1
A tantárgyprogram szerinti tartalomjegyzéknek megfelelően a 3. ea a következőkről szól:
Mikrobiológiai, és mikrobiális fiziológiai áttekintés: ipari mikrobák fajtái, biokémiájuk főbb ismérvei: aerobok és anaerobok, alapvető mikrobiális anyagcserefolyamatok. Tekintve, hogy a 2. ea. Sejtbiológiai részei kitértek az alapvető fiziológiai (élettani) ismeretekre (mint pl.: energia termelés, „sejt szervek” stb.) az anyagcserefolyamatokat pedig részletesen tanulták A Biokémia vegyészmérnököknek című tárgybó, tárgybó mikrobiológiát pedig nem tanultak, tanultak ezért ez utóbbira helyezzük most a hangsúlyt, különös tekintettel az iparban már alkalmazott törzsekre.
2
A biotechnológia a biológia egyes területeinek ipari célú alkalmazását jelenti. Létezik növénybiotechnológia (pl.: haszonnövények nemesítése génmanipulációval) is, de általában a biológián belül a mikrobiológia területet alkalmazzák a (vegy)iparban. Egy biotechnológián alapuló üzem általában 2 részre oszlik: a termelést végző fő,‐ és ezt kiszolgáló műveletek =upstream, illetve a termék kinyerési és tisztítási szekció =downstream.
3
A termelést általában mikrobiális de novo fermentáció vagy biokonverzió, illetve enzimes biokonverzió segítségével végzik, utóbbihoz azonban az enzimeket elő kell állítani, amelyre szinte kizárólag fermentációs mód létezik. Ebből következik, hogy a biotechnológiát nehéz fermentáció nélkül elvégezni (=kulcslépés). Fermentációnak nevezzük azokat a folyamatokat, amelyekben élőszervezet (v. annak valamely részének) segítségével a kívánt szubsztrátból értékes terméket állítunk elő. Az élőszervezet leggyakrabban mikroorganizmus (azaz mikroba).
4
Fentiekből következik, hogy a biotechnológiát nehéz fermentáció nélkül elvégezni. Fermentációnak nevezzük azokat a folyamatokat, amelyekben élőszervezet (v. annak valamely részének) segítségével a kívánt szubsztrátból értékes terméket állítunk elő. Az élőszervezet leggyakrabban mikroorganizmus (azaz mikroba). Így tehát a biotechnológia mikrobákon alapszik, a mikrobákkal foglalkozó tudomány pedig a Mikrobiológia. Ezt általában két részre osztva szokás tárgyalni: 1)Általános mikrobiológia, 2) rendszertan Ezekből lesz most ízelítő – ipari szemmel.
5
Előtte még néhány megjegyzés a gondolkodásmód szemléltetésére.
6
Egy bio technológia kifejlesztésekor az első feladat a termelő törzs megtalálása/megcsinálása. Ehhez általában talajmintából izolálnak mikroorganizmusokat petri csészében vagy ha ezt már Törzsgyűjtemények elvégezték, akkor tőlük liofilezett formában rendelhető a törzs, és annak felélesztésével jutunk a petri csészéhez. Ez egy üveg tálka, amiben táptalaj van. Ennek felszínén a mikrobák telepeket vagy csíkokat képeznek, de létezik szúrt tenyészet is. A petri csészén egyedi, tiszta telep elkülönítése a cél az izolálás során, majd szűrővizsgálatnak (screening) vetik alá az izolátumokat, hogy kiválaszthassák a legjobb termelőt. Ehhez már vagy mikrotiter lemezt használnak vagy rázatott lombikot. A kiválasztott izolátummal laborfermentorban fermentációt optimálnak, majd léptéknövelik az eljárást, ha a mikroba hagyja (gyakran erre érzékenyek). Ugyanez a folyamata a termelésnek is, hiszen egy már működő fermentációs technológia minden sarzsa petri csészéről, vagy ampulláról indul, és folyamatos léptéknöveléssel jut el a termelő méretig (oltóanyag termelés, inokulum). Ennek az az oka, hogy 1.: a mikrobák érzékenyek a léptékváltásra, mert megnő a hidrosztatikai nyomás felettük, megváltozik az oxigén oldhatósága, más keverési sebesség, más nyíróerőt eredményez stb. 2.: minden műveletet sterilen kell végezni, hogy az idegen mikrobák okozta reakciókat (és szubsztrát fogyást valamint melléktermék képzést) visszaszorítsuk, ám a sterilezés csak statisztikusan értelmezhető: sterilitási kritérium pl.: 10‐3=0,001 azaz minden 1000ből egy lesz sikertelen. Ha a petricsészéről lemosott sejtekkel 100m3‐es létéket oltanánk, akkor annyira felhígulnak a sejtek, hogy nagyon hosszúra nyúlik a fermentáció (bináris osztódással kell megtölteniük a reaktort!), illetve a sterilezést potenciálisan túlélt idegenekkel azonos nagyságrendűvé válna az oltóanyag, ami kétesélyű versenyt eredményez.
7
8
A mikroszkópizáláshoz a mikroba tartalmú levet egy üveg tárgylemezre cseppentjük, majd fedőlemezzel borítjuk, és a tárgyasztalra helyezzük. A durva és finomállító csavarokkal a minta és az objektív közötti távolságot beállítjuk, és a szemlencsén keresztül vizsgálódunk. A fény útja: lámpa (és/vagy tükör), kondenzor, tárgylemez, objektív, tubus, szemlencse, szem. Az objektív és a szemlencse névleges nagyítását összeszorozva kapjuk meg a mikroszkóp nagyítását. A mikrobák mérete több nagyságrenddel is eltérhet, ezért külöböző objektívvel figyelhetjük meg őket. A legkisebb mikrobákhoz (bakt.) ún. olajimmerziót kell használni, mert a minta és tárgylemez közé cseppentett immerziós olaj törésmutatója megegyezik az üvegével, így a fény nem törik meg a minta‐levegő‐lencse határfelületeken, ezért nagyobb nagyítást eredményez.
9
Az egyes „barátaink” így néznek ki mikroszkópban.
10
A mikrobák mérése fontos a folyamat követése szempontjából. Különböző módszerekkel különböző mértékegységű eredmény nyerhető. CFU=colony formation unit
11
12
A táptalaj a mikrobák számára fontos anyagokat tartalmazza: mindig van benne C‐forrás (cukrok), N‐forrás (fehérjék, v. ammónium sók), P‐forrás (foszfátok), sók (ozmotiks viszonyokért), spec anyagok (vitaminok, prekurzorok stb.) + a petri csésze esetében agaragar, amely a tápoldatot gélesíti meg‐>szilárd táptalaj.
13
14
15
16
17
18
19
Fülke bekapcsolása (UV+ légáram ~15min), oltókacs leégetése (vörös izzás), steril térben lehűlés, agaros kémcső leégetése, kupak nyitás, mintavétel, zárás, üres agar nyitás, beoltás, zárás kacs égetés‐> átoltott inkubálása Mikrobák veszélyességi osztájai a WHO ajánlása alapján BSc Level 1‐4 (BioSafety Class): 1: mindennapos, akár humán mikroflóra – 4:legveszélyesebb.
20
Dózis jelentősége: nagy dózis: sok mutáns, de kevés túlélő, kis dózis: sok túlélő, kevés mutáns (van DNS javító mehanizmusa a sejteknek!) Itt is nagyszámú tenyészetet kell vizsgálni, tehát szükséges egy specifikus és érzékeny módszer a céltulajdonság detektálására, amely sorozatelemzésre rövid idő alatt képes.
21
Tree of Life = az élet fája
22
Tree of Life = az élet fája
23
Tree of Life = az élet fája
24
Tree of Life = az élet fája
25
Ascomyceták között: Aspergillus, Penicillium fajok (szerves savak, antibiotikumok) Zygomyceták között: Rhizopus, Mucor fajok használatosak
26
27
28
29
30
31
Egyes tudósok szerint a fehérbiotechnológia első generációja volt, hogy a növények által felépített biomasszából mikrobák lebontó folyamatainak segítségével épült a biotechnológia, és a jövő útja a növényi potenciál kiaknázása, mert ott számos felépítő anyagcsere út található (nyilván nem növényekkel kell elképzelni a termelést a jövőben, hanem a növényi útvonalak mikrobákba történő kifejezésével).
32
33
34
35
36
