Ulepszanie obiektów biologicznych. Środowiskowe aspekty produkcji biotechnologicznej
Wyślij swoją dobrą pracę w bazie wiedzy jest prosta. Skorzystaj z poniższego formularza
Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy, którzy korzystają z bazy wiedzy w swoich studiach i pracy, będą Wam bardzo wdzięczni.
Nie ma jeszcze wersji HTML pracy.
Możesz pobrać archiwum pracy, klikając poniższy link.
Podobne dokumenty
Charakterystyka procesu biotechnologicznego w zależności od otrzymywanego produktu docelowego, mechanizmu powstawania produktu końcowego, warunków prowadzenia procesu. Wybór różnych metod separacji w zależności od lokalizacji docelowego produktu.
praca kontrolna, dodano 16.05.2015
Doktryna form przodków jako jeden z działów selekcji. Łańcuch zmian ewolucyjnych. Nauki Karola Darwina. Ośrodki pochodzenia roślin uprawnych w nauczaniu akademika N.I. Wawiłow. Zalety różnorodności genetycznej materiału źródłowego.
streszczenie, dodano 21.01.2016
Etapy prowadzenia eksperymentów dotyczących przenoszenia materiału genetycznego, wykorzystanie technologii do badania procesów różnicowania, kancerogenezy. warunki hodowli komórkowej. Rodzaje i cel doboru. Transfer genów za pośrednictwem chromosomów i DNA.
samouczek, dodano 08.11.2009
Pojęcie mutacji jako każdej dziedzicznej zmiany, która nie jest związana z rozszczepieniem lub zwykłą rekombinacją niezmienionego materiału genetycznego. Rodzaje mutacji chromosomalnych. Aktywność enzymów muosomalnych w różnych stanach patologicznych.
test, dodano 15.08.2013
Pojęcie dziedziczności i zmienności. Ogólne wzorce mutagenezy. Cechy działania mutagenów fizycznych i chemicznych. Zastosowanie indukowanej mutagenezy. Genetyczne konsekwencje zanieczyszczenia środowiska.
streszczenie, dodano 09.04.2007
Właściwości mutacji jako spontanicznych zmian w genotypie. Modyfikacje cząsteczki DNA pod wpływem mutagenów. Charakterystyka sposobów utrzymania homeostazy genetycznej na poziomie molekularno-genetycznym, komórkowym, organizmowym i populacyjno-gatunkowym.
streszczenie, dodano 17.11.2015
Opisy zmian zachodzących w DNA komórki pod wpływem promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego. Charakterystyka cech mutacji genowych i chromosomalnych. Przyczyny i przenoszenie mutacji cytoplazmatycznych. Badanie mutacji w roślinnych komórkach somatycznych.
Bioobiekt- jest to producent, który biosyntetyzuje pożądany produkt lub katalizator, enzym, który katalizuje jego nieodłączną reakcję.
Wymagania dla obiektów biologicznych
Dla realizacji procesów biotechnologicznych ważnymi parametrami obiektów biologicznych są: czystość, tempo namnażania się komórek i namnażania cząstek wirusa, aktywność i stabilność biomolekuł lub biosystemów.
Należy pamiętać, że gdy stworzone zostaną sprzyjające warunki dla wybranego obiektu biologicznego biotechnologii, te same warunki mogą okazać się korzystne np. dla drobnoustrojów – zanieczyszczeń lub zanieczyszczeń. Przedstawicielami zanieczyszczającej mikroflory są wirusy, bakterie i grzyby występujące w kulturach komórek roślinnych lub zwierzęcych. W takich przypadkach mikroby-zanieczyszczenia działają jak szkodniki produkcji w biotechnologii. W przypadku stosowania enzymów jako biokatalizatorów konieczne staje się ich zabezpieczenie w stanie wyizolowanym lub unieruchomionym przed zniszczeniem przez banalną saprofityczną (niepatogenną) mikroflorę, która ze względu na niesterylność układu może przenikać do procesu biotechnologicznego z zewnątrz.
Aktywność i stabilność w stanie aktywnym obiektów biologicznych jest jednym z najważniejszych wskaźników ich przydatności do długotrwałego stosowania w biotechnologii.
Tak więc, niezależnie od systematycznej pozycji obiektu biologicznego, w praktyce stosuje się albo naturalnie zorganizowane cząstki (fagi, wirusy) i komórki z naturalną informacją genetyczną, albo komórki ze sztucznie podaną informacją genetyczną, to znaczy w każdym przypadku komórki , czy to mikroorganizm, roślina, zwierzę czy osoba. Przykładem jest proces pozyskiwania wirusa polio z hodowli komórek nerki małpy w celu stworzenia przeciwko niemu szczepionki. niebezpieczna choroba. Chociaż interesuje nas tutaj kumulacja wirusa, to jego rozmnażanie odbywa się w komórkach organizmu zwierzęcego. Innym przykładem są enzymy, które mają być stosowane w stanie unieruchomionym. Źródłem enzymów są również izolowane komórki lub ich wyspecjalizowane zespoły w postaci tkanek, z których izolowane są niezbędne biokatalizatory.
Klasyfikacja obiektów biologicznych
1) Makrocząsteczki
Enzymy wszystkich klas (często hydrolazy i transferazy); w tym w postaci unieruchomionej (związanej z nośnikiem) zapewniającej wielokrotne wykorzystanie i standaryzację powtarzalnych cykli produkcyjnych;
DNA i RNA - w postaci izolowanej, jako część komórek obcych.
2) Mikroorganizmy
Wirusy (o osłabionej patogenności są wykorzystywane do produkcji szczepionek);
Komórki prokariotyczne i eukariotyczne są producentami podstawowych metabolitów: aminokwasów, zasad azotowych, koenzymów, mono- i disacharydów, enzymów do terapii zastępczej itp.); -producenci metabolitów wtórnych: antybiotyków, alkaloidów, hormonów steroidowych itp.;
Normoflora - biomasa pewne rodzaje mikroorganizmy stosowane w profilaktyce i leczeniu dysbakteriozy;
Patogeny chorób zakaźnych - źródła antygenów do produkcji szczepionek;
Transgeniczne m / o lub komórki - producenci specyficznych dla gatunku hormonów białkowych dla ludzi, czynników białkowych o niespecyficznej odporności itp.
3) Makroorganizmy
Rośliny wyższe są surowcami do otrzymywania substancji biologicznie czynnych;
Zwierzęta - ssaki, ptaki, gady, płazy, stawonogi, ryby, mięczaki, ludzie;
organizmy transgeniczne.
Jako obiekty lub systemy biologiczne, którymi posługuje się biotechnologia, należy przede wszystkim wymienić mikroorganizmy jednokomórkowe, a także komórki zwierzęce i roślinne. Wybór tych obiektów wynika z następujących punktów:
1. Komórki są swego rodzaju „biofabrykami”, które w ciągu życia wytwarzają różnorodne, wartościowe produkty: białka, tłuszcze, węglowodany, witaminy, kwasy nukleinowe, aminokwasy, antybiotyki, hormony, przeciwciała, antygeny, enzymy, alkohole itp. Wiele z tych produktów, niezwykle niezbędnych w życiu człowieka, nie jest jeszcze dostępnych do uzyskania metodami „niebiotechnicznymi” ze względu na rzadkość lub wysokie koszty surowców lub złożoność procesów technologicznych.
2. Komórki rozmnażają się niezwykle szybko. I tak komórka bakteryjna dzieli się co 20-60 minut, komórka drożdży co 1,5-2 godziny, komórka zwierzęca co 24 godziny, co umożliwia sztuczny wzrost na stosunkowo tanich i pozbawionych deficytów pożywkach na skalę przemysłową w stosunkowo krótkim czasie. ogromne ilości biomasa komórek drobnoustrojów, zwierząt lub roślin. Na przykład w bioreaktorze o pojemności 100 m 3 przez 2-3 dni. Można hodować 10 16 -10 18 komórek drobnoustrojów. Podczas życia komórek podczas ich hodowli środowisko otrzymuje duża liczba wartościowych produktów, a same komórki są spiżarniami tych produktów.
3. Biosynteza substancji złożonych, takich jak białka, antybiotyki, antygeny, przeciwciała itp. jest znacznie bardziej ekonomiczna i bardziej dostępna technologicznie niż synteza chemiczna. Jednocześnie surowiec do biosyntezy jest z reguły prostszy i bardziej dostępny niż surowiec do innych rodzajów syntezy. Do biosyntezy wykorzystywane są odpady z rolnictwa, rybołówstwa, przemysłu spożywczego, surowce roślinne, drożdże, drewno, melasa itp.).
4. Możliwość przeprowadzenia procesu biotechnologicznego na skalę przemysłową, tj. dostępność odpowiedniego wyposażenia technologicznego, dostępność surowców, technologia przetwarzania itp.
Opis prezentacji Wprowadzenie do współczesnej biotechnologii BIOOBJECT „na slajdach nic nie ma
Wprowadzenie do współczesnej biotechnologii BIOOBJECT „nie ma nic bardziej praktycznego niż dobra teoria” autorstwa jednego z wielkich fizyków Plancka czy Einsteina. 2. miejsce pod względem atrakcyjności inwestycyjnej po informatyce
Biotechnologia (BT) to naukowy i praktyczny priorytet XXI wieku Technologie postgenomiczne: – genomika, proteomika, – bioinformatyka, metabolomika, nanobiotechnologia. Projekt antropogenomiczny — tworzenie paszportów genetycznych dla sportowców i innych pilotażowych grup populacji. projekty dotyczące bioróżnorodności, bezpieczeństwa biologicznego i biokatalizy Medical BT - tworzenie niezbędnych leków (hormony, cytokiny, biogeneryki, MATy terapeutyczne, szczepionki nowej generacji), - rozwój technologii komórek macierzystych. W rolnictwie rozwój upraw transgenicznych roślin i zwierząt. W żywności BT - rozwój funkcjonalnej, zbilansowanej diety, w tym osobny projekt dotyczący biotechnologii owoców morza. W środowiskowym BT - odtworzenie krajobrazów rolniczych i tworzenie przyjaznych dla środowiska budowli mieszkaniowych. Projekt Biochips to tworzenie oryginalnych biochipów do badań z zakresu genomiki i proteomiki oraz diagnostyki.
Termin Karl Ereki 1917 - (proces przemysłowego chowu trzody chlewnej z wykorzystaniem buraków cukrowych jako paszy). Biotechnologia to wszystkie rodzaje pracy, w których pewne produkty są wytwarzane z surowców przy pomocy żywych organizmów. opis procesów fermentacji przemysłowej, dziedzina zwana obecnie ergonomią. Biotechnologia to kierunek postępu naukowo-technicznego wykorzystujący procesy i czynniki biologiczne do celowego oddziaływania na przyrodę, a także w interesie przemysłowej produkcji produktów użytecznych dla człowieka, w tym leków.
Produkty biotechnologiczne 1. Szczepionki i surowice 2. Antybiotyki 3. Enzymy i antyenzymy 4. Hormony i ich antagoniści 5. Witaminy (B12) 6. Aminokwasy 7. Substytuty krwi 8. Alkaloidy 9. Immunomodulatory 10. Bioradioprotektory 11. Diagnostyki immunologiczne i biosensory
Historia biotechnologii I Okres empiryczny - ok. 6000 lat pne i do połowy XI wieku. odtwarzanie naturalnych procesów w sztucznych warunkach: wypiek chleba, wyprawianie skór, produkcja lnu, naturalnego jedwabiu, kiszenie pasz dla zwierząt, produkcja fermentowanych produktów mlecznych, serów, kiszonej kapusty, winiarstwo Browarnictwo metody biotechnologiczne Farmacja i medycyna: Trucizny zwierzęce i roślinne , żółci i innych biopłynów, nalewki z kory chinowca do łagodzenia napadów gorączki w malarii, hirudoterapii, apiterapii, opiatów i alkaloidów roślinnych, profilaktyki ospy poprzez zawartość krost cielęcych, chorych na krowiankę i wiele innych. inne w sercu współczesnej medycyny prewencyjnej i klinicznej.
II - Okres naukowy i praktyczny (1856 -1933) L. Pasteur - twórca mikrobiologii naukowej i jej dyscyplin (mikrobiologia przemysłowa, medyczna, chemiczna i sanitarna). - ustalił mikrobiologiczny charakter procesów fermentacyjnych; de Bari - twórca mikologii, podstawa współczesnych schematów klasyfikacji makro i mikromycetów. D. I. Ivanovsky - 1892 wirus mozaiki tytoniu, po odkryciu innych wirusów = wirusologia Najważniejsze osiągnięcia: udowodniono tożsamość gatunkową drobnoustrojów Mikroorganizmy izolowane w czystych kulturach i rozmnażane oraz hodowane na pożywkach w celu odtworzenia naturalnych procesów (fermentacja, utlenianie itp.) ) rozpoczęła produkcję odżywczych drożdży prasowanych.Otrzymano metabolity bakteryjne (aceton, butanol, kwas cytrynowy i mlekowy). powstały bioinstalacje do mikrobiologicznego oczyszczania ścieków.
III - Okres biotechniczny 1933 -1972 "Metody badania metabolizmu grzybów pleśniowych" (A. Kluiver, L. Kh. Ts. Perkin) początek biotechnologii przemysłowej: uwarunkowania. 2. metodologiczne podejścia do oceny i interpretacji wyników uzyskanych w głębokiej uprawie grzybów. 1939 -1945 powstanie i rozwój produkcji antybiotyków. Od 40 lat główne zadania projektowania, tworzenia i wdrażania w życie zostały rozwiązane sprzęt przemysłowy w tym bioreaktory.
IV - okres inżynierii molekularnej lub genetycznej 1972 - pierwsza rekombinowana cząsteczka DNA (P. Berg i in., USA). 1982 komercyjna genetycznie zmodyfikowana ludzka insulina. Inne leki modyfikowane genetycznie: - interferony, - czynnik martwicy nowotworów (TNF), - interleukina-2, - ludzki hormon wzrostu.
Główne kierunki biotechnologii Bioogniwa paliwowe przetwarzają energię chemiczną substratów na inne rodzaje energii, uzyskując źródła energii - biogaz, węglowodany. produkcja wodoru przy pomocy chemotrofów i sinic, alg, niektórych pierwotniaków Bioczujniki to bardzo czułe elementy sztuczne o charakterze biologicznym zdolne do rozpoznawania mikroilości substancji w każdym stanie skupienia. molekuły biologiczne oddziałują selektywnie z mikrocząstkami substancji chemicznych, których zmiany są rejestrowane i wizualizowane przez sprzęt elektroniczny. czujniki przyrządów analitycznych w przemyśle, rolnictwie, medycynie, ochronie środowiska do wykrywania węglowodanów, mocznika, mleczanu, kreatyniny, etanolu, aminokwasów i innych substancji. Technologia bioenergetyczna
Biotechnologia kosmiczna - Nieważkość - zmiana przebiegu procesów fizycznych i chemicznych: redukcja konwekcji, wykluczenie sedymentacji, siły napięcia powierzchniowego większe od grawitacyjnych, wykluczenie zjawisk przyściennych (procesy bez pojemników). łatwiej stworzyć warunki do krystalizacji białek czysta forma do różnych celów oraz do analizy dyfrakcji rentgenowskiej. łatwiej jest zamknąć komórki w półprzepuszczalnych błonach, takich jak komórki trzustki zwierzęcej, w celu późniejszego wszczepienia pacjentom z cukrzycą, gdzie będą one syntetyzować insulinę, otoczone komórki wątroby można wykorzystać do stworzenia sztucznych narządów do oczyszczania krwi.
Enzymologia inżynierska to wykorzystanie funkcji katalitycznych enzymów w stanie wyizolowanym lub jako część komórek w celu uzyskania różnorodnych produktów. Biogeotechnologia - wykorzystanie mikroorganizmów do wydobywania minerałów, produkcja metali ziem rzadkich, usuwanie metanu w kopalniach itp. Biotechnologia medyczna - tworzenie środków i/lub substancji do celów medycznych, produktów krwiopochodnych, przeszczepów i bioprotez. Biotechnologia leków - spośród ponad 1000 rodzajów leków co najmniej jedna trzecia jest produkowana lub może być produkowana biotechnologicznie. Immunobiotechnologia - produkcja szczepionek, immunoglobulin krwi, immunomodulatorów, przeciwciał monoklonalnych itp.
Możliwości 1. Trafna i wczesna diagnostyka, profilaktyka i leczenie chorób zakaźnych i genetycznych; 2. wzrost produktywności rolnictwa. uprawy poprzez tworzenie roślin odpornych na szkodniki, choroby i niekorzystne warunki środowiskowe; 3. tworzenie mikroorganizmów wytwarzających różne BAS (antybiotyki, polimery, aminokwasy, enzymy); 4. tworzenie ras zwierząt gospodarskich o ulepszonych cechach dziedzicznych; 5. przetwarzanie odpadów toksycznych - zanieczyszczenia środowiska - wpływ organizmów genetycznie modyfikowanych na inne organizmy lub środowisko; zmniejszenie naturalnej różnorodności genetycznej przy tworzeniu organizmów rekombinowanych; Zmiana genetycznej natury osoby za pomocą metod inżynierii genetycznej; naruszenie prawa człowieka do prywatności poprzez zastosowanie nowych metod diagnostycznych; dostępność leczenia tylko dla bogatych dla zysku; Przeszkody w swobodnej wymianie myśli między naukowcami w walce o priorytety Problemy
Związek technologii i żywych modyfikacji inżynierskich, biomolekuł z aktywnością informacyjną i funkcjonalną. Technologia to odtwarzanie naturalnych procesów w sztucznych warunkach. biokatalityczna biosynteza w żywych komórkach pro- i eukariontów. Produkcja przemysłowa Bioreaktor i systemy inżynierskie bioobiekt podtrzymujący życie - podstawa biotechnologii pochodzenia zwierzęcego: Człowiek (dawca) Ssaki, gady, ptaki, ryby, owady, bezkręgowce Mikroorganizmy: Eukarioty: pierwotniaki, grzyby, drożdże Prokariota: promieniowce, wirusy eubakterii, fagi pochodzenia roślinnego: Dzikie i rośliny uprawne Glony Hodowle komórkowe i tkankowe
Bioobiekty: sposoby ich tworzenia i ulepszania. 1. 1 Koncepcja „Bioobject” BO Bioobiekt jest centralnym i wymagany element produkcji biotechnologicznej, co decyduje o jej specyfice. Producent kompletna synteza docelowego produktu, w tym szereg kolejnych reakcji enzymatycznych Biokatalizator kataliza określonej reakcji (lub kaskady) enzymatycznej, która ma kluczowe znaczenie dla uzyskania docelowego produktu Według funkcji produkcyjnych:
Podejścia klasyfikacyjne: Obiekty makrobiologiczne pochodzenia zwierzęcego: Człowiek (dawca) Człowiek (obiekt immunizacji, dawca) Ssaki, gady, ptaki, ryby, owady, stawonogi, bezkręgowce morskie Bioobiekty pochodzenia roślinnego: Rośliny (dzikie i uprawiane na plantacjach) Glony Komórka roślinna i kultur tkankowych Bioobiekty – Mikroorganizmy: Eukarionty (pierwotniaki, grzyby, drożdże) Prokarionty (prokarionty, eubakterie) wirusy,
Bioobiekty 1) Makrocząsteczki: enzymy wszystkich klas (często hydrolazy i transferazy); – w tym w postaci immobilizowanej (związanej z nośnikiem) zapewniającej wielokrotne wykorzystanie i standaryzację powtarzalnych cykli produkcyjnych DNA i RNA – w postaci wyizolowanej, jako część komórek obcych 2) Mikroorganizmy: wirusy (o obniżonej zjadliwości są wykorzystywane do otrzymywania szczepionek); komórki prokariotyczne i eukariotyczne - producenci metabolitów pierwotnych: aminokwasów, zasad azotowych, koenzymów, mono- i disacharydów, enzymów do terapii zastępczej itp.); – producenci metabolitów wtórnych: antybiotyków, alkaloidów, hormonów steroidowych itp. normoflora – biomasa niektórych typów mikroorganizmów stosowana w profilaktyce i leczeniu dysbakteriozy patogenów chorób zakaźnych – źródła antygenów do produkcji szczepionek transgeniczne m/o lub komórki – producenci specyficznych gatunkowo hormonów białkowych dla człowieka, białkowych czynników odporności nieswoistej itp. 3) Makroorganizmy roślin wyższych – surowce do produkcji substancji biologicznie czynnych; Zwierzęta — ssaki, ptaki, gady, płazy, stawonogi, ryby, mięczaki, ludzie Organizmy transgeniczne
Cele doskonalenia BW: (w odniesieniu do produkcji) - wzrost tworzenia docelowego produktu; — zmniejszenie dokładności składników pożywek; - zmiana metabolizmu obiektu biologicznego, na przykład spadek lepkości płynu hodowlanego; – uzyskiwanie obiektów biologicznych odpornych na fagi; - Mutacje prowadzące do usunięcia genów kodujących enzymy. Wzrostu aktywności biosyntezy można się spodziewać: - jeśli mutacja doprowadziła do zduplikowania (podwojenia) genów strukturalnych wchodzących w skład systemu syntezy docelowego produktu; — jeśli mutacja doprowadziła do amplifikacji (zwielokrotnienia) genów strukturalnych wchodzących w skład docelowego systemu syntezy produktu; - jeśli kosztem różne rodzaje mutacje będą tłumić funkcje genów represorowych, które regulują syntezę docelowego produktu; - naruszenie systemu retroinhibicji; - poprzez zmianę (w wyniku mutacji) systemu transportu prekursorów docelowego produktu do komórki; - efekt samobójczy, czasem docelowy produkt, przy gwałtownym wzroście jego powstawania, negatywnie wpływa na żywotność własnego producenta (nierzadko niezbędnego do pozyskania superproducentów antybiotyków).
Sposoby doskonalenia BIOOBIEKTÓW Cel: zapewnienie nadsyntezy jednego z produktów przemiany materii Zadanie: zmiana układu regulacji metabolizmu Sposoby: - zmiana programu genetycznego - zmiana układów regulacyjnych przemiany materii. Spontaniczne zmiany natury genetycznej organizmu - wytwórcy opierają się na procesach rekombinacji materiału genetycznego in vivo (amplifikacja, koniugacja, transdukcja, transformacja itp.). Selekcja - ukierunkowana selekcja z naturalnych populacji wysoce produktywnych szczepów organizmów z nagłą zmianą genomu - "-" długoterminowa (mutacja interesującego genu powinna się podwoić 106-108 razy.) - "+" obiecująca dla oceny wpływu na obiekty czynników środowiskowych - jony metale ciężkie, kwasy, zasady itp. indukowane mutagenezą - pod działaniem szeregu związków chemicznych (hydroksyloaminy, nitrozoaminy, kwas azotawy, bromouracyl, 2-aminopuryna, czynniki alkilujące itp.), promieni rentgenowskich i ultrafioletowych. Wieloletnia selekcja szczepów-producentów penicyliny - 400-krotny wzrost aktywności właściwej a/b w pożywce hodowlanej Szczepy Eremotecium ashbyii, do 1,8 mg ryboflawiny w 1 ml pożywki oraz szczepy Brevibacterium ammoniegeny, do 1 g HSKo, otrzymano metodami mutagenezy i selekcji. A na 1 litr pożywki.
Mutacja to zmiana w pierwotnej strukturze DNA w określonym regionie, prowadząca do zmiany fenotypu CP. Zdolność biosyntetyczna obiektu biologicznego zmienia się w wyniku zmiany zestawu enzymów lub aktywności niektórych z nich. Mutacje są głównym źródłem zmienności organizmów, tworząc podstawę ewolucji.Wyodrębnienie docelowego produktu z „dzikiego” (organizmu naturalnego) jest ekonomicznie nieopłacalne lub technicznie trudne. Zmiana BO korzystna dla jego wykorzystania w produkcji, która jest dziedziczona, musi być spowodowana mutacją. W drugiej połowie XIXw. w przypadku mikroorganizmów odkryto inne źródło zmienności – transfer obcych genów – rodzaj „inżynierii genetycznej natury”. Mutacje: chromosomalno-jądrowy cytoplazmatyczny plazmid 1. 2. Ulepszanie obiektów biologicznych metodami mutagenezy i selekcji Mutacje samoistne są rzadkie, rozpiętość nasilenia objawów jest niewielka. Selekcja - selekcja naturalnych pożądanych odchyleń spowodowana mutagenezą indukowaną mutacjami: rozprzestrzenianie się mutantów pod względem nasilenia objawów jest większe. pojawiają się mutanty ze zmniejszoną zdolnością do rewersji, czyli ze stabilnie zmienioną cechą
Mutacje mogą być spowodowane przez: rearanżację replikonu (zmianę liczby i kolejności w nim genów); zmiany w obrębie pojedynczego genu. spontaniczne mutacje, które zachodzą w populacji komórek bez specjalnego wpływu na nią. W zależności od ciężkości prawie każdej cechy, komórki w populacji drobnoustrojów są serie wariacyjne. Większość komórek ma średnie nasilenie cechy. Odchylenia „+” i „-” od średniej występują w populacji rzadziej, im większe jest odchylenie w dowolnym kierunku. Seria wariacyjna
Fizykochemiczne mutageny - promienie ultrafioletowe; - nitrozometylomocznik; - promienie gamma; - nitrozoguanidyna; - promienie rentgenowskie; - barwniki akrydynowe; - niektóre substancje naturalne (DNA-tropic a/b nie stosowane klinicznie ze względu na toksyczność) Mechanizm działania mutagennego wynika z bezpośredniego oddziaływania na DNA (głównie na zasady azotowe DNA, co wyraża się w sieciowaniu, dimeryzacji, alkilowanie dimerów, interkalacja). częścią hodowlaną pracy jest selekcja i ocena mutacji.traktowana kultura jest rozpraszana na TPS i hodowane są pojedyncze kolonie (klony).pierwotna kolonia według różnych cech: mutanty, które potrzebują określonej witaminy lub aminokwasu; mutanty, syntetyzujące enzym rozkładający określony substrat; mutanty oporne na antybiotyki
Zmutowany genom podlega zmianom prowadzącym do utraty określonej cechy lub do pojawienia się nowej cechy. Charakter mutacji: — duplikacja (podwojenie) genów strukturalnych; — amplifikacja (namnażanie) genów strukturalnych; - usunięcie („wymazanie”), „utrata” części materiału genetycznego; - transpozycja (wstawienie fragmentu chromosomu w nowe miejsce); - odwrócenie (zmiana) kolejności genów w chromosomie; - Mutacje „punktowe”, zmiany tylko w obrębie jednego genu (na przykład delecja lub insercja jednej lub więcej zasad): - transwersja (gdy puryna jest zastąpiona pirymidyną); - przejście (zastąpienie jednej puryny inną puryną lub pirymidyny inną pirymidyną). Jednym z najbardziej błyskotliwych przykładów skuteczności mutagenezy, a następnie selekcji opartej na wzroście powstawania produktu docelowego, jest historia powstania współczesnych superproducentów penicyliny.
Problemy nadproducentów: współczesny przemysłowy BW jest superproducentem, który z reguły różni się od naturalnego szczepu pod kilkoma względami. wysoce produktywne szczepy są wyjątkowo niestabilne ze względu na fakt, że liczne sztuczne zmiany w genomie nie są związane z żywotnością. zmutowane szczepy wymagają stałego monitorowania podczas przechowywania: populację komórek wysiewa się na pożywkę stałą, a hodowle uzyskane z poszczególnych kolonii sprawdza się pod kątem produktywności. Revertanty - odrzuca się szczepy o obniżonej aktywności. Rewersja zachodzi w związku z odwrotnymi spontanicznymi mutacjami prowadzącymi do powrotu miejsca genomu do stanu naturalnego. Specjalne enzymatyczne systemy naprawcze biorą udział w powrocie do normy - w ewolucyjnym mechanizmie utrzymania stałości gatunku. W odniesieniu do roślin wyższych i zwierząt możliwości mutagenezy i selekcji w celu udoskonalenia są ograniczone, ale nie wykluczone. Szczególnie dla roślin tworzących metabolity wtórne.
1. 3. Udoskonalanie bioobiektów metodami inżynierii komórkowej Inżynieria komórkowa to „wymuszona” wymiana części chromosomów u prokariotów lub części, a nawet całych chromosomów u eukariontów. W efekcie powstają nienaturalne obiekty biologiczne, spośród których można wybrać producentów nowych substancji lub organizmów o praktycznie cennych właściwościach. Za pomocą inżynierii komórkowej możliwe jest uzyskanie międzygatunkowych i międzypokoleniowych kultur hybrydowych mikroorganizmów, a także komórek hybrydowych pomiędzy odległymi ewolucyjnie organizmami wielokomórkowymi.
Technika inżynierii komórkowej (na przykładzie mikroorganizmów prokariotycznych, z jednym chromosomem na komórkę) I. Otrzymywanie protoplasty (komórki prokariotyczne pozbawione ściany komórkowej) do wymiany fragmentów chromosomów. u prokariontów – eubakterii, promieniowców – ściana komórkowa zbudowana jest z peptydoglikanu (utrzymuje kształt komórki i chroni CPM przed różnicą ciśnień osmotycznych między otoczenie zewnętrzne i cytoplazmy) Lizozym rozszczepia łańcuchy polisacharydowe peptydoglikanu. Penicylina hamuje syntezę ściany komórkowej bakterii G, zaburzając równowagę między syntetazami i hydrolazami.Możliwe jest usunięcie ściany komórkowej i zachowanie integralności błony poprzez wyrównanie ciśnienia osmotycznego wewnątrz komórki iw środowisku. Komórki Protoplasty (J. Lederberg) traktuje się enzymem w pożywce „hipertonicznej” z 20% sacharozą lub mannitolem lub 10% Na. Cl w zależności od charakterystyki obiektu biologicznego i realizowanych celów. Transformację komórek w protoplasty monitoruje się za pomocą mikroskopii z kontrastem fazowym. U pleśni i drożdży ściana komórkowa składa się z chityny, glukanów, mannoprotein (każde potrzebuje własnego enzymu rozkładającego) - traktuje się je złożonymi preparatami enzymatycznymi - enzymem ślimaka (wyizolowanym z przewodu pokarmowego ślimaka winogronowego Helix pomatia).
II. Fuzja (fuzja) protoplastów z tworzeniem diploidów. Łączenie zawiesin dwóch próbek protoplastów należących do różnych szczepów (gatunków, rodzajów). Częstotliwość fuzji dwóch protoplastów inne pochodzenie, wzrasta po dodaniu do nich PEG (detergentu). U prokariotów powstałe protoplasty mają podwójny zestaw chromosomów (tj. Są to protoplasty z dwoma chromosomami), zachowują swoją integralność w środowisku hipertonicznym. III. Powstałe diploidy są inkubowane przez kilka godzin w celu „rozbicia” i ponownego połączenia okrągłych nici chromosomów w różnych wariantach.
IV. Zawiesinę protoplasty wysiewa się na TPS, podczas gdy część diploidów zamienia się w zdolne do reprodukcji komórki haploidalne, które tworzą odpowiednio kolonie. Są badane i wybierane są kultury o nowych, interesujących dla biotechnologa właściwościach. Przykładem może być produkcja antybiotyków „hybrydowych”: za pomocą inżynierii komórkowej uzyskano producentów takich antybiotyków, w których aglikon makrolidowy erytromycyny był związany z częścią węglowodanową odpowiadającą antracyklinom i odwrotnie, aglikon antracyklinowy z cukry charakterystyczne dla erytromycyny. Aby zapobiec przywróceniu pożądanych mutacji do pierwotnych parametrów: I sposób: traktowanie wariantów „plus” mutagenami i selekcja mutantów o zmniejszonej zdolności przywracania zmienionych odcinków DNA do normy. II sposób - inżynieria enzymologiczna: immobilizacja komórek "plus" - warianty, czyli związanie ich z nierozpuszczalnymi nośnikami i zastosowanie w produkcji bez uciekania się do ponownego wysiewu przez określony czas (od kilku tygodni do kilku miesięcy).
1. 4. Tworzenie obiektów biologicznych metodami inżynierii genetycznej 1. 4. 1. Charakterystyka ogólna. Inżynierię genetyczną można sobie wyobrazić jako połączenie fragmentów DNA pochodzenia naturalnego i syntetycznego lub połączenie in vitro z późniejszym wprowadzeniem powstałych zrekombinowanych struktur do żywej komórki, tak aby wprowadzony fragment DNA po włączeniu do chromosomu albo replikował lub wyraża się autonomicznie. W konsekwencji wprowadzony materiał genetyczny staje się częścią genomu komórki. Niezbędne elementy inżyniera genetycznego: a) materiał genetyczny (komórka gospodarza); B) urządzenie transportowe– wektor przenoszący materiał genetyczny do komórki; c) zestaw specyficznych enzymów – „narzędzi” inżynierii genetycznej. Zasady i metody inżynierii genetycznej zostały opracowane przede wszystkim na mikroorganizmach; bakterie – prokarioty i drożdże – eukarionty. Cel: uzyskanie rekombinowanych białek - rozwiązanie problemu niedoborów surowców.
Strategicznym celem inżynierii genetycznej jest stworzenie producenta z ludzkim genomem. potencjalny producent musi być: 1. Niepatogenny, a docelowy produkt genetycznie wyizolowany z CP nie może zawierać nawet śladowych ilości toksyn mikrobiologicznych. 2. DNA wektora obcego producentowi nie powinno być cięte przez endonukleazy komórki gospodarza. W tym przypadku rybosomy producenta-gospodarza muszą postrzegać i. RNA odpowiadające obcemu materiałowi. 3. Powstałe białko (produkt docelowy) obce producentowi-właścicielowi nie powinno być narażone na działanie systemów naprawczych hydrolizujących obce białka. 4. Pożądane jest usunięcie docelowego produktu z komórki do pożywki hodowlanej, aby ułatwić izolację i oczyszczanie. Przy wyborze mikroorganizmu produkującego obce białko (LP) należy: — jak najpełniej zbadać genom i szczegółowo przebadać metabolizm na poziomie gatunkowym w celu ustalenia patogeniczności (najlepiej jej braku); producent musi rozwijać się w warunkach produkcji na dużą skalę na wolnych od deficytów i ekonomicznie dostępnych podłożach. Inżynieria genetyczna pozwala: a) zminimalizować prawdopodobieństwo proteolizy obcych białek; b) zminimalizować hydrolizę ciał obcych i. RNA; c) „wykluczyć” obce geny z genomu.
Prace wstępne: - do genu kodującego białko docelowe dodaje się sekwencję nukleotydową kodującą tzw. sekwencja liderowa aminokwasów (głównie hydrofobowa). - syntetyzowany w komórce docelowy produkt z hydrofobową sekwencją liderową aminokwasów przechodzi przez warstwy lipidowe błony cytoplazmatycznej z komórki na zewnątrz. Aby to zrobić, błona komórki producenta musi zawierać „proteazę sygnałową”, która odcina sekwencję liderową aminokwasów od produktu genu, zanim zostanie on uwolniony do środowiska. - w celu wniknięcia wektora z obcym genem do komórki, przez otwory o małej średnicy w ścianie błony komórkowej, traktuje się go solami litu lub wapnia, w zależności od rodzaju mikroorganizmu. Komórki traktowane w ten sposób nazywane są kompetentnymi: są w stanie dostrzec informacje przenoszone przez wektor. -wektory stosowane w pracy z mikroorganizmami konstruowane są na bazie umiarkowanych fagów lub plazmidów. (Preferowane są plazmidy, ponieważ nie ma lizy komórek, która jest możliwa podczas pracy z fagami umiarkowanymi).
Podczas tworzenia nowego rekombinowanego producenta kluczowy punkt to wstawienie genu (grupy genów) do wektora, a dokładniej do DNA cząsteczki wektora, na przykład do plazmidu. Jest to możliwe, ponieważ istnieje duży zestaw endonukleaz o różnej specyficzności substratowej (enzymy restrykcyjne, od angielskiej restrykcji - cięcie). enzymy restrykcyjne różnicują się na: a) cięcie jednej z dwóch komplementarnych nici DNA; b) obcięcie obu nici jednocześnie. Interesujące w pierwszej turze są wysoce specyficzne enzymy restrykcyjne, które katalizują cięcie jednej nici w łańcuchu węglowodanowo-fosforanowym DNA, ponieważ obie nici mogą mieć tę samą sekwencję, druga nić jest również podzielona, ale cięcia są na odległość. Powstają sekcje jednoniciowe – „lepkie końce”. Inną metodą jest flankowanie genów syntetycznymi sekwencjami nukleotydowymi, czyli otrzymywanie lepkich końców o określonej kolejności nukleotydów metodami chemii bioorganicznej.
Etap 1 - „wygrzewanie”, gen (lub klaster genów) zintegrowany z wektorem jest początkowo w nim zatrzymywany dzięki wiązaniom wodorowym między komplementarnymi lepkimi końcami. Etap 2 - utrwalenie genu wiązaniami kowalencyjnymi za pomocą ligaz (sieciowanie), zamknięcie luki w szkielecie węglowodanowo-fosforanowym DNA. Etap 3 - wprowadzenie wektora z trwale utrwalonym genem do komórki gospodarza. Etap 4 - wysiewanie na TPS, zawiesiny transformowanych komórek. Etap 5 - wykrycie kultury syntetyzującej docelowy produkt, w tym celu stosuje się metodę wstępnej selekcji klonów zawierających wektor za pomocą „genu markerowego”, który jest wstawiany do wektora Geny prokariotyczne - gen strukturalny - DNA , przepisany na i. RNA, który w kolejności ułożenia kodonów odzwierciedla sekwencję aminokwasową białka. Geny eukariotyczne są dyskretne i zawierają naprzemienne eksony i introny, które są przepisywane. Pojawienie się dojrzałych i. RNA, który staje się składnikiem układu macierzy rybosomalnej - splicingu, poprzez wyrzucanie intronów z pierwotnego transkryptu i „dokowanie” eksonów jeden z drugim. Białko ludzkie w komórkach prokariotycznych (ponieważ prokarioty nie mają splicingu), dojrzałe i musi zostać przepisane. RNA ludzkiego genu przy użyciu enzymu odwrotnej transkryptazy na DNA, wówczas taki skrócony DNA (bez intronów) można wykorzystać do włączenia do wektora.
1) Insulina jest pozbawiona wad zwierzęcych, ponieważ sekwencja aminokwasowa obu łańcuchów jest kodowana przez ludzkie geny. W produkcji rekombinowanej insuliny dwie zasadniczo ze sobą konkurują różne technologie: - wprowadza się plazmid kodujący proinsulinę do komórek producenta-gospodarza (łańcuchy A do peptydu C, łańcuchy B, a następnie do peptydu liderowego i regionu promotora). Następnie peptyd C jest odcinany. - oddzielne otrzymywanie łańcucha A i łańcucha B w dwóch hodowlach drobnoustrojów, które następnie łączy się. 2) Hormon wzrostu (somatotropina) – niezbędny do wzrostu kości. Trwają prace nad zwiększeniem selektywności hormonu wzrostu (zmniejszenie jego wiązania z receptorem prolaktyny). 3) Erytropoetyna - specyficzna gatunkowo glikoproteina niezbędna do różnicowania komórek erytrocytoidalnych, powstaje w nerkach. Ludzki gen erytropoetyny jest wstawiany do jaj chomika chińskiego, gdzie następuje glikozylacja białka (producentem jest kultura jednowarstwowa). 4) Peptydowe tkankowe czynniki wzrostu - (hormony powstające poza GVS) - liczne bioregulatory są specyficzne tkankowo i gatunkowo. 5) Rekombinowane białkowe czynniki odporności wrodzonej: Interferony są czynnikami odporności wrodzonej wytwarzanymi przez komórki zakażone wirusami. Indukują miejscowe i ogólnoustrojowe reakcje przeciwwirusowe w innych komórkach i są stosowane jako leki przeciwwirusowe. 1. 4. 2. Białka rekombinowane jako leki
KLASYFIKACJA PRODUKTÓW BIOTECHNOLOGICZNYCH Rodzaje produktów otrzymywanych metodami BT: - komórki nienaruszone - organizmy jednokomórkowe służą do pozyskiwania biomasy - komórki (w tym unieruchomione) do biotransformacji. Biotransformacja - reakcje przemiany wyjściowych związków organicznych (prekursorów) w produkt docelowy przy użyciu komórek organizmów żywych lub wyizolowanych z nich enzymów. (produkcja am-to-t, a/b, sterydów itp.) niskocząsteczkowe produkty metabolizmu żywych komórek: - Podstawowe metabolity są niezbędne do wzrostu komórek. (jednostki strukturalne biopolimerów – aminokwasy, nukleotydy, monosacharydy, witaminy, koenzymy, kwasy organiczne) – Metabolity wtórne (a/b, pigmenty, toksyny) – NMS, które nie są niezbędne do przeżycia komórki i powstają pod koniec ich fazy wzrost. Dynamika przemian biomasy i powstawanie metabolitów pierwotnych (A) i wtórnych (B) w procesie wzrostu organizmu: 1 - biomasa; 2 - produkt
36 Składniki produkcji biotechnologicznej Główne cechy produkcji BT: 1. dwóch aktywnych i powiązanych ze sobą przedstawicieli środków produkcji – bioobiekt i „fermentator”; 2. im wyższa szybkość funkcjonowania obiektu biologicznego, tym wyższe wymagania dotyczące sprzętowego projektowania procesów; 3. Optymalizacji podlega zarówno bioobiekt, jak i urządzenia produkcji biotechnologicznej. Cele wdrażania biotechnologii: 1. główny etap wytwarzania leków - uzyskiwanie biomasy (surowce, leki); 2. jeden lub więcej etapów wytwarzania leku (w ramach syntezy chemicznej lub biologicznej) - biotransformacja, rozdział racematów itp.; 3. pełny proces wytwarzania leku – funkcjonowanie obiektu biologicznego na wszystkich etapach powstawania leku. Warunki wdrożenia biotechnologii do wytwarzania produktów leczniczych 1. Genetycznie uwarunkowana zdolność bioobiektu do syntezy lub specyficznej przemiany związanej z wytwarzaniem substancji biologicznie czynnych lub leków; 2. Zabezpieczenie bioobiektu w systemie biotechnologicznym przed czynnikami wewnętrznymi i zewnętrznymi; 3. Zaopatrywanie bioobiektów funkcjonujących w systemach biotechnologicznych w tworzywa sztuczne i materiały energetyczne w ilościach i kolejności gwarantującej wymagany kierunek i szybkość biotransformacji.
W każdym z wariantów postawionego celu operują one wzajemnie powiązanymi przepływami: 1. informacyjnym 2. energetycznym 3. technologicznym W biotechnologiach tradycyjnych - wykorzystujących tkanki makroobiektów, dwa ostatnie przepływy są procesami spontanicznymi. We współczesnych biotechnologiach, w celu przyspieszenia dojrzewania kultur merystemów i skrócenia pośrednich etapów syntezy, znacznie unowocześnia się przepływy technologiczne i energetyczne. - obiekty biologiczne: dobór producentów, doskonalenie inżynierii genetycznej, przejście do immobilizacji, supersyntezy itp. - komplikacje urządzeń zapewniających energetyczne i plastyczne wsparcie dla pierwiastkowej bazy procesu biotechnologicznego.
Etapy produkcji BT 1. Przygotowanie surowców (pożywki) substratu o pożądanych właściwościach (pH, temperatura, stężenie) 2. Przygotowanie obiektu biologicznego: kultury posiewowej lub enzymu (w tym unieruchomionego). 3. Biosynteza, biotransformacja (fermentacja) - powstanie produktu docelowego w wyniku biologicznego przekształcenia składników pożywki w biomasę, a następnie w razie potrzeby w metabolit docelowy. 4. Izolacja i oczyszczanie docelowego produktu. 5. Uzyskanie postaci towarowej produktu 6. Przetwarzanie i unieszkodliwianie odpadów (biomasa, płyn hodowlany itp.) Główne rodzaje procesów biotechnologicznych Biopodobne Produkcja metabolitów - chemicznych produktów aktywności metabolicznej, pierwszorzędowych - aminokwasów, wtórnych polisacharydów - alkaloidów , steroidy, antybiotyki Konwersje wielosubstratowe (oczyszczanie ścieków, unieszkodliwianie odpadów lignocelulozowych) Konwersje jednosubstratowe (konwersja glukozy do fruktozy, D-sorbitolu do L-sorbozy w produkcji wit. C) Biochemiczna produkcja składników komórkowych (enzymów , kwasy nukleinowe) Biologiczne Produkcja biomasy (białka jednokomórkowego)
Metody fermentacji Głębokość fermentacji Partia Powierzchnia fazy stałej Ciągłe Komórki Zawieszone komórki Komórki unieruchomione Enzymy Unieruchomione enzymy Enzymy w roztworze
objętościowo: - laboratoryjne 0,5 -100 l, - pilotażowe 100 l -10 m 3, - przemysłowe 10 - 100 m 3 i więcej. kryteria wyboru fermentora: - wymiana ciepła, - tempo wzrostu pojedynczej komórki, - rodzaj oddychania obiektu biologicznego, - sposób transportu i przemiany substratu w komórce, - czas reprodukcji pojedynczej komórki. Projektowanie sprzętu procesu biotechnologicznego - fermentory:
Biostat A plus to autoklawowalny fermentor z wymiennymi naczyniami (objętość robocza 1, 2 i 5 l) do hodowli mikroorganizmów i hodowli komórkowych, w pełni skalowalny do dużych objętości. Pojedyncza obudowa ze zintegrowaną aparaturą kontrolno-pomiarową, pompami, systemem kontroli temperatury, zasilaniem gazem i silnikiem zainstalowany Windows kompatybilne oprogramowanie MFCS/DA do kontroli i dokumentowania procesów fermentacji Laboratorium (schemat)
biosynteza w ujęciu ogólnym: producent — bioobiekt mikropoziomu technologia ogólna w proponowanych warunkach: operacje pomocnicze operacje główne
Porównując struktury produkcji różnych kierunków (w oparciu o zadania), elementy pierwszego etapu są wszędzie takie same: bioobiekt, bioreaktor, systemy aseptyczne, - dostawa tworzywa sztucznego i materiału energetycznego, - separacja produktów fermentacji itp. Główne różnice na drugim etapie hierarchii – oczyszczanie produktu docelowego – usuwanie produktów ubocznych, zwłaszcza na poziomie organizacji podsystemów pomocniczych (kontrola jakości). Hierarchia procesów biotechnologicznych Pierwszym krokiem są bioobiekty w połączeniu z kontrolowanymi bioreaktorami. Drugi etap to połączenie powiązanych ze sobą procesów technologicznych i aparatury w jeden łańcuch technologiczny (warsztat). Trzeci etap to zakład pilotażowy lub przedsięwzięcie pełnego cyklu, czyli podsystemy główne i pomocnicze (ogólnoinżynieryjne).
1. Czynności pomocnicze: 1. 1. Przygotowanie nasion (inokulum): inokulacja probówek, wytrząsarek (1-3 dni), inokulatora (2-3% 2-3 dni), siewnika (2-3 dni) . Krzywe wzrostu kinetycznego 1. okres indukcji (faza zastoju) 2. faza wzrostu wykładniczego (akumulacja biomasy i produktów biosyntezy) d. N / dt = N (N - liczba komórek, t - czas, - współczynnik proporcjonalności (szybkość wzrostu właściwego) 3. liniowa faza wzrostu (jednolity wzrost kultury) 4. faza powolnego wzrostu 5. faza stacjonarna (stałość żywotnych osobników 6 Faza dojrzewania hodowli (zasychanie) N t 1 2 3 4 5 61. 2. Przygotowanie pożywki dobór i wykonanie receptury pożywki, sterylizacja gwarantująca zachowanie składników plastycznych i energetycznych w pierwotnej ilości i jakości O, C , N, P, H - pierwiastki niezbędne w metabolizmie energetycznym i syntezie struktur komórkowych.
Zawartość składników pokarmowych w różnych obiektach biologicznych, w % Mikroorganizmy pierwiastek węgiel i azot fosfor tlen wodór bakterie 50,4 12,3 4,0 30,5 6,8 drożdże 47,8 10,4 4,5 31, 1 6, 5 grzyby 47, 9 5, 2 3, 5 40, 4 6, 7 pierwiastki chemiczne pozwala na dokonanie opisu dla każdego obiektu biologicznego w postaci wyrażenia: W drożdżach = C 3,92 x. wys. 6,5x. Około 1,94 x N 0,7 x. P 0,14 (współczynniki liczbowe otrzymuje się dzieląc udział masowy pierwiastka w biomasie przez masę atomową tego pierwiastka) Istnieje ilościowy wzór wpływu stężenia pierwiastków pożywki na tempo wzrostu biomasy, jak a także wzajemny wpływ tych samych pierwiastków na właściwe tempo wzrostu bioobiektów CDN/d. T 1 2 3 C to stężenie składnika ograniczającego DN / d. T to tempo wzrostu mikroorganizmów. 1 - region ograniczenia, 2 - region optymalnego wzrostu, 3 - region zahamowania. Wpływ dowolnego ze składników wyraża się graficznie iw postaci równania: (c) \u003d b x C / (K s + C) Równanie Monoda. jest współczynnikiem proporcjonalności, c jest stężeniem zużywalnego składnika pożywki, b jest graniczną maksymalną właściwą szybkością wzrostu bioobiektu, Ks jest stałą powinowactwa substratu do bioobiektu.
1. 3. Sterylizacja pożywki, konieczne jest całkowite wyeliminowanie zanieczyszczającej flory i zachowanie biologicznej przydatności podłoży częściej poprzez autoklawowanie, rzadziej oddziaływanie chemiczne i fizyczne. Skuteczność wybranego trybu sterylizacji jest oceniana poprzez pomnożenie stałej szybkości śmierci mikroorganizmów (pobranej ze specjalnych tabel) przez czas trwania sterylizacji. Kontrolę sterylizacji przeprowadza się przy użyciu hodowli testowej Bacillus stearothermophilus szczep 1518, uważa się, że absolutną sterylność osiąga się przy kryterium sterylizacji 80. W obecności składników termolabilnych dąży się do skrócenia czasu obróbki, gdy temperatura wzrasta powyżej 140°C, zmianę labilności można uzyskać np. przesuwając p. H dla glukozy 3, 0 dla sacharozy 8, 0. 1. 4. Przygotowanie fermentora Sterylizacja sprzętu świeżą parą. Uszczelnienie z specjalna uwaga do „słabych” punktów złączki ślepe o małej średnicy, złączki czujników aparatury kontrolno-pomiarowej. Wyboru fermentora dokonuje się biorąc pod uwagę kryteria oddychania obiektu biologicznego, wymiany ciepła, transportu i przemiany substratu w komórce, tempa wzrostu pojedynczej komórki, czasu jej reprodukcji itp.
2. Główne operacje: 2. 1. Etap biosyntezy, w którym możliwości bioobiektu są maksymalnie wykorzystane do uzyskania produktu leczniczego (akumulowanego wewnątrz komórki lub wydzielanego do pożywki hodowlanej). 2. 2. Etap koncentracji, jednocześnie przeznaczony do usuwania balastu. 2. 3. Etap oczyszczania, który polega na zwiększeniu specyficznej aktywności produktu leczniczego poprzez powtarzanie tego samego rodzaju operacji lub zastosowanie zestawu różnych metod preparatywnych (ultrafiltracja, ekstrakcja, sorpcja, krystalizacja itp.). 2. 4. Etap uzyskiwania produktu końcowego (substancji lub gotowej postaci użytkowej) wraz z kolejnymi operacjami napełniania i pakowania.
Pożywka Separacja Ciecz hodowlana Komórki Stężenie. Izolacja i oczyszczanie metabolitów Dezintegracja martwych komórek Biomasa martwych komórek Stabilizacja produktu. Biomasa żywych komórek Odwodnienie. Stabilizacja produktu Zastosowanie Przechowywanie Żywy produkt. Produkt suchy Produkt żywy. Produkt suchy Hodowla (fermentacja) Przygotowanie inokulum Schemat produkcji biotechnologicznej
Antropogeniczny wpływ na biosferę jest integralną częścią rozwoju cywilizacji. Oranie ziemi, wylesianie, „deptanie” stepów nieustannie towarzyszy historii ludzkości. Należy przypomnieć o niszczeniu niektórych gatunków zwierząt i roślin oraz o przesiedlaniu niektórych gatunków z ich rodzimych siedlisk.
W związku ze szczególną aktualnością problemu wpływu przemysłu na biosferę zastanówmy się, jak pod tym względem wygląda produkcja biotechnologiczna. Przede wszystkim jest naukochłonna i w porównaniu z produkcją chemiczno-technologiczną bardziej wydajna, ponieważ komórka producenta (bioobiektu) jest „zrównoważonym kompleksem biokatalizatorów”, który pracuje wydajniej niż układy sekwencyjnego reakcje chemiczne z katalizatorami nieorganicznymi.
Zużycie surowców energetycznych i wody przez przemysł biotechnologiczny to ułamek procenta zużycia przez współczesny przemysł chemiczny. Emisja odpadów gazowych z przedsiębiorstw biotechnologicznych do atmosfery nie przekracza nawet jednej dziesiątej procenta emisji z całego przemysłu. Jest to produkcja biotechnologiczna, która jest najbardziej akceptowalna w nowoczesnych warunkach, jednak ma również specyficzne problemy środowiskowe i odpowiednio jest ulepszana w następujących kierunkach:
Stworzenie i wykorzystanie bardziej aktywnych biologicznych obiektów-producentów (w rezultacie na jednostkę produkcji będzie mniej odpadów!);
Wymiana pożywek i odczynników na mniej deficytowe;
Immobilizacja obiektów biologicznych (zarówno komórek, jak i enzymów), ich wielokrotne wykorzystanie w celu zmniejszenia ilości odpadów;
Wdrożenie technologii membranowej na etapie izolacji i oczyszczania docelowego produktu (zmniejszenie ilości stosowanych rozpuszczalników organicznych w celu uniknięcia agresywnych warunków na niektórych etapach procesu produkcyjnego);
Zgodność z zasadami GMP.
Rozważmy pokrótce problemy związane z eliminacją (utylizacją) lub przetwarzaniem odpadów przemysłowych tradycyjnego przedsiębiorstwa biotechnologicznego.
stałe odpady. Przede wszystkim zalicza się do nich grzybnię (biomasę) producenta po jej oddzieleniu od płynu hodowlanego i produktu docelowego. Ilość grzybni, z którą trzeba się uporać, można zwizualizować na podstawie faktu, że objętość wypływu z fermentora przemysłowego wynosi 50-100 m3 gęstej, lepkiej (ze względu na obecność grzybni) cieczy. Biorąc pod uwagę, że przedsiębiorstwo posiada kilka fermentorów, a cykl fermentacji trwa około tygodnia, można stwierdzić, że tego typu odpady stałe w jednym (dużym) przedsiębiorstwie wynoszą setki ton rocznie. Należy wziąć pod uwagę, że grzybnia zawiera również szczątkowe ilości docelowego produktu, a są to z reguły substancje biologicznie wysoce aktywne.
Obecnie odpady stałe są eliminowane przez przetwarzanie grzybni. Jest mieszany z glebą i umieszczany w dołach z betonowymi podłożami. Każdy taki otwór pozostaje zamknięty
przez kilka lat. W tym czasie mikroorganizmy glebowe są poddawane działaniu materia organiczna grzybni do rozszczepienia enzymatycznego, wykorzystując je do budowy „swojej” biomasy. W rzeczywistości tworzy się kompost, podczas gdy organiczna część grzybni rozkłada się. podłoże betonowe w tego rodzaju doły kompostowe» jest niezbędny, aby zapobiec przedostawaniu się nierozłożonych jeszcze rozpuszczalnych substancji organicznych grzybni do zbiorników wód gruntowych i wód opadowych. Zwykle na terenie przedsiębiorstwa przydzielane są specjalne obszary na doły kompostowe. Należy zauważyć, że wywóz wysuszonej grzybni (jej masa zmniejsza się o 10-100 razy w porównaniu z oryginałem) na wysypiska miejskie jest zabroniony.
Próby wykorzystania grzybni do różnych celów na ogół jeszcze się nie powiodły, ale technologia niskoodpadowa została już stworzona w warunkach laboratoryjnych. Całkowitą frakcję lipidową ekstrahowano z grzybni promieniowca producenta tetracykliny i wykorzystano jako odpieniacz w następnym cyklu produkcyjnym w produkcji tetracykliny utworzonej przez producenta należącej do tego samego szczepu. W niektórych przypadkach (przy ograniczonych pastwiskach) sterylizowana i zmielona biomasa niektórych mikroorganizmów jest stosowana jako dodatek do pasz dla zwierząt gospodarskich. Grzybnia grzybów i promieniowców (odpad przy produkcji antybiotyków) poprawia jakość niektórych materiałów budowlanych (płyty gliniane, cegły itp.), zwiększając ich wytrzymałość. Jednak ze względów ekonomicznych produkcja tych materiałów jest niepraktyczna.
Odpady płynne. W W przypadku produkcji biotechnologicznej odpadami płynnymi są ścieki i płyn odpadowy, głównie jest to płyn hodowlany po oddzieleniu od niego grzybni i ekstrakcji docelowego produktu. Całkowita roczna objętość płynu hodowlanego, który musi zostać oczyszczony, wynosi dla jednego przedsiębiorstwa dziesiątki tysięcy metrów sześciennych. Stopień oczyszczenia, kontrolowany różnymi metodami, musi być taki, aby oczyszczona ciecz mogła być odprowadzana do otwartych zbiorników wodnych.
Istnieją różne schematy czyszczenia. W prawie wszystkich z nich kluczową rolę odgrywają mikroorganizmy (oczyszczanie biologiczne). Przedstawiamy jeden z takich schematów. Pierwszym elementem systemu oczyszczania jest żelbetowa studzienka, do której wpływa zużyty płyn hodowlany. Na dnie studzienki układane są rury, przez które odsysany jest osad. Na tym etapie z płynu hodowlanego usuwa się około 40% zanieczyszczeń.
Następna sekcja systemu oczyszczania składa się z jednego lub kilku rozmieszczonych jeden za drugim aerotanków - zbiorników z rurami przechodzącymi wzdłuż dna, z których wydostaje się powietrze w postaci pęcherzyków, przechodząc przez całą grubość cieczy, w wyniku czego jest nasycony tlenem. Powietrze przyczynia się do intensywnego przebiegu procesów oksydacyjnych. Kluczową cechą aerotanku jest obecność w nim tzw. „osadu czynnego” (sztuczna biocenoza – zbiorowisko mikroorganizmów utleniających substancje organiczne rozpuszczone w cieczy do CO 2 i H 2 O), który stopniowo powstaje podczas działanie przedsiębiorstwa.
Skład gatunkowy biocenozy osadu czynnego w różnych zakładach może się nieznacznie różnić, ponieważ ten ostatni zależy od utlenionych substratów. Z reguły dominują w niej przedstawiciele rodzaju Pseudomonas (70%). Za nimi plasują się mikroorganizmy zrzeszone w rodzaju Bacterium (20%). Pozostałe 10% to przedstawiciele rodzajów Bacillus, Sarcina i innych mikroorganizmów. Charakteryzując osad czynny jako biocenozę lub jako ponadorganizmowe zbiorowisko międzygatunkowe w odniesieniu do oczyszczania ścieków z produkcji biotechnologicznej należy zwrócić uwagę na trzy istotne okoliczności.
Po pierwsze, zasadniczą rolę odgrywają tutaj szczepy z rodzaju Pseudomonas. Jednak tego rodzaju nie należy sprowadzać do Pseudomonas acruginosa, znanego czynnika sprawczego niebezpiecznych infekcji ran. W warunkach naturalnych rodzaj Pseudomonas jest reprezentowany przez dużą liczbę gatunków, które nie są niebezpieczne dla człowieka. W skład osadu czynnego wchodzą szczepy niepatogenne. Mikroorganizmy te charakteryzują się szeroką gamą enzymów utleniających. Preparaty składające się z komórek Pseudomonas znajdują zastosowanie w likwidacji zanieczyszczeń spowodowanych wyciekami ropy. Mówiąc obrazowo, egzotyczne substraty, takie jak pierścieniowe węglowodory, również ulegają utlenianiu. Ponadto otoczka saprofitycznych gatunków Pseudomonas wchodzących w skład osadu czynnego ma swoje własne cechy na poziomie kanałów porynowych, które ułatwiają dostęp substratów do enzymów oksydacyjnych.
Po drugie, przekształcenie niektórych substratów w CO 2 i H 2 O odbywa się dzięki sekwencyjnemu działaniu na nie enzymów różnych mikroorganizmów. Innymi słowy, jeden układ enzymatyczny przekształca określony związek w półprodukty, podczas gdy inny katalizuje dalszą degradację tych półproduktów. Podkreśla to, że osad czynny funkcjonuje jako kompleks mikroorganizmów.
Po trzecie, należy pamiętać, że ścieki niektórych gałęzi przemysłu (w szczególności przedsiębiorstw przemysłu antybiotykowego) mogą zawierać pozostałości substancji przeciwdrobnoustrojowych. Oznacza to, że mikroorganizmy w aerotankach mają z nimi stały kontakt, tj. tworzone są warunki do selekcji form odpornych. Ale zdarzają się przypadki, gdy stężenie substancji przeciwdrobnoustrojowych w oczyszczanych ściekach płynnych może być niezwykle wysokie i powodować śmierć komórek osadu czynnego.
Wymaga to kontroli stanu osadu czynnego. Po odcinku z aerozbiornikiem lub kilkoma kolejno rozmieszczonymi aerozbiornikami i osadnikiem wtórnym fundamentalne znaczenie dla systemu ścieków ma „oczyszczalnia”. W nim płyn hodowlany, w którym pozostaje około 10% pierwotnej zawartości substancji organicznych (z reguły są to substancje trudno utleniające się), przepuszczany jest przez biofiltry - błony z unieruchomionymi komórkami mikroorganizmów o najwyższym utlenieniu działalność. Dość często komórki te należą do genetycznie modyfikowanych szczepów zawierających plazmidy niosące geny enzymów oksydacyjnych (enzymów niszczących). Tak celowo pozyskane „szczepy destrukcyjne” są zdolne do utleniania substancji trudnych do utlenienia i niszczenia pozostałych 10% zanieczyszczeń w uzdatnianej cieczy.
Immobilizacja komórek takich szczepów w biofilmach jest racjonalna z uwagi na fakt, że podczas swobodnego namnażania się tych komórek sztucznie podwyższona aktywność oksydacyjna może zostać utracona w wyniku mutacji wstecznych lub utraty plazmidów. W tym przypadku inżynieria genetyczna i inżynieria enzymologiczna wydają się być „połączone” w „bloku pozabiegowym”. Wtórnie oczyszczona ciecz spełniająca oficjalne kryteria wody pitnej (jedną z przyjętych metod kontrolowania toksyczności w tym przypadku jest tłumienie żywotności mikroskopijnych
skorupiaki Daphnia magna), są chlorowane, a następnie przedostają się do otwartych zbiorników wodnych.
Jeśli chodzi o działanie biologicznych systemów oczyszczania ścieków w różnych trybach, należy zauważyć, że przy maksymalnych („szokowych”) obciążeniach mogą pojawić się różne trudności. Podczas takich okresów pracy do aerotanków wprowadzane są wysoce aktywne szczepy destruktorów („startery bakteryjne”), co pozwala na znaczne zwiększenie przepustowości instalacji oczyszczania ścieków. W tym celu zalecane są specjalne preparaty dla przedsiębiorstw biotechnologicznych o różnych profilach: "Phenobac" - do utylizacji węglowodorów, "Thermobac" - do utleniania polisacharydów, "Polibac" - do uwalniania z syntetycznych detergentów itp. Przybliżona dawka „startera bakteryjnego” z żywych komórek wynosi około 100 mg na 1 m 3 płynu odpadowego.
Podsumowując, zwracamy uwagę na możliwą różnorodność schematów biologicznego wykorzystania odpadów płynnych. Tak więc, oprócz leczenia tlenowego, schemat może obejmować: etap oczyszczania beztlenowego, etapy z wykorzystaniem sorbentów (węgiel aktywny, zeolity itp.), Etapy z wykorzystaniem metod elektrochemicznych (na przykład elektrokoagulacja).
Odpady gazowe. Emisje gazowe są oczyszczane ze związków organicznych w temperaturach od 300 do 1000 °C w kolumnach z katalizatorami nieorganicznymi. W tym przypadku lotne "substancje organiczne" zamieniają się w CO 2 . W niektórych przypadkach stosuje się filtry biologiczne oparte na mikroorganizmach, które utleniają substancje organiczne do CO 2 .