Wykłady - tematy

• Biotechnologia farmaceutyczna – definicja i znaczenie. Typy procesów biotechnologicznych, biokatalizatory. Fermentacja tlenowa - przykład najczęściej stosowanego procesu biotechnologicznego.

• Wybrane szczepy drobnoustrojów przemysłowych ; produkty ich przemian peryferyjnych o znaczeniu biologicznym. Hodowle komórek ssaków i komórek roślinnych. Porównanie systemów komórkowych.

• Pozyskiwanie i ulepszanie szczepów produkcyjnych ; mutageneza, fuzja protoplastów, inżynieria genetyczna.

• Wielkocząsteczkowe substancje aktywne, otrzymywane metodami biotechnologicznymi (przeciwciała monoklonalne, rekombinowane leki białkowe).

• Technologia bioprocesów – procesy up-stream; procesy okresowe, półciągłe i ciągłe - zalety i wady. Biokatalizatory, enzymy i komórki unieruchomione.

• Podłoża hodowlane - główne składniki, materiały pomocnicze, prekursory, promotory wzrostu, odpieniacze itp.

• Analityczne aspekty biotechnologii, kontrola bioprocesu.

• Procesy biotransformacji, zastosowanie w biotechnologii farmaceutycznej.

• Biotechnologia sterydów. Biotechnologia antybiotyków.

• Biotechnologia grzybów wyższych – stan obecny i perspektywy

• BIOTECHNOLOGIA, podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne

Aleksander Chmiel,

PWN 1998

• BIOTECHNOLOGIA I CHEMIA ANTYBIOTYKÓW

Aleksander Chmiel,

PWN 1998

• BIOTECHNOLOGIA FARMACEUTYCZNA

Oliver Kayser, Rainer Muller,

PZWL 2003

• PODSTAWY BIOTECHNOLOGII FARMACEUTYCZNEJ

Oliver Kayser,

Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego 2006

Biotechnologia interdyscyplinarna dziedzina

nauki i techniki, zajmująca się zmianą materii

żywej poprzez wykorzystanie

organizmów żywych, ich części, bądź

pochodzących od nich produktów,

a także modeli procesów biologicznych

w celu tworzenia wiedzy, dóbr i usług

(MNiSW, 2006)

Biotechnologia interdyscyplinarna dziedzina

nauki i techniki, zajmująca się zmianą materii

żywej poprzez wykorzystanie

Czynniki biologiczne (biokatalizatory) – komórki lub

izolowane enzymy

Cel:

•nagromadzanie biomasy

•otrzymywanie odpowiedniego metabolitu

wytwarzanego przez komórki (biosynteza)

•przemiana chemiczna składniku pożywki –

substratu , ksenobiotyku (biotransformacja)

Zarys rozwoju biotechnologii

• Starożytność - 1886 (odkrycia Pasteura w dziedzinie fermentacji)

• 1886 - 1940 era rozwoju mikrobiologii technicznej, opracowanie produkcji etanolu, butanolu, metanolu, acetonu, kwasów organicznych

• 1940 -1960 „złota era” antybiotyków

• 1960 - 1975 opracowanie metod hodowli komórek organizmów wyższych w warunkach in vitro, wytwarzanie szczepionek, surowic, SCP, czystych aminokwasów, enzymów, polisacharydów.

• od końca lat 70-tych - rozwój inżynierii genetycznej

„Kolory” biotechnologii

• Czerwona biotechnologia – to biotechnologia, której

głównym obszarem zainteresowania jest służba zdrowia

• Biała biotechnologia - to biotechnologia zajmująca się

wykorzystaniem systemów biologicznych w przemyśle

• Zielona biotechnologia – agrobiotechnologia, zajmuje

się aspektami związanymi z rolnictwem, rozwiązaniami stosowanymi w celach spożywczych i niespożywczych

• Niebieska biotechnologia - zajmuje się szeroko

rozumianą problematyką biotechnologii wód

• Fioletowa biotechnologia – zajmuje się

zagadnieniami społecznymi, problemami prawnymi w tym legislacją, ochroną własności intelektualnej, jak również zagadnieniami filozoficznymi i etycznymi

Zakres zainteresowań naukowych Katedry Technologii Leków i Biotechnologii

Farmaceutycznej

• Poszukiwanie i biosynteza nowych immunomodulatorów

• Optymalizacja procesów biotechnologicznych

Optymalizacja procesów biotechnologicznych, np. biosyntezy immunosupresanta tacrolimus

• Biotechnologia grzybów wyższych

• izolacja z mycelium lub podłoża pohodowlanego substancji farmakologicznie czynnych biosyntezowanych przez komórki grzyba;

• uzyskanie biomasy o wysokiej zawartości substancji odżywczych, do wykorzystania jako żywności funkcjonalnej i do produkcji suplementów diety

• uzyskanie biomasy o wysokiej zawartości substancji biologicznie czynnych (głównie antyoksydantów), do wykorzystania w kosmetologii

• izolacja z hodowli wgłębnej enzymów (głównie oksydoreduktaz) biosyntezowanych przez grzyby, stosowanych następnie w procesach biotransformacji lub bioremediacji

Celem procesów biotechnologicznych może być

• nagromadzanie biomasy mikroorganizmów

(produkcja drożdży piekarniczych, winnych, gorzelnianych, browarniczych, paszowych, produkcja biomasy – białek drobnoustrojów, ang. Single Celi Protein SCP, wytwarzanie dużych ilości osadów organicznych przy oczyszczaniu ścieków itp.)

• otrzymywanie odpowiedniego metabolitu wytwarzanego przez namnażane drobnoustroje, komórki lub tkanki

(produkcja kwasów organicznych, enzymów, przeciwciał, alkoholi, gazów, m.in. metanu i wodoru, antybiotyków, toksyn jako wzorców do celów analitycznych, specyficznych węglowodanów o dużej lepkości)

• przemiana składników pożywki- substratu,

wykorzystanie endogennej respiracji biomasy, utlenianie, redukcja lub destrukcja, eliminacja składników' szkodliwych biologicznie w wyniku biokonwersji lub kometabolizmu

Rodzaje bioprocesów przemysłowych

Rodzaj procesu

Czynniki katalityczne

Przykłady

Biosynteza drobnoustroje biosynteza aminokwasów, antybiotyków, polisacharydów, produkcja preparatów paszowych

komórki zwierzęce

otrzymywanie szczepionek wirusowych, przeciwciał monoklonalnych

komórki roślinne biosynteza szikoniny, kwasu rozmarynowego

enzymy

biosynteza dekstranu, glutationu, tryptofanu

Rodzaj procesu Czynniki katalityczne

Przykłady

Biotransformacja

drobnoustroje biotransformacje steroidów,

otrzymywanie kwasu octowego,

L-sorbozy, kwasu glukonowego

enzymy

biotransformacje steroidów konwersja glukozy do fruktozy,

kwasu fumarowego do jabłkowego

oraz do L-asparaginowego

Biohydroliza enzymy ścinanie mleka,

wytwarzanie soków owocowych,

hydroliza rafinozy, laktozy, skrobi, dekstranu

hydroliza penicyliny do kwasu

6-aminopenicylanowego,

hydroliza acetylo-L-aminokwasów

Rodzaj procesu Czynniki katalityczne

Przykłady

Fermentacja

(w sensie dosłownym)

drobnoustroje produkcja etanolu,

kwasu mlekowego, masłowego, butanolu

Bioługowanie

drobnoustroje

procesy ługowania minerałów,

głównie uranu i miedzi

Biodegradacja

(utylizacja)

drobnoustroje oczyszczanie ścieków, produkcja biogazu z odpadów i ścieków, produkcja biomasy paszowej ze ścieków

Ogólna charakterystyka czynników biologicznych w procesach biotechnologicznych

Procesy „upstream” i „downstream” jako części bioprocesu

• Upstream - część bioprocesu w której w bioreaktorach hodowane są mikroorganizmy /komórki (np. linie komórek bakterii, ssaków, hybrydy).

Upstream processing składa się ze wszystkich etapów związanych z: o uzyskaniem i optymalizacją szczepu produkcyjnego, o uzyskaniem inokulum (zaszczepu), o opracowaniem (optymalizacją) składu podłoża, o optymalizacją kinetyki wzrostu, warunków hodowli i

aparatury o przeprowadzeniem hodowli Po zakończeniu hodowli rozpoczyna się etap downstream bioprocesu.

Część bioprocesu określana jako downstream polega na izolacji i oczyszczaniu produktu

Często spotykane etapy procesów downstream to:

•Separacja biomasy i podłoża

•Rozbicie komórek

•Zagęszczenie podłoża

•Wstępne oczyszczenie produktu

•Odwodnienie produktu

•Doczyszczenie produktu do 98 - 100% czystości

•Uzyskanie finalnej postaci produktu

Najbardziej typowym przykładem (najczęściej stosowanym) procesu biotechnologicznego jest proces fermentacji tlenowej, za pomocą którego uzyskuje się biomasę drobnoustrojów lub ich metabolity zawarte wewnątrz komórek lub wydzielane przez nie do środowiska

Realizacja wymienionego procesu obejmuje następujące operacje podstawowe:

•przygotowanie fermentora •przygotowanie i kontrolę osprzętu fermentora

•przygotowanie pożywki lub podłoża, zaszczepu (inokulum), odpieniaczy

• sterylizację fermentora, pożywki, powietrza i pomieszczeń

• zaszczepienie (inokulacja)

• fermentację i kontrolę parametrów procesu, jak:

napowietrzanie, mieszanie, ogrzewanie lub chłodzenie,

odpienianie, poziom pH itp.

• okresowe pobieranie próbek i ich kontrolę,

• opróżnianie zawartości fermentora

• wydzielanie, oczyszczanie i otrzymywanie gotowego produktu

• unieszkodliwianie produktów ubocznych lub odpadowych powstających w wyniku procesu.

procesy upstream

procesy downstream

Schemat blokowy procesu biotechnologii antybiotyków

2. rozmnażanie

materiału posiewowego

a — szczep produkcyjny

(zamrożony lub

zliofllizowany)

b — hodowla szczepu na

skosach agarowych

c — hodowla w kolbach

Roux

d — hodowla wstrząsana

e — hodowla w

bioreaktorach

posiewowych