“És Noé megházasodott és szolot ültetett és ivék a borból és lerészegedék és meztelen vala sátrának közepén” (GENEZIS 9, 20-21.)
BEVEZETÉS. A BIOMÉRNÖK ÉS A BIOTECHNOLÓGIA.
A biotechnológia definiálása, meghatározása nem könnyu, minden definíció a meghatározó szájíze szerint elfogult. Vannak akik csak az úgynevezett “modern” biotechnológiát tekintik biotechnológiának, azaz a génmérnökség produktumait, míg mások sokkal szélesebben értelmezik a fogalmat. Mi az utóbbi módon tekintjük ezt a tudományágat, elfogadva a IUPAC által javasolt definíciót, amely az EFB (European Federation of Biotechnology) által 1981-ben elfogadott definícióval azonos: A BIOTECHNOLÓGIA a BIOKÉMIA, MIKROBIOLÓGIA és a MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK integrált alkalmazása mikroorganizmusok állati és növényi sejtek/szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimeinek) technológiai felhasználása céljából. Mi sem jellemzi jobban a definíciók sokféleségét, mint hogy az USA Kongresszusa is szükségét érezte a fogalom definiálásának1984-ben: Biotechnologies are commercial techniques, that use living organisms or substances from those organisms, to make or modify a product, including techniques used for the improvement of the characteristics of economically important plants and animals and for the development of microorganisms to act on environment (Congress of the USA, 1984) A biotechnológia kifejezést egy polihisztor magyar mérnök, Ereky Károly1 találta ki és vezette be 1919-ben és a következoképpen definiálta: “Biotechnológia minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elo élo organizmusok segítségével.” 1
Ereky Károly, Esztergom, 1878. okt. 20. - Vác, 1952.): politikus, miniszter, gépészmérnök, közgazdasági szakember. Tanulmányait a bp.-i Muegyetemen végezte, 1905-tol az egyetem adjunktusa. 1911-ben megalapította az állatértékesíto egyesületet, 1912-ben pedig a nagytétényi sertéshízlaldát. Részt vett a Csilléry-Friedrich-féle ellenforradalmi csoport szervezkedésében. A Friedrich-kormányban 1919. aug. 27-tol 1919. nov, 24-ig közélelmezési miniszter. A nemzetgyulésbe a Keresztény Nemzeti Egyesülés Pártja
9
Ezt a korát messze megelozo “jó” definíciót Ereky avval is megtetézte, hogy szerinte a kokorszak és a vaskorszak mintájára majd egyszer egy bio-korszak is eljön. Sokak szerint ma már jócskán e korban élünk. Természetesen ez az osdefiníció és a fentebb ismertetett modernebb értelmezések se örökéletuek, folyamatos revideálásra szorulnak, hiszen a biotechnológia fejlodése rendkívül gyors, hatóterülete egyre bovül, az alapveto lényeg megmaradása mellett a definíciót állandóan finomítani kell. 2005ben az OECD egy un. statisztikai biotechnológia definíciót adott, amely meglehetosen szélesen értelmezi a biotechnológia hatókörét: the application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services. Ezt egy listával egészítették ki, amely lista a pillanatnyilag a területhez értendo technikákat, metodikákat, eljárásokat, megközelítéseket tartalmazza. Így a fejlodéssel egyidejuleg e listaalapú definíció is tovább alakítható, kiegészítheto. A teljesség igénye nélkül az alanti felsorolás e lista néhány fontosabb elemét tartalmazza. E listát mint magyarázó útjelzést kell tekinteni az egyszeru definícióhoz. DNS/RNS: Genomika, farmakogenomika, genetic engineering, DNS/RNS sekvenálás/szintézis/amplifikáció, gene expresszió profiling, antisense technológia . Fehérjék és egyéb molekulák: Fehérjék és peptidek (nagymolekulájú hormonok) szekvenálása/szintézise és engineering-je, proteomika, fehérje kinerés és tisztítás, signaling, sejtreceptorok azonosítása. Sejt és szövettenyésztés és engineering (beleértve a biomedic al engineeringet is) Sejtfúzió, vakcina/immunstimuláns termelés, embrió manipuláció. Biotechnológiai folyamatok, technikák:Fermentáció, bioreaktorok, biobányászat, bioleaching, bioremediáció, bio(lógiai)szürés, fitoremediáció. Gene terápia, virus vektorok gyógyászati felhasználása. Bioinformatika: genomok, fehérjeszekvenciák, szerkezetek adatbázisai, komplex biológiai folyamatok modellezése, rendszerbiológia. Nanobiotechnológia: nano- és mikromanipulációs technikák alkalmazása olyam „szerkezetek” eloállítására, amelyekkel a biorendszerek mélységükben tanulmányozhatók, és felhasználhatók pl. hatóanyagbejuttatásra, diagnosztikára.
A biotechnológia egy interdiszciplináris alkalmazott tudomány. A kölcsönhatásokat illetve az alkalmazott alap diszciplinákat vázlatosan az 1. és 2. ábrán mutatjuk be.
programjával került be, az 1922-i választásokon megbukott és visszavonult a politikai élettol. Elnöke volt a Magyar Gyorsírók és Gyorsírás Barátai Budai Egyesületének. Forrás: Életrajzi lexikon
10
mérnöki tudományok bioengineering
vegyészmérnöki tudományok
biotechnológia
biológia
biokémia
kémia
1.ábra A biotechnológia interdiszciplináris
BIOLÓGIAI TUDOMÁNYOK
BIOLÓGIA MIKROBIOLÓGIA GENETIKA BIOFIZIKA BIOKÉMIA ENZIMOLÓGIA IMMUNOLÓGIA
MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK KÉMIA VEGYIPARI MÛVELETEK GÉPTAN MÉRÉS- ÉS SZABÁLYOZÁSTECHNIKA ÜZEM-TERVEZÉS ÜZEMSZERVEZÉS
BIOTECHNOLÓGIA 2.ábra Kapcsolat az alapdiszciplínák és a biotechnológia között A biomérnök feladatai e komplex tudománnyal kapcsolatban abból a ténybol adódnak, hogy a bioeljárásokat a valóságban, termelo ipari léptékekben muködtetni kell, ami azt jelenti, hogy a
11
laboratóriumi folyamatok léptéknövelését meg kell valósítani, az ipari termelo technológiákat meg kell tervezni és meg kell valósítani és a már muködo technológiákat optimális szinten üzemeltetni kell. Mindeközben minden szinten meg kell felelni rendkívül szigorú minoségbiztosítási és validálási követelményeknek. Mielott a biotechnológiai eljárások néhány jellemzojével megismerkednénk, vessünk egy pillantást az 1.Táblázatban található történeti összefoglalásra, amelyben a hagyományos és modern biotechnológia kialakulását és fejlodésének legjelentosebb állomásait foglaltuk össze.
1.táblázat A biotechnológia vázlatos története (a genetika és biokémia/fiziológia fejlodésének néhány sarokpontjával) Kr.e. 6000-3000
Egyiptom,Babilon,Kína: kenyérkelesztés kovásszal Alkoholos erjesztett italok (gyümölcslé, tej). Sörkészítés. Satkészítés. Eceterjesztés
Kenyérkészítés. Egyiptomi Sírfestmény, Théba Kr.e. 1500 körül
Monument Blau, agyagtábla, Kr.e.2500 körül Sumér Birodalom. Sörkészítés és Söráldozat Nin-Harra istennonek. (Louvre)
12
Kr.e. 2000 500 420
Borkészítés Asszíriában Az elso antibiotikum: penészes szójatúrót használnak gyulladásokra, kelésekre Kínában Szokratész (470?-399): a genetika elso problémája: miért nem hasonlítanak a fiak mindenben apjukra?
Idoszámítás kezdete körül Sörkészítés a keltáknál és germánoknál Kr.u. 100 körül Az elso inszekticid: porított krizantém (Kína) Kr.u. 3.század Marcus Aurelius Probus → szolotelepítés Germániában Kr.u. 1150 1300 1320
Alkohol elõállítás borból Mexico:az Aztékok algát aratnak a tavaikból élelmi felhasználásra Egy arab törzsfo eloször alkalmaz mesterséges megtermékenyítést „ szuper ló” kitenyésztése céljából 14. század Ecetmanufaktúra Orléans közelében 1590 Janssen: mikroszkóp feltalálása 1630 William Harvey megállapítja, hogy a növények és állatok egyaránt szexuálisan szaporodnak. 1650 után Mesterséges gombatenyésztés Franciaországban 1663 Hooke: sejtek létezésének felfedezése 1680 körül Antoni van Leeuwenhoek(1632-1723): mikroszkóp, spermium, éleszto, baktérium
Antoni van Leeuwenhoek és mikroszkópja
9
1700 1761 1796 1818 1838 1857
Camerarius bizonyítja, hogy a virágoknak is vannak szexuális szervecskéik. Koelreuter leírja az elso különbözo fajtájú növények közötti keresztezést Edward Jenner kifejleszti az elso vakcinát a himlo ellen (vaccinus= tehénbol eredo) Erxleben felfedezi az élesztõk erjesztõképességét Schleider/Schwann:sejtelmélet"Every cell arises from a cell." Pasteur: a fermentációért mikrobák, élesztok a felelõsek, a tejsavas erjedés leírása
Louis Pasteur (1822-1895)
10
1858 1859
Traube feltételezi, hogy a fermentációt enzimek végzik. Darwin:”On the origin of species”
Charles Darwin (1809-1882)
1863-64 1865
Pasteur feltalálja a pasztõrözést. Mendel kifejti törvényeit.
Gregor Mendel (1822-1884)
1879 1881 1882 ~1885 1893
Hansen felfedezi az Acetobactereket Tejsav fermentációs elõállítása R.Koch azonosítja aTB-t okozó baktériumot Mesterséges gomba termesztés az USA-ban Koch és Pasteur a fermentációs eljárást szabadalmaztatja
10
Robert Koch (1843-1910)
1897
Buchner megállapitja, hogy az élesztoben erjeszto enzimek vannak Eduard Buchner (1860-1917)
19.század vége Az elso kommunális szennyvíz tisztítótelepek megépülnek Berlinben, Hamburgban, Münchenben Párizsban és egyebütt. 1900 körül A kromoszóma elmélet általánossá válik 1902 Az IMMUNOLÓGIA fogalom megjelenése 1906 Paul Ehrlich: Salvarsan, az elso kemoterapeutikum GENETIKA fogalom bevezetése 1908 Calmette és Guerin: BCG vakcina a TBC ellen (bevezetve:1921) 1910 Thomas H.Morgan bizonyítja, hogy a gének a kromoszómákon lokalizálódnak
9
Thomas H.Morgan (1866-1945)
1915 1914-16.
A pékéleszto gyártás un. német eljárása Pékéleszto és takarmányéleszto nagyvolumenu gyártása Delbrück, Hayduck és Hanneberg vezetésével
1916
Weizmann eljárása az Aceton-Butanol fermentációra.
Chaim Weizmann (1874-1952)
1915 1915/16 1919
Eloször találnak bakteriofágot, baktériumvírust Szulfitos eljárás glicerin fermentációra A BIOTECHNOLÓGIA szó eloször jelenik meg nyomtatásban: Ereky Károly magyar gépészmérnök tollából.
Ereky Károly (1878-1952)
1920-tól 1928/29
Felületi citromsav fermentáció Fleming felfedezi a penicillint
9
Sir Alexander Fleming(1881-1955)
1937 1938 1938 1941 1941/44 1944
1946
Mamoli és Vercellone felfedezik a mikrobiális transzformációk lehetõségét Franciaországban-ban elkezdik gyártani a B.thuringiensis toxin inszekticidet. A “molekuláris biológia” kifejezés megszületik Beadle-Tatum: “egy gén egy enzim” elmélet Az penicillin ipari gyártása elkezdodik Schatz és Waksman felfedezik a streptomicint Sanger bevezeti a kromatográfiát az inzulin aminosav szekvenálására Avery bizonyítja, hogy DNS hordozza a genetikai információt Tatum/Lederberg felfedezik a konjugációt.
Edward Lawrie Tatum (1909-1975)
(1925 - )
Joshua Lederberg
1948 1949
Duggar felfedezi a klórtetraciklint Szubmerz ecetsav termelés megindul
10
B12 vitamin fermentációs eloállítása Ipari léptéku biotranszformációk kezdete
1953
Watson, Crick és Wilkins felfedezik a kettos spirált
Watson
1955 1956 1957
1959
Crick
Wilkins
Az állati szövet kémiailag definiált közegben szaporítható Kornberg felfedezi a DNS polimeráz I enzimet Kinoshita és munkatársai: glutaminsav fermentáció JACOB és MONOD :genetikai (génszintu) szabályozás felfedezése
10
François Jacob ( 1920- )
Jacques Monod (1910-1976)
1955/60 1960 1961 1962 1965 1966 1969 1970 1971 1972 1973 1975 1976 1977 1978
1980
1981
Szubmerz citromsav fermentáció Növények vegetatív mikroszaporítása Nierenberg poly-U szintézise, UUU=Phe. Watson/Crick/Wilkins Nobel díjat kapnak. Egér és emberi sejtet fúzionáltatnak A genetikai kód megfejtése Az elso in vitro enzim szintézis Eloször izolálnak reverz transzkriptázt Protoplasztból a növény regenerálható Elso sikeres DNS klónozás Rekombináns DNS módszerek-"genetic engineering" Moratórium Asilomarban az rDNS kísérletekre Elso monoklonális AB termelése GENENTECH-az elso géntechnikai vállalat. Restrikciós enzimek felfedezése Genentech bejelenti az elso humán fehérje baktériummal történo eloállítását: szomatosztatin Paradicsom és burgonya szomatikus hibridizációja (POMATO) A Chakrabarty eset: az USA megengedi genetikailag módosított létforma szabadalmaztatását PCR szabadalmaztatása (CETUS) Az elsõ transzgénikus emlos (egér)
9
1982 1992
Humán inzulin - az elsõ kereskedelmi rDNS készítmény Birka klónozás: az állati sejt is totipotens.
…………………
A klasszikus és modern biotechnológiai eljárások sokféleségét a következo néhány táblázatos összeállítással reprezentáljuk (2.-12.táblázat), bemutatva egy sor terméket, termelo organizmust, termelési statisztikát. Utóbbiból kiviláglik, hogy a biotechnológiai iparok egy komoly nagyipart jelentenek, hatalmas termelési kapacitással és tetemes termelési értékkel. A 10. táblázatban az antibiotikumoknak csak egy-egy jellemzo csoportreprezentánsára utalunk, az ismert antibiotikumok száma ma már több ezer!
10
2.táblázat Fermentált élelmiszeripari termékek TERMÉK
alkoholos italok
ALAPANYAG
MIKROORGANIZMUS
szolo alma,..(egyéb gyümölcsök) maláta burgonya,ganonafélék
nem alkoholos élelmiszerek ecet bor, maláta, etanol
savanyúkáposzta
fejeskáposzta
olivabogyó savanyú kovász
oliva rozs és búzaliszt
sütoipari termékek élvezeti termékek kakaó
......liszt
kávé
kávébab
kakaóbab
Saccharomyces cerevisiae
Acetobacter aceti, A.pasteurianum, A.hansenii Gluconobacter oxydans Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus plantarum Lactobacillus brevis Pediococcus, Lactobacillus Lactobacillus sanfranzisko Lactobacillus brevis, L.plantarum L.fructivorans, L.fermentum Torulopsis holmii, S.cerevisiae Pichia saitoi, Candida crusei Saccharomyces cerevisiae élesztok, tejsavas baktériumok, ecetsavas baktériumok, bacillusok Enterobacter, tejsavbaktériumok,
élesztok tea, dohány szójaszósz
rizs,liszt,szója
(endogén enzimek) Pediococcus sp. Aspergillus orizae, Lactobacillus, Torulopsis sp. Zygosaccharomyces rouxii,
11
tejtermékek tejföl
tej
joghurt
tej
kefír
tej
"lágy sajtok"
tej
"kemény sajtok"
tej
húsáruk kolbászfélék
hús
sonkafélék
disznóhús
Streptococcus lactis ssp cremoris, Str.lactis ssp diacetylactis, Leuconostoc mesenteroides ssp cremoris Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus Candida kefir, Lactobacillus kefir, Lactobacillus acidophilus,Streptococcus lactis Penicillium caseicolum, P.camemberti, Penicillium roquefortii Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus helveticus Propionibacterium freudenreichii Lactobacillus spp, Staphylococcus spp, Micrococcus varians Vibrio costicola, Staphylococcus spp
12
ANTIBIOTIKUMOK
viz
KONCENRTÁCIÓ g/dm3
103 102 101 100 10-1
CITROMSAV TREONIN
NAGYVOLUMENÛ ENZIMEK
etanol CEFALOSPORIN AMINOSAVAK PENICILLIN
PROTEÁZ
AMILÁZOK
MONOKLONÁLIS ANTITESTEK
INZULIN RENNIN
10-2
LUCIFERÁZ
10-3 10-4 10-5 10-6
KUTATÁSI ÉS DIAGNOSZTIKAI ENZIMEK
VIII.FAKTOR
TERÁPIÁS ENZIMEK
UROKINÁZ
10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 eladási ár $/kg
13
3.táblázat Biotechnológiai termékek az élelmiszeriparban termék
gyümölcssavak citromsav E330-333 itakonsav glükonsav fumársav E360-369 almasav E350-352
borkosav E335-337 borostyákosav E360-369 tejsav E270
Glu
aminosavak E620
felhasználás
termelo mikroorganizmus (forrás)
italok, dzsemek,szörpök Aspergillus niger tejtermékek Candida lipolytica margarin Aspergillus terreus sütopor, kolbász Aspergillus niger fémtisztítás Penicillium chrysogenum desszert,tejtermékek Rhizopus, Mucor húskészítmények italok, dzsemek, zselék, Aspergillus niger, cukorkák, olajok, kenyérkész. Pen. brevicompactum élesztok italok, desszertek,zselék Penicillium notatum Aspergillus griseus ízesíto, K-,Ca-,Mg-sók mint NaCl helyettesítok Rhizopus,Mucor,Fusarium gyümölcslé, majonéz,desszertek, Lactobacillus sütoipar, tejtermékek és húsdelbrueckii készítmények
izerosíto, ízesíto
Lys Trp
étel-kiegészítés antioxidáns
vitaminok kobalamin (B12 ) riboflavin (B2 ) E101
élelm. kiegészítés "
β-karotin aszkorbinsav E300
" "
Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Propionibacterium shermanii Ashbya gossipii Eremothecium ashbii Blakeslea trispora biotranszformáció (pl.Gluconobacter)
izesíto anyagok inozinsav (IMP) E630 ízkiemelo, levesporok, Brevibacterium ammoniagenes konzervek... Corynebacterium glutamicum
14
gélesíto anyagok alginát E400
fagylalt,puding,habok
xantán E415
italok,ömlesztett sajt, krémsajt, pudding,dresszingek, emulzió stabilizálás jamok,fagylalt, sajt,majonéz
pektin E440
enzimek glükóz izomeráz fruktóz szirup, izocukor β-glukanáz lészurés β-glükozidáz " β-galaktozidáz tejcukor eltávolítás α-amiláz glükoamiláz pektináz kataláz glükózoxidáz rennin proteázok
lipázok
antocianáz lyzozim
Acetobacter vinelandii Pseudomonas aeruginosa Xantomonas campestris
alma,citrusfélék
Arthrobacter sp, B.coagulans B.circulans, A.niger... Trichoderma harzianum A..oryzae, Kluyveromyces fragilis B.licheniformis, A.niger A.niger, Rhizopus oryzae A.niger, A. oryzae, Penicillium simplicissimum Micrococcus lysodeicticus
keményítobontás " gyümölcslé szurés, borklarifikálás H2O2 felesleg eltávolítás pl. tejbol O2 eltávolítás konzervekbol A.niger tejalvasztás sajtgyártás borjúgyomor, Bacillus spp. tésztagyártás, italgyártás, Bacillus cereus, B.subtilis, sajtgyártás, húskészítmények B.licheniformis, A.orizae szójakészítmények sajtízesítés, fehérjék zsírmentesíCandida lipolytica, tése, zsírsavak, zsírok és olajok Aspergillus niger észterezése Mucor javanicus borok színtelenítése növényi eredetu késoi sajtfelfúvódás tojás megakadályozása
15
4.táblázat Nagy mennyiségben termelt mikroba eredetu enzimfehérjék és a termelo mikroorganizmusok α-amiláz
pektinészteráz savas proteináz
Bacillus amyloliquefaciens, Thermobacterium sp. B. polymyxa Aspergillus niger Trichoderma reesei Streptomyces oligochromogenes B. coagulans A.niger A. niger A. niger Candida cylindraceae Geotrychum candidum Rhizopus arrhizus, Mucor sp. A.orizae A. saitoi
alkalikus proteináz neutrális proteiáz pullulanáz poligalakturonáz penicillin aciláz
A.orizae B.amyloliquefaciens Bacillus stearothermophylus Aerobacter aerogenes A. niger E. coli
β-amiláz amyloglükozidáz cellulázok glükóz-izomeráz glükóz-oxidáz α-D-glükozidáz lipázok
5.táblázat Mikroba termelte nemfehérje polimerek és termelo mikrobák alginát cellulóz curdlan dextrán foszfomannán poli-β-hidroxibutirát
Azotobacter vinelandii Acetobacter sp. Agrobacterium sp. Leuconostoc mesenteroides Hansenula capsulata Alcaligenes eutrophus
16
szkleroglukán xantán
Sclerotium glucanicum Xantomonas campestris
6.táblázat Mikroba termék aminosavak és a termelo mikroorganizmusok
D,L-alanin L-arginin L-citrullin L-glutaminsav L-hisztidin L-izoleucin L-leucin L-lizin L-metionin L-ornitin L-fenilalanin L-prolin L-treonin L-triptofán L-tyrozin L-valin L-szerin
Brevibacterium flavum Brevibacterium flavum Bacillus subtilis Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Microbacterium ammoniaphilum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium hydrocarboclastus
7.táblázat Mikrobák termelte szerves savak és a termelo mikrobák ecetsav D-arabino-aszkorbinsav
Acetobacter aceti Penicillium notatum
17
citromsav eritorbinsav fumársav glükonsav itakonsav 2-keto-glükonsav α-keto-glutársav 2-keto-L-gulonsav tejsav L-almasav
Aspergillus niger Penicillium cyaneofulvum Rhizopus delemar Aspergillus niger Aspergillus terreus Serratia marcescens Candida hydrocarbofumarica Gluconobacter melanogenus Lactobacillus lactis,… Brevibacterium ammoniagenes
8. táblázat Illatanyagok ánizsaldehid benzaldehid benzil-alkohol citronellol γ-dekalakton diacetil
ánizs mandula gyümölcs rózsa barack vaj
Trametes sauvolens Trametes sauvolens Phellinus igniarius Ceratocystis varispora Sporobolomyces odorus Streptococcus diacetylactus p-metil-benzil-alkohol jácint,gardenia Mycoacia uda Me-p-metoxi-fenilacetát ánizs Trametes ordorata Me-fenilacetát méz Trametes ordorata 6-pentil-α-piron kókusz Trichoderma viride tetrametil-pirazinok dió Corynebacterium glutamicum
9.táblázat Egyéb, vegyes mikroba-termelte vegyületek antipain karotenoidok emulzán
proteáz-inhibitor pigmentek,provitaminok emulgeálószer
Giberellinek növényi hormonok herbicidin herbicid indigo pigment inosin izfokozó(ételizesito) lizergsav ergotalkaloid származékok
Streptomyces sp. Dunaliella bardawil(alga) Acinetobacter calcoaceticus Giberella fujikuroi Streptomyces saganonensis Escherichia coli Bacillus subtilis Clariceps paspali
18
B12
vitamin
sikonin
gyógyszer,színezék
Propionibacterium shermanii Lithospermium sp.
10.táblázat Antibiotikumok Antibiotikum Bacitracin CefalosporinC Klórtetraciklin Griseofulvin Gentamicinek Streptomicin Nistatin Oleandomicin PenicillinG Tirocidin Vankomicin
Típus
Termelo törzs
polipeptid polipeptid
Bacillus licheniformis Cephalosporium acremonium Streptomyces aureofaciens spirociklohexén Penicillium griseofulvum aminoglikozid Micromonospora purpurea aminoglikozid Streptomyces griseus tetraén Streptomyces aureus makrolid Streptomyces antibioticus laktám Penicillium chrysogenum ciklikus polipeptid Bacillus brevis glikopeptid Streptomyces orientalis
11.táblázat rDNS termékek TERMÉK Humán inzulin Humán interferonok ( α-,β-,χ-IFN) HGH (emberi növekedési hormon)
FELHASZNÁLÁS cukorbaj antivírus/antitumor terápia törpenövekedés
19
Hepatitisz B vírusprotein Urokináz L-fenil-alanin α-amiláz Állati növekedési hormonok Száj-és körömfájás vírusprotein E.coli K-88 és K-99 protein
L-triptofán L-treonin Véralvadás VIII és IX faktora Eritropoietin (EPO) Humán szérumalbumin Humán gonadotrop anyagok (hCG,HMG) A herpesz, a malária és az influenza fehérje-antigénjei Immunglobulinok Limfokinek, elsôsorba interleukin-2
vakcina elôállítás trombolitikus hatás az aszpartám édesítôszer elôanyaga keményítôhidrolizálás (maltózszirup) tej/hústermelés fokozása állatgyógyászati vakcina vakcina a borjú és malacneveléshez (toxin okozta hasmenés) takarmánykiegészítô takarmánykiegészítô hemofilia anémia, krónikus veseelégtelenség esetén vérkiegészítô anyag terméketlenség vakcina
Szöveti Plasminogen Aktivator (TPA) Tumor Nekrosis Faktor (TNF) Borjúoltó (rennin) Indigó és acet-aminofen-származékok
monoklonális antitestek az immunrendszer serkentése (baktérium/vírusfertôzések,antitumor-terápia) trombolitikus hatás antitumor-terápia sajtgyártás Kemikáliák, fájdalomcsillapítók alapanyagai
12.táblázat A fermentációs ipar termelése 1994. évi adatok szerint
termék
etilalkohol nátrium-glutamát citromsav
évi termelés 1000 t/év 15 000 1.000 400
világértékesités millió $ /év 15.000 1.436 560
20
L-lizin glükonsav ionofór mosószerek humán inzulin humán növekedési hormon eritropoietin
115 50 3 6 nincs adat nincs adat
288 nincs adat 300 2.000 375 500
3.ábra A biotechnológiai termékek kereskedelmi értékének és a koncentrációjának összefüggése A 12. táblázat adataiból, valamint a 3.ábra mutatta képbol világos, hogy a biotechnológiai iparok által termelt termékek volumene és termelési illetve kereskedelmi értéke rendkívül széles határok között mozog és utóbbit elsosorban két tényezo határozza meg: a keresettség, illetve a felhasználási mennyiség igény (itt gondoljunk a mosószer proteináz és a humán növekedési hormon szükséges évi felhasználási mennyiségének különbségére), valamint a fermentáció végén, a fermentlében hozzáférheto, a feldolgozást nagymértékben befolyásoló termék koncentráció (amelyek az ábra szerint a néhány száz gramm per litertol a néhány miligramm per liter tartományba esnek). A biotechnológiai ipar fejlodése rendkívüli és már ma is egy igen nagy termelési értéket reprezentáló iparágnak számít. Egy 2005-ben készült piaci elemzés (http://www.bccresearch.com) szerint a teljes fermentációs ipar méretét az évi 14,1 milliárd dollár jellemzi, amelyet 2009-re 17,8 milliárdra prognosztizáltak. Ezen belül a nyers antibiotikumok piaca volt a legnagyobb (l. 4.ábra): 5 mrd $, ami érdekes módon ugyanannyi mint 1998-ban és ez a növekvo termelés melleti árcsökkenéseket jelez. Az aminosav piac volt a második legnagyobb és közel leggyorsabban növekvo piac, míg 2004-ben 3,5 mrd volt addig 2009-re 5 mrd-ot jósolnak. A harmadik legnagyobb piaci szereplo a szerves savak köre, amelynek felfutását 3 mrd dollárra várják
21
ábra A fementációs termékek volumene 2004-ben és várható értékei 2009-ben (http://www.bccresearch.com/print/fod_p) Érdekes megtekinteni a hivatkozott elemzés fejezetcímeit, amelyek a legfontosabb biotechnológiai termékeket illetve termékcsoportokat jelentik az 2004-évi piaci analízisben: ßlaktám antibiotikumok, nem ß-laktám antibiotikumok, citromsav, glükonsav, tejsav, itakonsav, lizin, treonin, triptofán, Na-glutamát, xantán, ipari enzimek, riboflavin, cianokobalamin, eritorbinsav, karotinoidok: ß-karotin, asztaxantin, likopén és finomkemikáliák. Ezen általános bevezetés után tegyük fel azt a kérdést, most már a biomérnök szemszögébol, hogy mik ma a biotechnológia lehetoségei, milyen célúak lehetnek a biotechnológiák, majd vizsgáljuk meg, hogy mik a feltételei egy-egy ilyen technológia megvalósításának. Az e kérdésekre kapható válaszok egyértelmuen ki fogják jelölni azokat a muveleteket, folyamatokat és tárgyköröket, amelyeknek megismerése egy biomérnök számára elengedhetetlen és amelyek egyszersmind kijelölik további tárgyalásunk tematikáját is.
A modern fermentáció/biotechnológiai eljárások céljai/lehetoségei a termékek csoportosítása szerint tehát a következok: SEJTTÖMEG TERMELÉS - pékéleszto, SCP1 SEJTKOMPONENSEK ELOÁLLÍTÁSA - intracelluláris
1
SCP= Single Cell Protein, egysejtfehérje
22
enzimek, nukleinsavak, poliszaharidok,rDNS termékek,… METABOLIT TERMELÉS
- PRIMER: etanol, tejsav,….. - SZEKUNDER:antibiotikumok
EGYSZERU SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ: glükóz → fruktóz penicillin → 6-NH2-penicillánsav MULTI-SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ: biológiai szennyviztisztitás
Valamennyi termék típus esetében az alapanyagokat és segédanyagokat (a biomérnök szóhasználatával: a szubsztrát(um)okat ) alakítja át az organizmus vagy annak valamely része egy vagy többlépcsos reakciókban a kívánt haszontermékké. Ilyen értelemben bármelyik típus esetében tekinthetjük a sejteket vagy azok átalakítást végzo alkotó elemeit katalizátoroknak, amelyek amellett, hogy elvégzik az átalakítást, alkalmasint maguk is átalakulhatnak: szaporodhatnak, növekedhetnek. Az átalakító katalizátor, a szubsztrátok és a termékek függvényében beszélünk de novo fermentációs folyamatokról illetve biotranszformációról, biokonverzióról. Elobbi esetben szaporodó vagy nem szaporodó sejtek (mikroorganizmusok, állati vagy növényi sejtek)1végzik a termék képzését (amely lehet a saját sejtanyaguk is) összetett táptalajon, tápoldaton illetve tápoldatban, míg utóbbi esetben egy egyszeru konverzióval A anyagból a sejt vagy alkotórésze (enzime) egy másik B anyagot állít elo. (4. ábra)
4.ábra A termékképzo folyamat fajtái
Azok a muveletek, amelyek egymásutánisága az elobbi folyamatokat jelenti, alapvetoen két csoportba sorolhatók: 1
E jegyzetben sokszor csak mikroorganizmusokról beszélünk, de az esetek nem kis részében egyaránt igazak megállapításaink növényi és állati sejttenyészetekre is.
23
UP STREAM muveletek: ezek a tenyésztéshez/átalakításhoz közvetlenül kapcsolódó muveletek: tápoldat(reakcióelegy) készítés, sterilezés, tenyésztés(reakció) optimális környezeti körülményeinek biztosítása, anyagátadási és hoátadási muveletek, stb. DOWN STREAM muveletek: a léfeldolgozás, azaz a termék kinyerésének és tisztításának muveletei, a melléktermékek feldolgozása, a környezet mentesítése: szennyvíztisztítás. Az 5. ábrán egy steril fermentációs folyamat létrehozásának feltételeit mutatjuk be és ezen az ábrán néhány muveletet is felismerhetünk azok közül, amelyekrol a jegyzet további fejezeteiben részletesen szólunk majd. Mindenekelott termelo törzsre van szükség egy eljárás megvalósításához (1). A törzsizolálásról, a törzsfejlesztéssel kapcsolatos klasszikus és modern genetikai módszerekrol, a termelo törzsek konzerválásáról, a termeloképesség idorol-idore szükséges ellenorzésérol e jegyzetben nem szólunk, ezek más biomérnöki stúdiumok tárgyai (Mikrobiológia, Ipari mikrobiológia, Mikrobiális genetika, Génmérnöki ismeretek stb). A második feltétel a megfelelo termelo tápanyagok (a nyersanyagok), kiválasztása, elokészítése, ezekbol a táptalajnak illetve tápoldatnak az elkészítése és csíramentesítése (2, 2A). Harmadik feltételként említjük a megfelelo bioreaktort (3), amelyben a fermentációs folyamatot végre lehet hajtani és amellyel kapcsolatban egy sor muvelettel fogunk foglalkozni (4A,4B). A reaktorban folyó történésekrol csak mérések, a folyamatok nyomonkövetése útján nyerhetünk információkat (5). A nyert adatokat a matematikai modellezés eszköztárának segítségével dolgozzuk fel, rendszerezzük és használjuk fel például a termelo folyamat szabályozásának, vezérlésének, automatizálásának céljaira (6). Az eddig említett részfolyamatok és ezekkel kapcsolatos muveletek mind az up stream muveletek közé sorolhatók, míg az itt csak érintett termék feldolgozási, izolálási és tisztítási muveletek (7) jelentik a fo downstream muveleteket.
5.ábra Egy termelo fermentációs folyamat megvalósításának feltételei
24
Végezetül a következo összeállításban vázoljuk fel a bioeljárások választásának eseteit (amikor is pl. egy klasszikus kémiai eloállítási mód és egy biotechnológiai megközelítés között választunk), azok elonyeit és hátrányait utóbbiakkal szemben.
25
HOL HASZNÁLJUNK BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁST?
? KOMPLEX MOLEKULÁK FELÉPÍTÉSEKOR, AMIKOR NINCS MÁS ALTERNATÍVA: ANTIBIOTIKUMOK, FEHÉRJÉK, MONOKLONÁLIS ANTITESTEK ELOÁLLÍTÁSA ? IZOMEREK EGYIKÉNEK EXKLUZÍV ELOÁLLÍTÁSAKOR (D- vagy L-aminosav, L-tejsav) ? AMIKOR A TENYÉSZET KÉPES TÖBB(SOK) KONSZEKUTÍV REAKCIÓ VÉGREHAJTÁSÁRA ? AMIKOR A SEJTEK(ENZIMEK) NAGYOBB HOZAMMAL ALAKÍTANAK ÁT. ? AMIKOR A BIOELJÁRÁS INKÁBB KÖRNYEZETBARÁT
BIO-ELJÁRÁSOK ELONYEI A KONVENCIONÁLIS KÉMIAI MÓDSZEREKKEL SZEMBEN ? ENYHE REAKCIÓKÖRÜLMÉNYEK (pH, nyomás, homérséklet…) ? MEGÚJULÓ ALAPANYAGOK FELHASZNÁLHATÓSÁGA mind a C-váz mind az energia forrás tekintetében): CUKOR←KEMÉNYÍTO←GABONA CUKOR←CELLULÓZ← TERMESZTETT NÖVÉNY vagy HULLADÉK ? OLCSÓBB ÉS NAGY MENNYISÉGBEN HOZZÁFÉRHETO ALAPANYAGOK (cukrok, ásványi sók) ? KEVÉSBÉ VESZÉLYES REAKCIÓKÖRÜLMÉNYEK ÉS KISEBB KÖRNYEZETI ÁRTALOM ? A BIOKATALIZÁTOR (SEJT, ENZIM) NAGYOBB SPECIFIKUSSÁGA (szubsztrát-, csoport-, régio-, sztereo-specifikusság) ? KEBÉSBÉ KOMPLEX KÉSZÜLÉKEK: KISEBB BERUHÁZÁSI KÖLTSÉG. ? NAGYOBB HOZAM, RENDSZERINT KISEBB ENERGIA IGÉNY ? rDNS TECHNOLÓGIÁK BELÁTHATATLAN LEHETOSÉGEI
26
(IDEGEN FEHÉRJÉK, BIOKATALIZÁTOR TERVEZÉS…) A BIO-ELJÁRÁSOK LEHETSÉGES HÁTRÁNYAI
? KOMPLEX TERMÉKEK KINYERÉSE ÉS TISZTÍTÁSA BONYOLULT ÉS DRÁGA ? HÍG OLDATOKAT KELL FELDOLGOZNI ? NAGYMENNYISÉGU ÉS NAGY BOD TARTALMÚ SZENNYVÍZ KELETKEZIK (amely azonban általában könnyen tisztítható) ? FERTOZODÉS VESZÉLY IDEGEN MIKROORGANIZMUSOK vagy VÍRUSOK ÁLTAL ? FERTOZÉS VESZÉLY SZIGORÚ ELOÍRÁSOK, HOGY A KÖRNYEZET NE FERTOZODHESSÉK, KÜLÖNÖSEN SZIGORÚ FELTÉTELEK rDNS TECHNOLÓGIÁKNÁL ? KÉT OLDALI VÁLTOZÉKONYSÁG: ALAPANYAGOK MINOSÉGE MIKROBÁK ? TÁRSADALMI IDEGENKEDÉS, ELUTASÍTÁS
27
