Wykład 2 – Biologiczne podstawy procesów biotechnologicznych · 2014-12-02 · Przedmiot:...

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot:

Wykład 2 – Biologiczne podstawy procesów biotechnologicznych

TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy Biotechnologii

Komórka i jej składniki11

Najważniejsze rodzaje komórek stosowanych w biotechnologii przemysłowej

Komórki prokariotyczne:

1. Bakterie gramdodatnie i gramujemne producenci kwasów, alkoholi, aminokwasów, białek

- w tym promieniowce producenci antybiotyków

Komórki eukariotyczne

2. Grzyby

drożdże producenci etanolu i białek

grzyby pleśniowe producenci białek i antybiotyków,i niektórych związków prostych

3. Komórki zwierzęce- komórki owadzie, CHO, BHK producenci białek

Komórki bakteryjne

Morfologia komórek bakteryjnych

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Prokariotyczna komórka bakteryjna

Skład i funkcja biologiczna elementów komórki prokariotycznejSkładnik Skład molekularny Funkcja biologiczna

Polisacharydy usieciowane peptydami, otoczone lipopolisacharydami

Biwarstwa lipidowo (40%)-białkowa (60%); mezosomto wpuklenie błony

Zawiera chromatynę -kompleks DNA i białek histonowych

Kompleksy RNA (65%) i białek (35%)

Małe cząsteczki, białka rozpuszczalne, enzymy, sole nieorganiczne

Ściana komórkowa, wici i rzęski

Błona komórkowa, mezosom

Obszar jądrowy

Rybosomy

Cytoplazma

Ochrona przed stresemosmotycznym i mechanicznym,Ruch (wici), adhezja i koniugacja (rzęski)

Selektywnie przepuszczalna barieraumożliwiająca transport składnikówpokarmowych i metabolitów

Genom. Miejsce przechowywaniai powielania informacji genetycznej

Miejsce biosyntezy białek

Miejsce zachodzenia większościreakcji metabolicznych

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNAPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii

Komórki bakteryjne są otoczone ścianą komórkową

Uproszczone struktury osłon zewnętrznych komórek bakteryjnych

Wykład 2 – Biologiczne podstawy procesów biotechnologicznych Podstawy Biotechnologii TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Bakteryjna ściana komórkowa i jej biosynteza to miejsca działania ważnych antybiotyków

Antybiotyki beta-laktamowe

WankomycynaPeptydoglikan

Liza komórki bakteryjnej

Promieniowce (Actinomycetales)

Eukariotyczna komórka zwierzęca

Eukariotyczna komórka roślinna

Skład i funkcja biologiczna organeli komórki eukariotycznejOrganela Skład molekularny Funkcja biologiczna

Biwarstwa lipidowo (50%)-białkowa (50%);

Zawiera chromatynę -kompleks DNA i białek histonowych + RNA

Zespoły błon lipidowo-białkowych+ rybosomy

j.w. + polisacharydy

Otoczone podwójną błoną, zawierają enzymy, DNA i RNA

Pęcherzyki zawierające enzymy hydrolitycznePęcherzyki zawierające katalazę i inne enzymy utleniające

Otoczone podwójną błoną, zawierają białka, lipidy, chlorofil,RNA, DNA i rybosomy

Małe cząsteczki, białka rozpuszczalne, enzymy, sole nieorganiczne, cytoskeleton

Selektywna bariera transportowa;komunikacja międzykomórkowa

Miejsce przechowywania i powielania informacji genetycznej i transkrypcji

Miejsce biosyntezy białek

Miejsce wydzielania „odpadów”komórkowych i obróbki białek

Miejsce części reakcji katabolicznych i syntezy ATP

Metabolizm materiałów pobranychna drodze endocytozyMiejsce reakcji katabolicznych, w których powstaje H2O2

Miejsce fotosyntezy

Miejsce zachodzenia większościreakcji metabolicznych oraz struktura nadająca kształt komórce

Błona komórkowa

Jądro

Siateczka środplazmatyczna z rybosomami

Aparat Golgiego

Mitochondria

Lizosomy (zwierzęta)

Peroksysomy (zw.) lub glioksysomy (rośliny)

Chloroplasty (rośliny)

Cytoplazma

Jądro komórkowe

Obraz komórek HeLa z jądrami komórkowymi zaznaczonymi barwnikiem Hoechst

Mitochondrium

Obraz w mikroskopie elektronowymmitochondriów komórek pęcherzyków płucnych

Siateczka śródplazmatyczna – retikulum endoplazmatyczne

Obraz w mikroskopie elektronowymretikulum endoplazmatycznego1- jądro; 2 – por jądrowy;

3 – szorstkie RE; 4 – gładkie RE;5 – rybosom; 6 – białko transportowane w RE; 7 – pęcherzyk transportowy;8 – aparat Golgiego (AG); 9 – strona cis AG; 10 – strona trans AG; 11 – cysterna AG

Struktura rybosomuKatalityczny rdzeń rybosomuzbudowany jest z rRNA

Rybosomy

Rybosomy prokariotyczne: 30S + 50S → 70SRybosomy eukariotyczne: 40S + 60S → 80S

Wizualizacja struktury rybosomu

Grzyby w biotechnologii

Grzyby są organizmami heterotroficznymi – pasożyty lub saprofity

Przykłady ról grzybów w środowisku:

- dekompozycja martwej tkanki biologicznej (np. degradacja składnikówdrewna)

- czynniki chorobotwórcze – rośliny (ponad 5 000 chorób), zwierzęta- Mycorrhizae – symbioza z korzeniami roślin

W biotechnologii - procesy fermentacyjne, wytwarzanie antybiotykówproducenci białek terapeutycznych

Drożdże

Budowa komórki drożdżowej

Obraz komórek drożdży w skaningowym mikroskopie elektronowym

Morfologia drożdży

chityna

mannoproteiny

Struktura grzybowej ściany komórkowej

Politechnika Gdańska, Inżynieria BiomedycznaPrzedmiot: TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 2 – Biologiczne podstawy procesów biotechnologicznych Przedmiot: Podstawy Biotechnologii

GRZYBY

Mucor racemous

Penicillium chrysogenum

Aspergillus fumigatus

Zygomycetes – grzyby pleśniowe,sprzężniaki Grzybnia zbudowana z niepodzielnego mycelium. Rozmnażanie płciowe poprzez zarodniki zwanezygosporami lub bezpłciowe poprzez spory w sporangium.

Ascomycetes – workowceGrzyby jednokomórkowe lub tworzące grzybnię w postaci podzielnych strzępek.Rozmnażanie płciowe poprzez askospory lub bezpłciowe przez konidia. Do tej klasy należą m.in. Neurospra, Penicillium.

TECHNOLOGIA CHEMICZNAPodstawy BiotechnologiiPrzedmiot: Podstawy Biotechnologii

Basidomycetes – podstawczaki Grzyby jednokomórkowe lub rozgałęzione. Rozmnażanie płciowe poprzez basidospory lub bezpłciowe poprzez konidia. Do tej klasy należą grzyby kapeluszowe.

Deuteromycetes – grzyby niedoskonałeGrzyby jednokomórkowe lub rozgałęzione. Cecha charakterystyczna – brak rozmnażania płciowego.

Amanita phalloides

Candida albicans

Grzyby pleśniowe

Aspergillus nidulans

Grzyby - rozmnażanie

Drobnoustroje jako biologiczne źródło nowych potencjalnych lekówDrobnoustroje prokariotyczne i eukariotyczne wytwarzają olbrzymią ilość małocząsteczkowych metabolitów wtórnych, z których wielewykazuje selektywną toksyczność wobec innych drobnoustrojów(antybiotyki przeciwdrobnoustrojowe), działanie przeciwnowotworowe(antybiotyki przeciwnowotworowe), ale także obniżające ciśnienie, hamujące biosyntezę cholesterolu, o działaniu przeciwbólowym, immunosupresyjnym i innym.

- wyizolowano i opisano około 20 000 metabolitów wtórnych;- połowa z nich działa antybiotycznie lub cytostatycznie- zastosowanie medyczne – około 150

Potencjalne dalsze możliwości:- z 40 000 gatunków bakterii poznano około 5 000- z 1,5 mln gatunków grzybów poznano około 70 000- bardzo słabo poznane: drobnoustroje morskie, ekstremofilne

Biofarmaceutyki białkowe

Systemy ekspresyjne:Komórki ludzkie – gen zmodyfikowany w obszarze promotoraCHO – Chinese hamster ovary (komórki jajnika chomika

chińskiego)BHK – baby hamster kidney (komórki nerki chomika)Komórki owadzie, gen włączony w genom baculowirusaAutographa californicaDrożdże – S. cerevisiae, Pichia pastorisBakterie – E. coli, Bacillus spp. Transgeniczne rośliny i zwierzęta

The purpose of micro-organism is....

...to make another micro-organism

Cel procesu biotechnologicznego:

1) jak najwięcej komórek drobnoustrojów w jak najkrótszym czasie...

lub 2) jak najwięcej pożądanego produktu

Przypadek 2) sprzeczny z życiowym celem drobnoustroju

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Metabolizm = anabolizm + katabolizm

Procesy anaboliczne – endoergiczne i redukcyjneProcesy kataboliczne – egzoergiczne i utleniające

Bilans masowy utleniania glukozy w warunkach tlenowych i beztlenowych

Metabolizm

kluczowe cząsteczki

A + B + ATP → AB + ADP + Pi

A + B + ATP → AB + AMP + PPi

A + ATP → A-P + ADP

Etapy katabolizmu

Katabolizm

Główne szlaki kataboliczne jako źródła prekursorów dla biosyntezy składników biomakromolekuł

Cykl CorichMleczan powstający w pracującym mięśniuulega w wątrobie przekształceniu w glukozę

W warunkach beztlenowych w mięśniu pirogronian jestprzekształcany w mleczan

Obecność dodatkowej reakcji umożliwiaregenerację NAD+

Przekształcenie pirogronianu w etanol w komórkach drożdży w warunkach fermentacji alkoholowej

Produkty metabolizmu beztlenowego w różnych drobnoustrojachReakcje prowadzące do odtworzenia NADH są zaznaczone jako R

Regulacja metabolizmu drobnoustrojów

Zasady podstawowe

1. Równowaga pomiędzy procesami wytwarzającymii zużywającymi metabolity pośrednie

2. Energetyczne sprzężenie metabolizmu – bilansowanie zysku reakcji katabolicznych z sumą potrzeb energetycznychkomórki

Etapy ekspresji genu

Regulacja ekspresji genu przez białka regulatorowe

Główne mechanizmy regulacji transkrypcji genówkodujących enzymy metabolizmu podstawowego

Katabolizm:indukcja substratowa

Substrat lub jego metabolit działa jako induktor lub efektor pozytywny aktywatora. Regulacja dotyczy szlaku katabolizmu danego substratu

-represja katabolicznaŁatwiej przyswajalne źródło węgla lub efektor syntezowany w komórce w jegoobecności działa jako korepresor lub efektor negatywny aktywatora.Regulacja dotyczy szlaku katabolizmu trudniej przyswajalnego źródła węgla

-represja azotowaj.w., ale dotyczy szlaku przyswajania źródła azotu. Dotyczy także białek

transportowych

Anabolizm:- represja końcowym produktem szlakukońcowy produkt szlaku działa jako korepresor lub efektor negatywny aktywatora. Dotyczy szlaku biosyntezy -atenuacjamechanizm specyficzny dla drobnoustrojów prokariotycznych

Diauksja – dwufazowość wzrostu drobnoustrojóww obecności dwóch źródeł węgla

Produkcja penicyliny przez Penicillum chrysogenum

Inne mechanizmy regulacji metabolizmu podstawowego

Regulacja aktywności enzymów

1. Enzymy regulatorowe – regulacja allosteryczna

2. Kowalencyjna modyfikacja enzymów

3. Kompleksy wieloenzymowe

Regulacja transportu metabolitów

1. Transport białek przez błony

2. Regulacja ilości i aktywności białek transportowych(permeaz)

Grupy specyficznych produktów metabolizmu drobnoustrojów

alkaloidy fenazyny pirydynyaminocukry flawonoidy piroleaminoglikozydy fosfoglikolipidy pironyaminokwasy ftalaldehydy poliacetylenyantocyjaniny glikozydy polienyansamycyny hydroksyloaminy polieteryantrachinony laktony polikwasyantracykliny makrolidy polipeptydychinoliny naftochinony polisacharydychinolinony nitryle salicylanychinony nukleozydy steroidydepsipeptydy peptydy tetracykliny

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Przemiany peryferyjne a przemiany centralne

Idiolity są syntezowane w idiofazie

Koncepcje wyjaśniające przyczyny biosyntezy idiolitów 1. Uzyskanie przewagi w danym środowisku

2. Przystosowanie się do zmieniających się warunkówśrodowiska dzięki dodatkowym szlakom metabolicznym

3. Utrzymanie stanu równowagi ze otoczeniem, gdy normalny wzrost nie jest możliwy

4. Wynik rozregulowania metabolizmu. Nadprodukcja idiolitów rodzajem „wentyla” dla niezbilansowanych przemian

5. Obszar „wolnej gry” ewolucyjnej poza zakresem ścisłychreguł selekcji eliminujących zmiany niekorzystne dla organizmu. Niektóre z idiolitów znajdują w końcu zastosowanie w metabolizmie producenta

Szlaki biosyntezy metabolitów wtórnych

1. Szlak poliketydowy2. Polimeryzacja jednostek izoprenoidowych3. Nierybosomalna synteza peptydów4. Mieszana biosynteza poliketydów i peptydów5. Biosynteza aminoglikozydów oraz amino- i peptydylonukleozydów

Fazy biosyntezy metabolitów wtórnych

1. Biosynteza i aktywacja prekursorów2. Oligomeryzacja3. Modyfikacja4. Kondensacja składników5. Modyfikacje końcowe6. Ukierunkowany eksport

Szlak poliketydowy – biogeneza niektórych antybiotyków

Regulacja biosyntezy idiolitów

MECHANIZMY KONTROLI BIOSYNTEZY IDIOLITÓW

- indukcja substratowa; - indukcja powodowana przez regulatory metaboliczne;- represja i hamowanie kataboliczne;- regulacja związkami azotu;- regulacja fosforanowa i energetyczna;- hamowanie w sprzężeniu zwrotnym – zarówno

przez metabolity podstawowe jak i specyficzne;- regulacja z udziałem pierwiastków śladowych;- regulacja tlenowa;- regulacja innymi czynnikami, takimi jak temperatura lub pH

Regulacja biosyntezy idiolitów

Indukcja substratowa

1. Biosynteza cefalosporyny C w C. acremonium – obecność w podłożu DL-cysteiny lub DL-norleucyny

2. Biosynteza alkaloidów sporyszu przez grzyby Clavicepsis– DL-tryptofan

Warunek – induktor dodawany w fazie wzrostu, a nie w fazie produkcji

Regulacja biosyntezy idiolitówRegulacja fosforanowa

Zasada ogólna – niskie stężenie fosforanu stymuluje biosyntezę idiolitów

Inżynieria metaboliczna szczepów przemysłowych

Producenci metabolitów pierwotnych:

- wprowadzenie zmian umożliwiających nadprodukcję- maksymalizacja nadprodukcji- zmiany umożliwiające pozakomórkowe wydzielanie produktu

Producenci metabolitów wtórnych:

- maksymalizacja wydajności produktu- możliwość wytwarzania produktów innych niż naturalny

Cechy szczepu wysokowydajnego

maksymalna wydajność pożądanego produktu

minimalizacja wytwarzania niepożądanych produktów ubocznych

stabilność genetyczna

odporność na zakażenia wirusowe

Klasyczne metody otrzymywania i hodowli szczepów wysokowydajnych

nieukierunkowane zmiany genetyczne - mutageneza

wytwarzanie, fuzja i odnawianie protoplastów

optymalizacja warunków wzrostu

Mutanty szczególnie przydatne dla otrzymywania wysokowydajnych producentów metabolitów pierwotnych

MUTANTY AUKSOTROFICZNE (ŻYWIENIOWE)

Komórki pozbawione aktywności co najmniej jednegoenzymu katalizującego reakcję szlaku biosyntetycznego

MUTANTY REGULATOROWE

-mutacja w genie regulatorowym lub w obszarze promotorowympowodująca stałą derepresję biosyntezy;

-mutacja w genie strukturalnym, w efekcie której produkt genuma niezmienioną aktywność katalityczną, ale traci wrażliwośćna działanie inhibitora allosterycznego

Możliwość osiągnięcia celu:

Mutant auksotroficzny wobec związku F

Cel – uzyskanie nadprodukcji związku G

Biosynteza kwasu cytrynowego

Cykl Krebsa

Nadprodukcja kwasu cytrynowego w Aspergillus niger

Aktywność fosfofruktokinazy I, kluczowego enzymu regulatorowegoglikolizy jest hamowana przez ATPi cytrynian

Efekt Pasteura

U drobnoustrojów względnie anaerobowych, wydajność biomasy jest dużo większa w obecności tlenu, który hamuje fermentację alkoholową.Mechanizm: hamowanie glikolizy przez ATP i cytrynian

Efekt Crabtree

W hodowlach tlenowych następuje częściowe hamowanie oddychania przy bardzo dużych stężeniach glukozy

Nadprodukcja kwasu cytrynowego w Aspergillus niger

Droga alternatywna funkcjonuje w warunkach niskiego stężenia fosforanówI silnego napowietrzania

Jakie warunki należy spełnić, aby możliwa była wysoko wydajna produkcja kwasu cytrynowego?

1. Wysoko wydajny szczep Aspergillus niger- obecność alternatywnego łańcucha oddechowego- mutant regulatorowy – PFK-I niewrażliwa na hamowanie przez cytrynian

2. Odpowiednie warunki hodowli- skład pożywki: wysokie stężenie cukru; niskie stężenie jonów Fe(II) i Mn(II; niskie pH, około 2);

niskie stężenie fosforanów- bardzo intensywne napowietrzanie

Hybrydyzacja – fuzja protoplastów

Przykłady zastosowania:

• Praktycznie wszystkie szczepy przemysłowe używane do produkcji antybiotyków w wiodących firmach farmaceutycznych są rekombinantami otrzymanymi w wyniku fuzji protoplastów;

• Szczepy zawierające wiele kopii genów odpowiedzialnych za biosyntezęantybiotyku (np. Penicillium chrysogenum zaw. 20 zestawów genów kodujących wytwarzanie penicyliny G);

• Fuzja protoplastów dwóch szczepów Cephalosporium acremoniumwytwarzających cefalosporynę C: wysokowydajnego, ale wolno rosnącego i nie wytwarzającego spor oraz drugiego o cechach odwrotnych. Rekombinant posiadał kombinację cech korzystnych; wydajnośćo 40% lepsza niż wydajniejszy ze szczepów rodzicielskich.

Wykład 2 – Biologiczne podstawy procesów biotechnologicznych · 2014-12-02 · Przedmiot:...

Documents

BIOLOGICZNE SKUTKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO › ~pluta › pl › dyd › POKL33 › pdf › mat-wykl › Biologi… · BIOLOGICZNE SKUTKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO 4 1 Wybrane

Prognozowanie procesów gospodarczych –wykład – –ćwiczenia ...keii.ue.wroc.pl/studenci/tb/MiPZE_2_Metody_prognozowania.pdf · • metody wygładzania wykładniczego (np. prosty

BIOINFORMATYKA - THETAtheta.edu.pl/.../2019/10/bioinformatics2_lecture3.pdfBIOINFORMATYKA 1. Wykład wstępny 2. Biologiczne bazy danych 3. Bazy danych: projektowanie i struktura 4

Leki biologiczne oryginalne i biopodobne - co powinien · Prezentacja ta zawiera odpowiedzi na następujące pytania: 1. Czym są „leki biologiczne”? 2. ... Leki biologiczne (biofarmaceutyki)

Klasyfikacja procesów

Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne · 2014-12-02 · Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne Kontrola procesów biotechnologicznych Wielkości fizyczne mierzone w bioreaktorach

Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1 · Długości obserwacji meteorologicznych, obserwowane trendy temperatury [ºC/stulecie] z błędem oraz istotnośd trendu. ... Zmiany w

Podstawy Automatyki - Wyk ad 8 - Wprowadzenie do ... · Podstawy Automatyki Wykład 8 - Wprowadzenie do automatyki procesów dyskretnych dr inż. Jakub Możaryn Instytut Automatyki

Leczenie biologiczne z perspektywy płatnika

1 McGraw-Hill/Irwin Copyright © 2004, The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Wykład 8. Sieciocentrycznosc procesów informacyjnych Wykładowca:

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich · Atom wodoru Zakład Biofizyki 1 Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich r. akad. 2012/2013 wykład 5-6 Atom wodoru

Biologiczne procesy oczyszczania barwnych œcieków włókienniczych

Metody i narzędzia analizy procesów logistycznych – opisy ... · Wykład: 1. Teoria efektywno ści procesów 1 ... Dembi ńska, M. Gubała: Podstawy zarz ądzania transportem

Wykład 4 Synchronizacja procesów (i wątków) cześć Iaragorn.pb.bialystok.pl/~wkwedlo/OS1-4.pdf · Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -2- Wydział Informatyki PB

Biologiczne oczyszczanie ścieków

PROP 2 ( 2 wykład) Projektowanie Procesów i Oprzyrządowania Technologicznego

Koło biologiczne zajęcia nr 2

ZAGROŻENIA CHEMICZNE I BIOLOGICZNE Ł Ą - ciop.pl · Spis treści ... Szkodliwe czynniki biologiczne mogące być przyczyną zakażenia, alergii lub

Sterowniki Programowalne (SP) - Wykład #1 Wykład … W1... · SP – wykład organizacyjny - terminarz Wykład Data Dzień Temat Kto W1 26.09 PN Wykład organizacyjny JT W2 27.09

LECZENIE BIOLOGICZNE W PSYCHIATRII - a.umed.pla.umed.pl/psychiatria/dydaktyka/2018/Leczenie biologiczne w... · • Napadowe, bolesne skurcze mięśni, połączone z usztywnieniem