Definice biotechnologie Biotechnologie je integrace přírodních a inženýrských věd za účelem dosáhnout aplikace organismů, buněk, jejich částí a molekulárních analogů na produkty a služby. Eur. Fed. Biotechnol., 1992
Zdroj: Vardar-Sukan. F., & Sukan, S. (1992). Recent Advances in Biotechnology (Biotechnology is the application of scientific and engineering principles to the processing of materials by biological agents to provide goods and services).
Biochemická technologie (ne zcela přesně biotechnologie) je věda o zákonitostech, metodách a procesech biochemického zpracování surovin na produkty spotřeby, služby nebo polotovary na další zpracování. Procesy jsou realizovány živými buňkami, jejich složkami nebo katalyticky aktivními produkty v umělém materiálním prostředí (obvykle biochemický reaktor). Je to zároveň využití vědy v technologickém procesu stejně jako tento proces sám. Haľama, 1983
The application of science and engineering to the direct or indirect use of living organisms, or parts or products of living organisms, in their natural or modified forms. http://www.i-bio.gov.uk/UkBioportal/Beginners/html/biotechnology.html
The broad definition of biotechnology is simply the industrial use of living organisms (or parts of living organisms) to produce foods, drugs, or other products. The oldest biotechnologies include fermentation and plant and animal hybridization. The newest biotechnologies range from protein separation technologies to genomics and combinational chemistry. A sampler of fields that fall under biotechnology's broad umbrella would include: bacteriology biochemical engineering bioinformatics bioprocessing cell biology chromatography
computational & mathematical modeling developmental and molecular genetics DNA technologies electrophoresis embryology
immunology materials science microbiology nucleic acid chemistry protein engineering virology
Nature Biotechnology 1999 Media Kit: http://biotech.nature.com
Jeden z příkladů od „genetiků-fundamentalistů“: Biotechnolgy is the use of the science of genetics: alteration of genetic code by artificial means, and is therefore different from traditional selective breeding. http://www.globalchange.com/books/Genes4.htm)
Biotechnology is the industrial use of living organisms or biological techniques developed through basic research. Biotechnology products include antibiotics, insuline, interferon, recombinant DNA, and techniques such as: genetic engineering, cell culture, tissue culture, bioprocessing, protein engineering, monoclonal antibody production and biosensor technology. Much older forms of biotechnology include breadmaking, cheesemaking and brewing wine and beer (http://www.ncbiotech.org/genetic)
Biotechnology is a collection of scientific techniques that use living cells and their molecules to make products or solve problems.
Bioinženýrství (biochemické inženýrství) – biotechnologické operace a procesy
Mikrobiální technologie, enzymové inženýrství…
KATEGORIE METABOLISMU
Znak
termíny od r. 1946
tradice
Zdroj energie živý organismus
paratrofie
nitrobuněčný parazitismus
chemická reakce
chemotrofie
fotochemická reakce
fototrofie
fotosyntéza
anorganický
litotrofie
chemosyntéza fotosyntéza
organický
organotrofie
heterotrofie
Donor elektronu
Zdroj uhlíku pro stavbu buněk CO2
autotrofie
autotrofie
organické látky
heterotrofie
heterotrofie
ATP monomery
syntéza polymerů
O2 přenos elektronů fosforylace [H] ATP HHmmmmm ATP CO2
H2O
syntéza polymerů
přeměna jednoduch. molekul
monomery
[CH2O]n
anorg. e-
O2
přenos elektronů fosforylace
H2O
NADH ATP CO2
Calvin. c.
přeměna jednod. molekul
syntéza polymerů
monomery
I λ > 685 nm
[H] NADH CO2
H2O
II λ < 685 nm
HOH
[OH]
O2
přenos elektronů fosforylace
Calvin ATP přeměna jednod. molekul
syntéza polymerů
monomery
Tradiční a moderní biotechnologie Etapy vývoje biotechnologie. Pivo, víno, ocet (a další kvasné potravinářské produkty)… Organické kyseliny… Antibiotika Insulin, interferon, vakcíny, vitaminy a další léčiva, technické enzymy, (bio)těžba kovů, monoklonální protilátky … Environmentální biotechnologie – likvidace organických a anorganických kontaminací. Terapeutické klonování, přenos jader a produkce embryonálních kmenových buněk.
Suroviny v pivovarnictví… Humulony H3C H3C
OH CH . CH2
C
O
R = -CH2 . CH(CH3)2
O C
R
CH2 . CH C
OH
CH3 CH3
Lupulony H3C H3C
OH C CH . CH2
CH3
R
C
O CH3
O
OH
C CH . CH2
CH2 . CH C
Resupony O
O C
A B OH
O
R
CH3 CH3
Sladové enzymy
β - amylasa
α - amylasa CH2OH
CH2OH
O
O O O CH2OH
CH2OH
O
O
OH
β - amylasa
CH2
O
O O
O
p=
(2,0665 A + n ) 100 100 + 1,0665 A
Ocet CH3CH2OH + 1/2 O2 = CH3 CHO + H2O CH3CHO + H2O = CH3CH(OH)2 CH3CH(OH)2 + 1/2 O2 = CH3COOH + H2O CH3CH2OH + O2 = CH3COOH + H2O O2 CO2 + H2O Frings – až 800 hl
nálev
oxidační prostor
sběrný prostor
hobliny
vzduch
Sekundární metabolismus U mikrobů často limitace N X C
X
C
t
X – koncentrace biomasy, C – koncentrace sekundárního metabolitu Biologický smysl ( neekonomičnost sek. metabolismu ) 1) účinnost na jiné organismy ( antibiotika ) 2) nedokonalá regulace metabolismu, detoxikace 3) neodhalená úloha v metabolismu
Bioremediace Oxidace uhlovodíků (biodegradace) O2
R-CH3
H2O
dehydrogenasa
R-CH2OH
hydroxylasa ( monooxygenasa )
dehydrog.
R-CHO alkoholu
R-COOH
aldeh.
β-oxidace
( membrána )
CH3CO∼SCoA NADH
reduktáza (FP)
Fe-protein (přenašeč O2)
P450
hydroxylasa Aromatické uhlovodíky ortoštěpení kruhu ( oxygenasy ) : H O2
OH OH OH
O2
H
OH katechol
COOH C=O
mukonolakton
COOH COOH
COOH H2O C=O
lakton kys. β-oxoadipové
sukcinát + CH3CO∼SCoA
cis,cis – mukonát COOH COOH
HS - CoA
kys. β-oxoadipová
metaštěpení : OH
O2
OH
OH
O
COOH CHO
COOH CHO CO2
aldehyd kys. α hydroxy-mukonové O
H2o
COOH
2-oxopent-4-enoát
OH
O COOH
H2O
( aldolasa )
4-hydroxy, 2-oxovalerát
CH3-CHO + CH3-CO-COOH
PCB R
R' O2
R'' Cl1-5
Cl
1-5
OH OH
R
R' R''
Cl 1-5
O COOH
OH
O2 Cl1-5 OH OH
H2O
Cl1-5
COOH
CHR - CR' - CHR'' - CO - COOH
COOH
COOH
COOH
COOH Cl
Cl
Cl
COOH Cl Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
COOH
O2
O2
O2
OH
OH
COOH
OH
OH
COOH
OH
H
H
Cl
Cl
OH H
Cl
Cl
OH
OH
OH
CO2
OH
OH
OH
HCl
Cl
Cl
Cl
Cl
O2
COOH COOH
O2
O2
COOH COOH Cl
Cl
COOH COOH Cl
Cl
CO2 HCl
HCl
O
O
O
HCl
HCl
COOH
O
COOH
COOH
O
O Cl
H2O
COOH COOH
H2O
H2O
COOH COOH
COOH COOH O
O
O
Cl
Praxe v biodegradaci ropných látek (RL) (Bio)venting
odsávání RL
odsávání vzduchu (biofiltr, akt. uhlí)
zemina
Hlad. podz. vody
Air sparging
periodické dávkování vzduchu
zemina HPV
AS: O2 v PV na 3,5 – 8 mg/l
Kombinace V a AS
O2 a CO2 sondy
Hodnocení Přímé metody: úbytek polutantu (až stovky odběrů). Nepřímé metody: spotřeba O2, produkce CO2 mikroflorou, ze stechiometrie např.: C10H18 + 14,5 O2 → 10 CO2 + 9 H2O Respirační sonda: vypnuto provzdušňovaní a odsávaní, účinnost na 1m3 zeminy ⇒ biodegradační aktivita v
mg RL kg.den
Anaerobní čištění odpadů – bioplyn 2HCOO¯ + H2O → CH4 + CO32¯ CH3COO¯ + H2O → CH4 + HCO3¯ 4H2 + HCO3¯ + H+→ CH4 + 3H2O 2H+ + 2Fdred H2 + 2Fdox ( hydrogenasa )
komplexní symbióza
Toxické kovy Bioakumulace (houby, rostliny, mikroorganismy; principy). Systémy imobilizace kovů. Biosorbenty, adsorpční izoterma, problémy praxe. Biohydrometalurgie (mikrobiální loužení): získávání kovů z chudých rud a koncentrátů, perspektiva v odstraňování kovů (haldy, kontaminované půdy).
Krmná biomasa, SCP Autotrofní asimilace CO2 CH2OP
CO2
C=0
CH2OP
ATP
CH2OP
NADH
CH2OP
HCOH
CHOH
CHOH
CHOH
HCOH
COOH
COOP
CHO
CH2OP ATP CH2OH C=0 HCOH HCOH CH2OP
COOH HCO~P CH2OH COOH
CH3
CH3
CO – P
CO
CO
CH2
COOH
S – CoA
CO2 COOH CO CH2 COOH
citrát
Krebsův cyklus
Heterotrofní fixace CO2 1935 baktérie, dnes většina organismů doplňování meziproduktů Krebsova cyklu sloužících biosyntetickým drahám 1) COOH
COOH PEP
CO – P
+ CO2
CO
+ P
karboxylasa CH2
CH2
COOH
rovnováha 2) CH3 CO
COOH pyruvátkarboxylasa + CO2 + ATP
COOH
CO
+ ADP + P
biotin CH2 COOH
3) CH3 CO + CO2 + NADPH + H + COOH
dekarboxylující malátdehydrogenasa
COOH CHOH + NADP CH2 COOH
- biosyntetická reakce, CO2 je stavebním prvkem pro větší molekuly COOH
COOH
CH – NH2
CH – NH2
CH2
+ CO2 + ATP
CH2 O C NH2
CH2
+ ADP + NH2COO – P
CH2 COOH
pyrimidin arginin
Fixace N2 4/5 atmosféry, pouze bakterie, sinice. Vinogradskij 1895 Asi 50 druhů bakterii a sinic symbióza Bakterie volně žijící – aerobní, fakult. anaer., anaerobní Bakterie na Zemi : 175 . 106 t N2 / rok Chemická fixace ( hnojiva z N2 ) : 44 . 106 t / rok Další chemická fixace ( N-oxidy z N2 a O2 v motorech, UV): 40 . 106 t Fixace N2: symbiotické bakterie 300 kg N2 / ( hektar. rok ) volně žijící bakterie: 1 kg / (hektar. rok )
glukosa
O2 5 NADH
pyruvát
4 izocitrát
ferredoxin
N2
flavodoxin
3 NH3
NADPH 1
2
1 izocitrátdehydrogenasa, 2 ferredoxinreduktasa, 3 nitrogenasa , 4 transhydrogenasa, 5 resp. řetězec Eº NADP+/ NADPH = - 0,32 V
Eº ferredoxin = - 0, 42 V
1 N2 ~ 15 ATP Netradiční substráty alifatické uhlovodíky ( purifikace od aromátů ) metylotrofní bakterie : CH4
O2
CH3OH
HCHO
HCOOH
CO2
asimilace HCHO – serinová dráha 2 CH2 – COOH
2 HCHO
NH2 gly 2 OH – CH2 – CH – COOH NH2 ser COOH COOH
COOH glyoxalát
COH
2 H – CO – P
2-P-glycerát
COH CH2OH CH2OP
COOH
CHOH
3-P-glycer.
PEP CO – P COOH CH2
CO2
COOH CHOH malát CH2 COOH CH3CO – SCoA oxalacetát
citrát
sukcinát
isocitrát
glyoxalátový cyklus
Biomasa na methanolu, ethanolu a dalších substrátech CH3OH + O2
HCHO + H2O2 CO2
C2H5OH + O2
H2O
CH3COOH
½ O2
CO2
Další substráty: celulóza, lignin, pektiny, fenolové odpady Kvasinky jako SCP - 40 – 60 % bílkovin, nestravitelné stěny a nukleotidy, vitamíny B, aminokyseliny. Úprava pro lidi – dezintegrace ( mechan., enzym. ), odstředění stěn, autolýza RNA ( příp. srážení ). C z odpadů ( škrob, melasa, řepa, sulfit. výluhy, hydrolyzáty exkrementů, sláma, dřeviny,….chem. i enzym. rozklad ( Trichoderma viridae, T. reesei ). Krmné droždí - melasa, synt. etanol, sulfit. výluhy, tekuté odpady po kyselině citronové, lihovarské výpalky. Potenciálně největším zdrojem – lignocelulózové odpady - nyní hydrolýza k. sírovou, jinak celulasy. Bakterie - proti kvasinkám růst nad 40° C – rychlejší a až 70 % bílkovin, některé podobné poměry esenc. AK jako u živočichů. Nevýhoda – menší rozměry, separace. Zatím jen na krmivo, dosavadní testy u lidí – bolesti, ekzémy, ne u zvířat. Bakterie mají asi 2x více nukleotidů ( RNA ).
Aktinomycety - různé polymery, snadnější izolace filtrací, termofilní kmeny, neaseptické podmínky, dosud nedostatek informací o krmných pokusech. Vláknité houby, plísně - aseptické podmínky, mycelium na potravinářské bílkoviny, sulfitové výluhy, hydrolyzáty z lignocelul. materiálů. Snadná izolace a zahuštění. Existují neaseptické technologie – Aspergillus, Fusarium – tekuté odpady zemědělství a potravinářství. Buňky mikrobů i dnes v potravě: kyselé zelí, kefír….. Obecně – vhodný obsah esenc. AK, rostliny – nedostatek zejména sirných AK (lysin), výjimka je sója. Izolace čisté mikrob. bílkoviny ( bez stěn a nukleotidů ) u nás byla jen v poloprovozu. Důvody SCP Rychlost tvorby bílkovin, automatizace výroby, menší ekologická zátěž, využití odpadů a dalších surovin. Velkovýkrmna s 10 000 ks prasat produkuje 207 t čisté bílkoviny / rok. Jeden kraj ročně až 1,5 mil. t slámy – kyselá hydrolýza → roztok cukrů pro 440 000 t sušiny Candida utilis ⇒ 110 000 t čisté bílkoviny. Z 1,5 mil. t slámy je teoreticky možné získat tolik čisté bílkoviny jako z 500 velkovýkrmen (z problematickým odpadem). Kromě 110 000 t čisté bílkoviny ještě 330 000 t krmné bílkoviny.
Z obnovitelných zdrojů Zdroj uhlíku a energie
typ organismu
použití
CO2, světlo
řasy
krmivo potraviny
organ. odpady, světlo
fotosynt. bakterie
krmivo
celulóza a hemicelul. (zeměděl., lesnické odpady a vedlejší produkty
aktinomycety bakterie houby
krmiva
škrob (odpady zeměděl. kvasinky a potravinářské ) plísně houby cukry ( řepný, třtinový, melasa, sulfit. výluhy )
kvasinky houby
krmivo potraviny krmivo potraviny
Z neobnovitelných zdrojů methan n-alkany
bakt., kvasinky
krmivo
bakt., kvasinky bakt., kvasinky bakt., kvasinky houby
krmivo, potrav. krmivo, potrav.
Petrochemické výrobky methanol ethanol odpady z chem. průmyslu.
krmivo
