Metabolismus a aplikace

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