
Usídlení a rozšíření v životním prostředí Přirozený přenos změněného genetického materiálu

57 Biosenzory Analyt Biomateriál Záznam Signál Převodník
Zařízení pro detekci analytu využívající biologický materiál Biomateriál Signál Převodník Záznam Analyt

58 Biosenzory Analyt = chemická látka, záření, organismus…
Biologický materiál enzymy protilátky celé mikrobiální buňky buněčné součásti tkáně a pletiva

59 Biologický materiál Biosenzor využívá schopnost biologického materiálu rozpoznat analyt vysoká specifita (enzymy, protilátky) např. pomocí glukózaoxidázy je možné detekovat glukózu ve směsi dalších monosacharidů skupinová specifita (mikroorganismy) např. detekce polutantů pomocí MO schopných je odbourávat

60 Převodník Biologický materiál musí po rozpoznání analytu vyslat nějaký signál dobře měřitelný převod na jiný signál snadno zaznamenatelný (elektrický) Signály světlo (luminiscence) změna elektrického potenciálu produkce barviva změna fluorescence …