speciální biotechnologie SPECIÁLNÍ FERMENTAČNÍ TECHNOLOGIE Biotechnologie Soubor vědeckých, výrobních, procesních a servisních postupů, založený na využití funkcí živých systémů všech typů, tedy nejen živých systémů buněk mikroorganismů, ale i buněk rostlin a živočichů a to od buněčné úrovně až po jejich biologicky aktivní složky. Speciální biotechnologie produkují: antibiotika, vitamíny a hormony, enzymy, biologicky aktivní látky se specifickým účinkem na člověka, polysacharidy, rozpouštědla,…

speciální biotechnologie Zákony aplikované mikrobiologie David Perlman, )Mikroorganismus je vždy tvým přítelem a citlivým partnerem. 2)Neexistují hloupé mikroorganismy. 3)Mikroorganismy umějí a jsou ochotny dělat cokoliv. 4)Mikroorganismy jsou šikovnější, chytřejší a mocnější než chemici, technici a všichni ostatní. 5)Budeš-li pečovat o své mikrobní přátele, budou pečovat oni o tvou budoucnost. „ Ó Pane, padám na kolena a Prosím Tě, aby mé syntézy nebyly horší než ty, které provádějí bakterie.“ (óda organického chemika)

speciální biotechnologie Oblasti perspektivního využití Nekonvenční zdroje potravin mikrobiální bílkoviny (single cell protein, SCP) zaměření na baktérie, kvasinky a řasy esenciální aminokyseliny mikrobiální tuky (single cell oil, SCO) Fixace atmosférického dusíku schopnost některých půdních baktérií (volně žijící půdní a symbiotické - Rhizobium) zavedení této schopnosti do druhů, které jí nemají, by snížilo spotřebu dusíkatých hnojiv

speciální biotechnologie Oblasti perspektivního využití Nekonvenční zdroje energie zajištění konverze biologického materiálu (biomasa) na palivo, anaerobní proces Bioplyn: směs methanu a oxidu uhličitého producent: směsná kultura anaerobních baktérií Ethanol: vyráběný mikrobiální fermentací z organického substrátu a oddělený destilačně

speciální biotechnologie Alternativní pohonné látky Bioethanol:ethanol vyráběný fermentační cestou používaný jako přísada do benzínů pro zážehové motory Suroviny:energetické suroviny 1. generace - potravinářská biomasa: brambory, obilniny, melasa, řepný a třtinový cukr energetické suroviny 2. generace – nepotravinářská biomasa: lesní a zemědělský odpad, energetické rostliny, bioodpad Používané mikroorganismy: Kvasinky: tradičně používané také pro výrobu potravinářského ethanolu, Saccharomyces – ethanol tolerantní kmeny získané genovou manipulací Baktérie:tolerují vyšší koncentrace substrátu i ethanolu, zpracovávají větší spektrum substrátů

speciální biotechnologie Oblasti perspektivního využití Výroba biologicky aktivních látek od 40. let 20. století – antibiotika, organické kyseliny, aminokyseliny, vitamíny, hormony, růstové látky Biodegradace relativně neškodné odpady: lignocelulózové odpady z papírenství toxické odpady: petrochemické kontaminace, pesticidy, halogenované látky (PCB) Biotransformace využití mikroorganismů k chemickému pozměnění produktu, častý krok při výrobě léčiv a bioaktivních látek

Biotransformace Využití enzymového vybavení živých buněk k realizací reakcí, jejichž provedení v klasické chemické syntéze je nemožné nebo obtížně proveditelné. Jsou to chemické reakce katalyzované enzymy, probíhají za mírných reakčních podmínek, jsou substrátově specifické a mohou poskytnout stereospecifický produkt (např. jeden optický izomer). Příklady: Výroba vitamínu C, transformace steroidů (vitamín D, hormony), farmaceutické suroviny (efedrin). speciální biotechnologie

Výroba sekundárních metabolitů speciální biotechnologie Primární metabolit:sloučenina, která zajišťuje organismu růst, vývoj a rozmnožování, je nezbytná pro přežití organismu jako jedince Patří sem:sacharidy, proteiny, lipidy, nukleové kyseliny Primární metabolity figurují v základních katabolických a anabolických dráhách (Krebsův cyklus, glykolýza,…) Sekundární metabolit:sloučenina, která figuruje ve specifických rolích, obvykle souvisejících s přežitím biologického druhu Patří sem:alkaloidy, pigmenty, fenolické látky, sloučeniny se signální a ochrannou funkcí,… Metabolismus sekundárních metabolitů zahrnuje velké množství speciálních kroků, produkty mohou být druhově specifické.

speciální biotechnologie VITAMÍNY B 2 - riboflavin přirozeně vysoký obsah v pivovarských kvasinkách Biosyntéza navazuje na metabolismus purinových bází a vychází z guaninu Producenti:baktérie Bacillus subtilis vláknitá houba Ashbia gossypii produkují až 10 g B 2 na 1 l média Způsob výroby:povrchová fermentace na rýžových otrubách submerzní fermentace v tekutém fermentačním médiu Izolace:pouze pro farmaceutické preparáty do krmiva přímo zfermentované médium

speciální biotechnologie VITAMÍNY B 12 - kobalamin totální syntéza v r. 1970, 70 kroků Producenti:více druhů rodu Streptomyces některé baktérie - Propionibacterium specifická kultivace vitamín je možno izolovat i při výrobě jiných látek (intra- celulární produkt, nespecifická kultivace) Způsob výroby:submerzní fermentace v tekutém fermentačním médiu Izolace:před izolací je nutno provést dezintegraci buněk (teplem), izolace sorpcí nebo extrakcí do nevodného rozpouštědla

speciální biotechnologie VITAMÍNY Karotenoidy provitamíny A, zejména β-karoten, tetraterpeny Biosyntéza:z acetyl-S-koenzym A přes izoprenovou jednotku Producenti:více druhů baktérií kvasinky Rhodotorula Způsob výrobysubmerzní fermentace v tekutém fermentačním médiu Izolace:karoteny jsou rozpuštěny v buněčném tuku není nutná při výrobě krmných přídavků - suší se médium izolace z buněk extrakcí po vysušení

speciální biotechnologie ALKALOIDY sekundární metabolity rostlin, méně živočichů a hub známo asi 6000 zástupců zásadité látky obsahující dusík Bioyntéza:navazuje na metabolismus aminokyselin Funkce:pro producenta ochranná - toxické, obvykle hořká chuť vykazují značné biologické účinky na živočichy včetně člověka Účinky:jedy - kurare, žáby pralesničky, ryby fugu návykové látky - alkaloidy máku, lilkovitých, povzbuzující a léčivé látky - kofein (káva), theofylin (čaj), theobromin (kakao), chinin (chinovník)

speciální biotechnologie NÁMELOVÉ ALKALOIDY alkaloidy paličkovice nachové (Claviceps puprurea (Fr.) Tul.) vřeckovýtrusná houba, cizopasí na lipnicovitých alkaloidy jsou obsaženy ve sklerociu Při dodržování správné zemědělské praxe je nebezpečí nákazy minimální Ve středověku častá příčina otrav - ergotismus pravděpodobná role v čarodějnických procesech Alkaloidy:léčivé látky pro humánní i veterinární použití v porodnictví, psychiatrie, léčba vysokého krevního tlaku, migrény a poruch prokrvení

speciální biotechnologie NÁMELOVÉ ALKALOIDY Polní produkce námele: suspenzí spór je naočkováno pěstované žito pomocí speciálních strojů v klasu žita se vyvine sklerocium houby (námel), námelové žito se sklízí běžným způsobem alkaloidy jsou z námele izolovány extrakcí organickými rozpouštědly ve farmaceutickém podniku

NÁMELOVÉ ALKALOIDY speciální biotechnologie Fermentační výroba: v Čechách Olomouc (Farmakon, do 1964), pak Opava (Galena, oba způsoby výroby, nyní Teva Pharmaceuticals s.r.o.) Povrchová nebo submerzní kultivace houby: Zdroj uhlíku – sacharidy: glukóza, sacharóza fosfáty, sírany, amonné soli fermentace trvá 2-3 týdny. alkaloidy se hromadí v myceliu (intracelulární produkt), produkt se izoluje ze sušeného mycelia vhodným organickým rozpouštědlem a čistí se

speciální biotechnologie GIBBERELINY rostlinné růstové látky, fytohormony stimulují mitózu a dlouživý růst (ne tvorbu kořenů!) jejich účinky byly objeveny studiem plísněmi napadených rostlin, které vykazovaly abnormální růst produkované některými plísněmi a rostlinami Biosyntéza:strukturně podobné diterpenům Výroba:povrchovou nebo submerzní kultivací vláknité houby Gibberella fujikuroi produkt je extracelulární a izoluje se na ionexu nebo extrakcí Použití:růstové stimulátory - sladovnictví, zahradnictví

speciální biotechnologie VYUŽITÍ GENETICKY MANIPULOVANÝCH MIKROORGANISMŮ Výroba lidského inzulínu: 1974 první úspěšný přenos živočišného genu do bakterie (USA) 1978 modifikace genomu E. coli pomocí syntetického řetězce DNA kódujícího lidský inzulín (Kalifornská univerzita, USA) Firma Eli Lilly (USA, 1876) 1923 inzulin (zvířecí) 1943 penicilin (fermentačně) 1982 inzulin (fermentačně z rekombinantních baktérií, firma od roku 1976 financovala výzkum této výroby

DALŠÍ MOŽNOSTI VE VÝROBĚ INZULINU Dosavadní podoba inzulinu umožňuje podávání pouze injekční cestou pokusy vnést gen pro inzulin do rostlin (tabák, světlice - Kanada) Rostlinný materiál obsahující inzulin se bude moci konzumovat přímo, protože inzulin se nerozloží trávicími enzymy a vstřebá se přímo ze střeva speciální biotechnologie