Výukový portál Biotechlab Biotechnologie jsou perspektivním a neustále se rozvíjejícím oborem, který zahrnuje celou řadu výrobních technologií využívající jak mikrobiální, tak i živočišné a rostlinné buňky k produkci širokého spektra metabolitů s různou funkcí a využitím. Jelikož se jedná o obor, který je multidisciplinární, musí si studenti osvojit širokou škálu znalostí z různých oborů jako jsou biochemie, mikrobiální fyziologie, bioinženýrství, molekulární biologie, matematika nebo zpracování a analýza dat, aby byli schopni podílet se na vývoji a optimalizaci jak klasických, tak i nově se rozvíjejích biotechnologických výrobních procesů. Výukový portál Biotechlab je účinným nástrojem, který formou e-learningu poskytuje studentům hluboké teoretické i praktické znalosti z oboru biotechnologií. Tento výukový portál, který byl vyvinut v rámci státního programu Swiss Virtual Campus, je již od roku 2000 úspěšně využíván ve výuce několika evropskými universitami (Swiss Institute of Technology, Zurich University of Applied Sciences, University of Basel nebo University of Dortmund). Součástí portálu je kromě teoretické části zahrnující základní principy jednotlivých kultivačních modelů včetně bilančních rovnic i soubor modelových úloh, které jsou spolu se simulačním programem studentům dostupné on-line a které pomáhají prohloubit jejich teroretické znalosti. Práce s výukovým portálem povede studenty k tomu, aby si osvojili standardní metody vědecké práce zahrnující vytvoření hypotéz, návrh experimentu a jeho provedení, analýzu dat a interpretaci výsledků. Využití tohoto výukového portálu vhodným způsobem doplňuje výuku v předmětech Kultivační techniky, Technologická cvičení a Laboratoř biotechnologií a připravuje studenty na řešení konkrétních úkolů, se kterými se mohou setkat v praxi. Návod k použití výukového portálu Biotechlab Biotechlab je interaktivní pomůcka, která umožňuje simulovat biotechnologické procesy za pomoci vytvořených modelů a softwaru Java, který je on-line dostupný přímo na webových stránkách protálu. Pomocí výukového portálu lze pro jednotlivé kultivační modely vypočítat časovou závislost proměnných, kterou lze zobrazit graficky nebo formou tabulky zahrnující numerické hodnoty, s nimiž lze dále pracovat. Dále lze upravovat vstupní podmínky experimetnu (např. koncentrace substrátu, biomasy a dalších proměnných) a tak získávat řešení pro různé varianty téhož experimentu, což vede k lepšímu pochopení vztahů mezi jednotlivými parametry a naučí studenty správně plánovat konkrétní praktické úlohy prováděné v rámci Laboratoří biotechnologií a Technologických cvičení. Vytvořené modelové situace lze použít také pro zpracování vlastních experimentálně získaných dat, což umožňuje získat povědomí o vztahu mezi teoretickými předpoklady a reálnými výsledky získanými při konkrétním experimentu. 1. Výukový portál se nachází na adrese http://www.biotechlab.net 2. Před začátkem práce s tímto výukovým portálem je potřeba nainstalovat is program Java.
3. Instalace programu Java: Přejděte na stránku http://java.sun.com/products/archive/j2se/6u1/index.html, zvolte instalaci JDK6u1, klikněte na download. V kolonce Platform vyberte Windows, zaškrtněte souhlas s licenčními podmínkami a klikněte na Continue
Pokračujte výběrem jdk-6u1-windows-i586-p.exe 56.06 MB, po kliknutí na tento soubor zvolte Uložit. Poté si soubor nainstalujte do vašeho počítače.
4. Po nainstalování programu Java spusťte výukový portál, který se nachází na adrese http://www.biotechlab.net
5. V levé záložce se nachází soubor nazvaný Kurz_VŠCHT Praha, se kterým budete pracovat. 6. Po kliknutí na odkaz Download_Učební materiály se objeví přehled kurzu, který obsahuje: Odkaz na instalaci Java Informační leták Cvičení 1, které zahrnuje: o teoretický úvod o matematický model o simulační úlohu – spotřeba substrátu a nárůst biomasy ve vsádkové kultivaci o odkaz na experimentální data o postup simulace, analýzu různých variant experimentu o porovnání vlastních experimentálních dat získaných v rámciTechnologických cvičení s hodnotami získanými simulací o využití simulace k naplánování vlastního experimentu o test znalostí
Cvičení 1 – vsádková kultivace Teoretický úvod Cílem úlohy je seznámení s růstem mikrobiální kultury ve vsádkovém procesu, rozlišení fází růstu biomasy (růstová křivka) a pochopení významu jednotlivých parametrů, které mohou kultivaci ovlivňovat. Do vytvořených simulačních úloh lze zadat různé počáteční hodnoty koncentrace biomasy a substrátu (X0, S0), a to buď vlastní experimentální data nebo data převzatá z literatury a po spuštění simulace lze získat časové průběhy proměnných pro zvolenou dobu kultivace. Simulační program zároveň umožňuje vypočítat parametry charakterizující růst biomasy (µmax, YX/S). Data jsou získávána jak ve formě časových závislostí (grafů), tak i ve formě tabulek. Tento nástroj lze použít jednak při interpretaci vlastních experimentálních dat (porovnání reálného chování kultury s modelovým ideálním případem) nebo při plánování dalších experimentů, kdy lze pro zvolené počáteční podmínky kultivace získat pravděpodobný časový průběh jednotlivých proměnných. Zároveň lze úlohu využít jako učební pomůcku sloužící k procvičení teoretických základů – změnou výchozích parametrů v předdefinovaném scénáři experimentu lze měnit koncentraci inokula nebo počáteční koncentraci substrátu (nebo obojí) a sledovat, jak tato změna ovlivní průběh kultivace (obr.1). Dále lze sledovat vliv Ks nebo µmax v kombinaci s počáteční koncentrací substrátu nebo koncentrací inokula na průběh procesu (růst biomasy, spotřeba substrátu, délka exponenciální fáze růstu) a kombinovat jednotlivé možnosti tak, aby došlo k hlubšímu pochopení souvislostí.
hodnoty časové závislosti X(t) vypočtené simulačním programem pro základní nastavení (data převzatá z Varma and Palsson (1994)) 1 - časový průběh nárůstu biomasy pro dvojnásobnou počáteční koncentraci biomasy Xo 2- časový průběh nárůstu biomasy pro dvojnásobnou počáteční koncentraci glukosy So
Obr. 1 – simulace průběhu vsádkové kultivace – změna X0 a S0
hodnoty časové závislosti X(t) vypočtené simulačním programem pro základní nastavení (data převzatá z Varma and Palsson (1994)) 1 - časový průběh nárůstu biomasy pro dvojnásobnou specifickou růstovou rychlost µmax 2- časový průběh nárůstu biomasy pro poloviční výtěžnost YX/S
Obr. 2 – simulace průběhu vsádkové kultivace – změna µmax a YX/S
1. Model procesu – popis vsádkové kultivace pomocí soustavy diferenciálních rovnic Model popisuje spotřebu substrátu S a nárůst biomasy X při vsádkové kultivaci v bioreaktoru s pracovním objemem V.
Obr. 3 – bioreaktor pro vsádkovou kultivaci Při vytváření modelu byly zohledněny následující paralelně probíhající procesy: nárůst biomasy a spotřeba substrátu (podle Monodova modelu), odumírání buněk a spotřeba energie na maintenance účely (udržení životních funkcí). Kultivace je popsána systémem dvou diferenciálních rovnic prvního řádu a výsledkem simulace je typický časový průběh proměnných S a X.
-
naměřená data modelem vypočtený průběh
Obr. 4 – spotřeba substrátu a nárůst biomasy při vsádkové kultivaci– data převzatá z literatury (Varma and Palsson (1994)) Soustava diferenciálních rovnic popisujících vsádkovou kultivaci:
Kinetický model:
2. Simulační úloha – spotřeba substrátu a nárůst biomasy ve vsádkové kultivaci Data použitá v tomto cvičení jsou převzata z publikace Varma a Palsson (1994). Jedná se o vsádkovou kultivaci E. coli K12 (kmen W3110) na minerálním médiu, které obsahuje jako zdroj uhlíku a energie glukózu. Kultivace probíhá aerobně při teplotě 38OC. Pomocí simulačního programu lze sledovat vliv počátečních podmínek kultivace (X0, S0) a růstových parametrů (µmax, YX/S, Ks) na průběh kultivace.
3. Odkaz na experimentální data Experimentální data byla převzata z publikace Varma a Palsson (1994). V následující tabulce jsou uvedeny časové závislosti koncentrace biomasy a zdroje uhlíku a energie (glukosy) v průběhu kultivace.
čas kultivace (h)
X (g.l-1)
S (mM.l-1)
0,00 1,75 2,50 3,10 3,50 4,25 4,75 5,25 5,80 6,25 6,80 7,25 7,85 8,25 8,80 9,25 9,75 10,25
0,003 0,010 0,020 0,038 0,044 0,080 0,110 0,160 0,220 0,310 0,440 0,585 0,735 0,720 0,724 0,728 0,733 0,731
10,750 10,740 10,350 10,150 9,900 9,500 8,800 8,250 7,250 6,100 4,350 2,100 0,600 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
4. Postup simulace, analýza různých variant experimentu • Tabulku experimentálních dat převeďte do Excelu a koncentraci glukosy přepočtěte z mM na g.l-1. • Spusťte simulační program (kliknutím na ikonu trojúhelníku vlevo nahoře), zvolte kultivační systém Batch a scénář batch. Nechte proběhnout simulaci pro data zadaná v modelu • Načtěte data z vaší excelové tabulky do okna simulace (Data Edit data - Paste data – Select graphs – OK, poté zkopírujte vaše excelová data pomocí Ctrl+C a vložte je do připraveného okna pomocí Ctrl+V) a porovnejte je se simulovanou křivkou. • Změňte počáteční podmínky ve scénáři Batch tak, že zadáte počáteční podmínky z vaší excelové tabulky a nechte proběhnout simulaci pro tato data. Porovnejte takto získanou křivku s předchozí simulací. Potom změňte růstové parametry µmax, YX/S tak, aby simulované křivky co nejlépe odpovídaly vašim načteným hodnotám. • Z dat ve vaší excelové tabulce vypočtěte µmax a YX/S a porovnejte tyto hodnoty s hodnotami získanými simulací.
• • •
•
• • •
Rozlište jednotlivé fáze růstu biomasy (lag fáze, exponenciální fáze, stacionární fáze) Zkuste změnit počáteční koncentraci biomasy (zdvojnásobit a ztrojnásobit), proveďte simulaci pro jednotlivé případy a sledujte, jak množství inolkula ovlivní průběh kultivace. Zkuste změnit počáteční koncentraci glukosy (zdvojnásobit, ztrojnásobit, změnit na polovinu), pro jednotlivé případy proveďte simulaci a sledujte, jak počáteční koncentrace substrátu ovlivní průběh kultivace. Zkuste změnit hodnotu saturační konstanty Ks (zdvojnásobit, ztrojnásobit), nechte proběhnout simulaci a sledujte, jak tento parametr ovlivní průběh kultivace. Totéž proveďte pro poloviční počáteční koncentraci substrátu. Zkuste změnit hodnotu maximální specifické růstové rychlosti (zvýšit o 10, 30 a 50%) a pro výchozí podmínky sledujte, jak tato změna ovlivní průběh kultivace. Zkuste změnit výchozí podmínky experimentu tak, aby se celková doba kultivace zkrátila o 2 hodiny. Diskutujte jednotlivé případy, popište vliv velikosti inokula, výchozí koncentrace substrátu, saturační konstanty a růstové rychlosti na průběh vsádkového procesu. Své úvahy zdůvodněte.
5. Porovnání vlastních experimentálních dat získaných v rámci Technologických cvičení s hodnotami získanými simulací Postup cvičení: • Přečtěte si teoretický úvod a seznamte se s modelem procesu • V excelu vytvořte tabulku vašich naměřených výsledků – čas kultivace, koncentrace glukosy, koncentrace biomasy, pro zadané proměnné vytvořte graf časových závislostí X=f(t) a S=f(t) • Vynesením závislost ln(x) na čase určete fázi exponenciálního růstu biomasy a z experimentálních dat vypočtěte i maximální růstovou rychlost (µmax) a výtěžnost biomasy na spotřebovaný substrát (YX/S). • Pro vaše naměřená data rozlište jednotlivé části růstové křivky – lag fáze, exponenciální fáze, stacionární fáze • Spusťte simulační program (kliknutím na ikonu trojúhelníku vlevo nahoře), zvolte kultivační systém Batch a scénář batch, načtěte svá naměřená data. Simulujte časové průběhy růstu biomasy a spotřeby substrátu zadáním počátečních podmínek vašeho experimentu (X0, S0) a hodnot Ks, YX/S a µmax. Porovnejte vaše naměřené křivky s křivkami vytvořenými simulačním programem, najděte a zdůvodněte rozdíly.
6. Seznam symbolů: Symbol X S t µ µmax YX/S Ks ms
Jednotka -1
g.l g.l-1 h h-1 h-1 g.g-1 g.l-1 -
Význam Koncentrace biomasy Koncentrace substrátu čas Specifická růstová rychlost Maximální specifická růstová rychlost Výtěžnost biomasy na spotřebovaný substrát Saturační konstanta Maintenance koeficient
7. Reference Varma A. a Palsson, 1994. Stoichiometric Flux Balance Models Qunatitatively Predict Growth and Metabolic By-Product Secretion in WildType Escherichia coli W3110. Appl. Environ. Microbiol. 60:3724-3731.
