EGYSEJTŰ REAKTOROK – BIOKATALÍZIS: A GÉNMÓDOSÍTÁSTÓL AZ IPARI FERMENTÁCIÓIG SZAMECZ BÉLA
BIOKATALÍZIS - DEFINÍCIÓ
• szerves vegyületek átalakítása
SZUBSZTRÁT
TERMÉK
• biológiai rendszer a katalizátor Enzim: élő sejt vagy tisztított enzim
• előnyei • • • •
Biológiai sokféleség: a természetből izolálható, a katalizátor évmilliók alatt lett finomhangolva A kód ismert Vizes fázis Biológiailag lebomló melléktermékek
energia
•
enzim nélkül
enzimmel
idő
BIOKATALÍZIS - TÖRTÉNET
• első biomérnökök •
A sumérok 6000 évvel ezelőtt már sört főztek
BIOKATALÍZIS - TÖRTÉNET
• első biomérnökök •
A sumérok 6000 évvel ezelőtt már sört főztek
BIOKATALÍZIS - TÖRTÉNET
• első biomérnökök •
A sumérok 6000 évvel ezelőtt már sört főztek
• élelmiszeripari alkalmazások •
Bor, kenyér, tejtermékek
BIOKATALÍZIS - TÖRTÉNET
• első biomérnökök •
A sumérok 6000 évvel ezelőtt már sört főztek
• élelmiszeripari alkalmazások •
Bor, kenyér, tejtermékek
• 1897: Eduard Buchner • •
Alkoholos erjedés sejtmentes élesztő kivonattal Vis vitalis elmélet vége
BIOKATALÍZIS - TÖRTÉNET
• első biomérnökök •
A sumérok 6000 évvel ezelőtt már sört főztek
• élelmiszeripari alkalmazások •
Bor, kenyér, tejtermékek
• 1897: Eduard Buchner • •
Alkoholos erjedés sejtmentes élesztő kivonattal Vis vitalis elmélet vége
• 2010: Craig Venter •
Szintetikus Mycoplasma mycoides genom bejuttatása egy kromoszóma nélküli Mycoplasma capricolum sejtbe.
Gibson, D. G., J. I. Glass, et al. 2010.
BIOKATALÍZIS – TERMÉKEK
biokatalízissel előállított ipari termékek (tonna / év) etanol 15 450 000 nátrium glutamát
1 000 000
citromsav
412 000
lizin
118 000
glükuronsav
51 000
penicillin
15 000
BIOKATALÍZIS – TERMÉKEK ENZIMEK
Buchholz et al. 2012
API - (Active Pharmaceutical Ingredients) gyógyszeripari hatóanyagok 113 milliárd USD (2012, pharmabiz.com)
BIOKATALÍZIS – MÓDSZERTAN
• Katalizátor •
Sejt, enzim, katalitikus antitest, foldamer. Transzgénikus élőlény.
BIOKATALÍZIS – MÓDSZERTAN
• Katalizátor •
Sejt, enzim, katalitikus antitest, foldamer. Transzgénikus élőlény.
ATryn véralvadásgátló
BIOKATALÍZIS – MÓDSZERTAN
• Katalizátor •
Sejt, enzim, katalitikus antitest, foldamer. Transzgénikus élőlény.
• Katalizátor fejlesztés • •
Természetből izolálható, optimalizálható: tenyésztés, szelektálás, mutagenezis. Célzott változtatás: genetikai módosítás – génbevitel, teljes anyagcsereutak bevitele szintetikus biológia, bioinformatika
BIOKATALÍZIS – MÓDSZERTAN
• Katalizátor •
Sejt, enzim, katalitikus antitest, foldamer. Transzgénikus élőlény.
• Katalizátor fejlesztés • •
Természetből izolálható, optimalizálható: tenyésztés, szelektálás, mutagenezis. Célzott változtatás: genetikai módosítás – génbevitel, teljes anyagcsereutak bevitele szintetikus biológia, bioinformatika
• Reakció körülmények • • •
Fermentor: szakaszos / folyamatos működés, Immobilizált átfolyós reaktor: sejt, enzim Szilárd fázis: faforgács, papír lap
BIOKATALÍZIS – MÓDSZERTAN
• Katalizátor •
Sejt, enzim, katalitikus antitest, foldamer. Transzgénikus élőlény.
• Katalizátor fejlesztés • •
Természetből izolálható, optimalizálható: tenyésztés, szelektálás, mutagenezis. Célzott változtatás: genetikai módosítás – génbevitel, teljes anyagcsereutak bevitele szintetikus biológia, bioinformatika
• Reakció körülmények • • •
Fermentor: szakaszos / folyamatos működés, Immobilizált átfolyós reaktor: sejt, enzim Szilárd fázis: faforgács, papír lap
• Termék kinyerése •
Komplex vizes oldat
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA
• Az éves 15 millió tonna etanol termelés 96-98%-a biológiai erjesztés útján áll elő
pannon-info.hu
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA • alapanyagok • •
Keményítő – egyszerű cukor Cellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz)
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA • alapanyagok • •
Keményítő – egyszerű cukor Cellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz)
• előkezelés • •
Fizikai-kémai - ammóniás robbantás, nedves oxidáció és gőzrobbantás Biológiai kezelés – enzimes hidrolízis, celluláz
Payne, PNAS, 2013
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA • alapanyagok • •
Keményítő – egyszerű cukor Cellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz)
• előkezelés • •
Fizikai-kémai - ammóniás robbantás, nedves oxidáció és gőzrobbantás Biológiai kezelés – enzimes hidrolízis, celluláz
• alkoholos erjedés •
Egyszerű cukrokból Saccharomyces cerevisiae (élesztő) – törzsfejlesztés
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA • alapanyagok • •
Keményítő – egyszerű cukor Cellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz)
• előkezelés • •
Fizikai-kémai - ammóniás robbantás, nedves oxidáció és gőzrobbantás Biológiai kezelés – enzimes hidrolízis, celluláz
• alkoholos erjedés •
Egyszerű cukrokból Saccharomyces cerevisiae (élesztő) – törzsfejlesztés
• utókezelés •
Desztillálás, vízmentesítés
BIOKATALÍZIS – BIOETANOL GYÁRTÁSA • alapanyagok • •
Keményítő – egyszerű cukor Cellulóz (lignin, cellulóz, hemicellulóz)
• előkezelés • •
Fizikai-kémai - ammóniás robbantás, nedves oxidáció és gőzrobbantás Biológiai kezelés – enzimes hidrolízis, celluláz
• alkoholos erjedés •
Egyszerű cukrokból Saccharomyces cerevisiae (élesztő) – törzsfejlesztés
• utókezelés •
Desztillálás, vízmentesítés
• melléktermék •
Magas fehérje és rosttartalom, állati takarmány, tüzelőanyag
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
ALMASAV (L-ALMASAV)
L-almasav
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
ALMASAV (L-ALMASAV)
• Élelmiszeripar, gyógyszeripar, műanyagipar L-almasav
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
ALMASAV (L-ALMASAV)
• Élelmiszeripar, gyógyszeripar, műanyagipar L-almasav • A kémiai szintézis keveréket eredményez •
Maleinsavanhidrid prekurzorból
D-almasav
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
ALMASAV (L-ALMASAV) fumársav • Élelmiszeripar, gyógyszeripar, műanyagipar • A kémiai szintézis keveréket eredményez •
Maleinsavanhidrid prekurzorból
• Élő sejtekben is képződik • • •
víz
fumaráz enzim
A citromsav ciklusban résztvevő anyagcsere termék A fumaráz enzim állítja elő fumársavból 100% L-almasav
L-almasav
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
BIOKATALÍZIS – AZ ALMASAV ELŐÁLLÍTÁSA
Rögzített sejtes biokatalizátor
Na-fumarát
Na-malát
70-80 %-os konverzió GVOP-3.1.1.-2004-05-0165/3.0
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
BIOKATALÍZIS - LEGÚJABB MÓDSZEREK
DIA ALCÍM • Transzgénikus élőlények mint bioreaktorok (véralvadásgátló ATryn Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Curabitur nec nisi vestibulum, interdum leo vitae, consequat ligula. Mauris ultrices elit vitae metus pellentesque, sit amet vulputate nisl commodo.
• Foldamerek Tervezhető konformációjú nem peptid alapú oligomerek – tervezhető specifitás
• Papír alapú szenzorok Sejtes – antibiotikum kimutatás (Weaver et al.) Szintetikus – Ebola törzsspecifikus kimutatása Pardee et al. ET AL. QUAT LIGULA. MAURIS ULTRICES ELIT VITAE METUS PELLENTESQUE Mauris ultrices elit vitae metus pellentesque, sit amet
energia
enzim nélkül
enzimmel
idő
