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인간의 삶과 역사 속의 미생물 2012-1 학기 강의자료 ppt-10. 미생물은 어떤 존재인가 ?

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인간의 삶과 역사 속의 미생물

2012-1학기

강의자료 ppt-10

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미생물은어떤 존재인가?

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생명공학 (biotechnology)의 주체인 미생물

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Use of organisms to form useful products (in in-dustrial, medical, or agricultural applications)

Biotechnology ( 생명공학 , 생물공학 )

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Products of Microbial Biotechnology

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• 식품 및 식품 첨가물 생산 : 발효 식품 , 아미노산 , 미생물 식품으로 이용 ( 버섯 , 미역 , 김 등 )

• 건강 ( 영양 ) 보조제 생산 : 식이섬유 , 비타민 , 미생물 건강( 영양 ) 보조제로 이용 ( 유산균 , 클로렐라 , 스피루리나 , 효모 등 )

• 의약품 생산 : 항생물질 , 호르몬 , 스테로이드 등• 효소 생산 : 산업용 효소 , 세제 첨가용 효소• 화학제품 생산 : 바이오폴리머 ( 생분해 플라스틱 등 ),

시트르산 , 아세톤 , 글리세린 , 에틸알코홀 , 초산 등• 연료 생산 : 메탄가스 , 에틸알코홀 , 수소 가스 등• 살충제 생산 : 미생물 살충제• 광물 정제 : 구리 , 금 , 납 등

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Combinational Biology in Biotechnology

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식품 및 식품 첨가물 생산

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• Wine• Brewing, distilling, and commodity Alcohol• Vinegar• Citric acid and other organic compounds• Yeast as a food and food supplement• Mushrooms, spirulina, chlorella, edible sea-

weeds as a food source

Products for food industry

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Industrial uses of yeast and yeast products

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• Amino Acids– Used as feed additives in the food industry– Used as nutritional supplements in nutraceutical indus-

try– Used as starting materials in the chemical industry– Examples include

• Glutamic acid (MSG)• Aspartic acid and phenylalanine (aspartame [Nutrasweet])• Lysine (food additives)

Vitamins and amino acids: Amino acids

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Amino acids used in the food industry

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건강 ( 영양 ) 보조제 생산

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Industrial uses of yeast and yeast products

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• Production of vitamins is second only to antibiotics in terms of total pharmaceutical sales– Vitamin B12 produced exclusively by microorganisms

• Deficiency results in pernicious anemia ( 악성빈혈 )

– Riboflavin (VB2) can also be produced by microbes

Vitamins and amino acids: Vitamins

VB12 Ri-boflavin

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의약품 생산

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• Steroids– Are derivatives of sterols

– Are important animal hormones with medicinal uses• Corticosteroids reduce inflammation, and help control aller-

gies, inflammation and arthritis

• Estrogens and androgenic steroids play a role in human fertil-ity and can stimulate production of muscle mass

– Production of steroids by chemical process is costly• Use microbes to reduce cost (biotransformation)

Steroids and other biotransformations

Sterol

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Cortisone production using a microbe: Biotransforma-tion

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효소 생산

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• Exoenzymes– Enzymes that are produced in such large amounts

that they are excreted into the medium instead of be-ing held within the cell; they are extracellular

– Can digest insoluble polymers such as cellulose, pro-tein, and starch

Enzymes as industrial products

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• Enzymes are produced from fungi and bacteria– Bacterial proteases are used in laundry detergents

(can also contain amylases, lipases, and reductases)• Isolated from alkaliphilic bacteria

• Amylases and glucoamylases are also commer-cially important– Produce high-fructose syrup

Enzymes as industrial products

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Microbial enzymes and their applications

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• Extremozymes– Enzymes that function at some environmental ex-

treme (i.e., pH or temperature)– Produced by extremophiles

Enzymes as industrial products

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Examples of extremozymes: Acid-tolerant enzymes

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화학제품 생산

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Industrial uses of yeast and yeast products

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Biopolymers

• Poly-β-hydroxybutyric acid (PHB)– Bioplastic (bacterial plastic)

• Dextrin (a group of low-molecular-weight carbohydrates produced by the hydrolysis of starch or glycogen), cyclodextrin, and other polysaccharides– Used to modify flow characteristics of liquids and to

serve as gelling agents

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• The recalcitrance of plastics has fueled re-search efforts into a biodegradable alter-native (biopolymers)

Bacterial plastics

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Bacterial plastics

Poly-β-hydroxyvalerate poly-β-hydroxybutyrate

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Bacterial plastics

Shampoo bottle made of the PHB/PHV copolymer

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• Used for emulsification, increasing detergency, wetting and phase dispersion, and solubilization

• Important in bioremediation, oil spill dispersion, and enhancing oil recovery

• Many have antibacterial and antifungal activity; some inactivate enveloped viruses

Biosurfactants

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• > 50,000,000,000 liters of ethanol are produced yearly for industrial purposes– Used as an industrial solvent and gasoline supplement

Commodity alcohol production

Ethanol production plant, Nebraska, USA

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연료 생산

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• > 50,000,000,000 liters of ethanol are produced yearly for industrial purposes– Used as an industrial solvent and gasoline supplement

Commodity alcohol production

Ethanol production plant, Nebraska, USA

Gasohol

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Estimates of CH4 released into the atmosphere

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Biosynthesis of methane

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Certain green algae (e.g. Botryococcus braunii )

Botryococcus braunii excreting oil droplets

Production of petroleum by some microbes

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살충제 생산

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• Biological agents, such as bacteria, fungi, viruses, or their components, which can be used to kill a susceptible insect

Microbial insecticides (biopesticides)

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• Bacillus thuringiensis– Produces a parasporal body during sporulation as

an intracellular protein toxin crystal– Parasporal body

• Acts as microbial insecticide (Bt toxin) for specific groups of insects

– Bt toxin • used for over 40 years• unlike chemical insecticides, does not accumulate in en-

vironment

Microbial insecticides (biopesticides): Bacteria as biopesticides

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Toxic parasporal crystal in Bacillus thuringiensis

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Activation of Bt toxin

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Action mechanism of Bt toxin

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광물 정제

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• In microbial leaching, low-grade ore is dumped in a large pile (the leach dump) and sulfuric acid is added to maintain a low pH

• The liquid emerging from the bottom of the pile is enriched in dissolved metals and is transported to a precipitation plant

• Bacterial oxidation of Fe2+ (ferrous iron, 2 가철 ) is critical in microbial leaching as Fe3+ (ferric iron, 3 가철 ) itself can ox-idize metals in the ores

Microbial leaching of ores

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Microbial leaching of low-grade copper ores

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Microbial leaching

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• Microbes are also used in the leaching of uranium and gold ores

Gold bioleaching tanks in Ghana

Microbial leaching of ores

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기타 역할

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• Microbes for nanotechnology– e.g., use of diatom 3-D structures as templates– e.g., use magnetosomes from magnetotactic bacteria

in magnetic resonance tomography (MRI) applications and as probes to detect cancer

Microbes as products for nanotechnology

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• Living microbes, enzymes or organelles are linked to electrodes to detect specific sub-stances– detection is done by converting biological reaction

products into electrical currents

• Have a broad range of applications

Biotechnological applications: Biosensors

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생명공학에 필요한새로운 유전자 탐색

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• Gene mining– The process of isolating potentially useful novel genes

from the environment without culturing the organism – To do so, DNA (or RNA) is directly isolated from the

environment, cloned into appropriate expression vec-tors, and the library screened for activities of interest

Mining genomes

* Metagenome - The total genome of all the cells present in a particular environment

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Metagenomic search for useful genes in the environment

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형질전환생물 제작과 미생물

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• Engineering metabolic pathways in bacteria• Genetic engineering of animals• Gene therapy in humans• Transgenic plants in agriculture

Transgenic organisms

• Transgenic organism– An organism that contains a gene from another organism

– Also refers to genetically engineered organisms whether

or not they contain foreign DNA

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• The production of small metabolites by genetic en-gineering typically involves multiple genes that must be coordinately expressed

• Pathway engineering– The process of assembling a new or improved biochemi-

cal pathway using genes from one or more organisms

Transgenic organisms: Engineering metabolic pathways in bacteria

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• Genetic engineering can be used to develop transgenic animals

• Transgenic animals are useful for – Producing human proteins that require specific post-

translational modifications– Medical research– Improving livestock and other food animals for human

consumption

Transgenic organisms: Genetic engineering of animals

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A piglet that fluoresces green under blue light

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Fast-growing, genetically engineered salmon

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• Gene therapy: treatment of a disease caused by a dysfunctional gene by introducing a functional copy of the gene

• Many human genetic diseases are known and gene therapy holds promise for tackling these dis-eases

• The use of recombinant DNA technology and con-ventional genetic studies allows for the localization of particular genetic defects to specific regions of the genome

Transgenic organisms: Gene theraphy in humans

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• Many successes in plant genetic engineering

- Several transgenic plants are in agricultural production

• The plant pathogen Agrobacterium tumefaciens can be used to introduce DNA into plants

• A. tumefaciens contains the Ti plasmid, which is responsible for virulence

• The Ti plasmid contains genes that mobilize DNA for transfer to the plant

Transgenic organisms: Transgenic plants in agriculture

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Production of transgenic plants using A. tumefaciens

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• Tobacco was the first genetically modified (GM) plant to be grown commercially– 2005 estimates that > 1 billion acres of agricultural land

are growing GM crops

• Several areas are targeted for genetic improve-ments in plants including herbicide, insect, and mi-crobial disease resistance as well as improved product quality

Transgenic organisms: Transgenic plants in agriculture

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Transgenic plant with herbicide resistance

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• One of the most widely used approaches for ge-netically engineering insect resistance in plants involves the introduction of genes encoding the toxic protein of Bacillus thuringiensis (Bt toxin)

Transgenic organisms: Transgenic plants in agriculture

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Transgenic plant with insect resistance

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• Improving product quality is another target area of genetic engineering of plants – e.g., spoilage delay

• Transgenic plants can also be employed to pro-duce human proteins for medical use– e.g., insulin, interferon, antibodies, vaccines

Transgenic organisms: Transgenic plants in agriculture

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• Industrial ecology– Concerned with tracking flow of elements and

compounds through natural world (biosphere) and social world (anthrosphere)

• Microbiologists must:– Understand potential impacts of new products and

processes on the broader society as well as on microbiology

– Communicate effectively with the various “societal stakeholders” about the immediate and longer-term potential impacts of biotechnologies

Impacts of microbial biotechnology