Definice biotechnologie

Biotechnologie je integrace přírodních a in�enýrských věd za účelem dosáhnout aplikace organismů, buněk, jejich částí a molekulárních analogů na produkty a slu�by. 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, slu�by nebo polotovary na dal�í zpracování. Procesy jsou realizovány �ivými buňkami, jejich slo�kami nebo katalyticky aktivními produkty v umělém materiálním prostředí (obvykle biochemický reaktor). Je to zároveň vyu�ití 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.

Bioin�enýrství (biochemické in�enýrství) � biotechnologické operace a procesy

Mikrobiální technologie, enzymové in�enýrství�

KATEGORIE METABOLISMU Znak termíny od r. 1946 tradice Zdroj energie �ivý organismus paratrofie nitrobuněčný

parazitismus chemická reakce chemotrofie fotochemická reakce fototrofie fotosyntéza Donor elektronu anorganický litotrofie chemosyntéza

fotosyntéza organický organotrofie heterotrofie Zdroj uhlíku pro stavbu buněk CO2 autotrofie autotrofie organické látky heterotrofie heterotrofie

ATP monomery

syntéza polymerů

O2 H2O ATP HHmmmmm CO2 [CH2O]n anorg. e

CO2

přenos elektronů fosforylace

přeměna jednoduch.molekul

[ H ]

přenos fosfo

ATCalvin. c.

přeměna jednod. molekul

NADH

ATP

-

syntéza polymerů

eleryl

P

m

monomery

O2

H2O

ktronů ace

syntéza polymerů

onomery

I II

λ > 685 nm H2O λ < 685 nm CO2

Tra Etapy vývoje bPivo, víno, oceOrganické kys Antibiotika Insulin, interfeenzymy, (bio)tEnvironmentálanorganickýchTerapeutické kembryonálních

NADH

Calvin

přejedmo

[H] HOH [OH]

O2

diční a mo

iotechnologt (a dal�í kveliny�

ron, vakcínyě�ba kovů, mní biotechno kontaminaclonování, př kmenových

přenos elektronů fosforylace

P

měna nod. lekul

syntéza

AT

derní biotechnologie

ie. asné potravinářské produkty)�

, vitaminy a dal�í léčiva, technické onoklonální protilátky �

logie � likvidace organických a í. enos jader a produkce buněk.

polymerů

monomery

Suroviny v pivovarnictví� Humulony

Lupulony

Resupony

CH . CH2 C

CH2 . CHOHO

OH

R

O

CH3C

H3C

CCH3

CH3

R = -CH2 . CH(CH3)2

OH

C

OH

CH2 . CHCH . CH2

CH . CH2

O

R

O

CH3C

H3C

CCH3

CH3

CCH3

CH3

O

C

AB

R

O

OOH

Sladové enzymy

β - amylasa

α - amylasa

O

CH2OH

O

O

CH2OH

O

CH2

O

OO

O

CH2OH

O

O

CH2OH

OH

β - amylasa p =

( )A

nA0665,1100

1000665,2+

+

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 � a� 800 hl nálev oxidační hobliny prostor sběrný vzduch prostor

Sekundární metabolismus U mikrobů často limitace N X X C 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 H2O dehydrogenasa dehydrog. R-CH3 R-CH2OH R-CHO R-COOH hydroxylasa alkoholu aldeh. ( monooxygenasa ) β-oxidace

( membrána )

CH3CO∼ SCoA NADH reduktáza (FP) Fe-protein (přena�eč O2) P450

hydroxylasa

Aromatické uhlovodíky orto�těpení kruhu ( oxygenasy ) : H OH O2 OH O2 COOH OH COOH H OH katechol cis,cis � mukonát COOH COOH H2O COOH HS - CoA C = O C = O COOH mukonolakton lakton kys. kys. β-oxoadipová β-oxoadipové sukcinát + CH3CO∼ SCoA

meta�těpení : OH O2 OH O H2O OH COOH COOH CHO CHO CO2 aldehyd kys. α hydroxy-mukonové O H2o OH O COOH COOH ( aldolasa ) 2-oxopent-4-enoát 4-hydroxy, 2-oxovalerát CH3-CHO + CH3-CO-COOH

PCB

R R'

R''

ClCl1-5

O2

O2

O

R'R

R''

OHCOOH

ClOH OH

COOHCl1-5

CHR - CR' - CHR'' - CO - COOH

1-5

1-5Cl1-5

H2O

OH OH

COOH

Cl

ClCOOH

Cl

COOH

Cl

COOH

Cl Cl

COOHCl

ClCl

O2O2 O2

COOH OH

Cl

OH

H

COOH OH

Cl

OH

H

COOH OHOHH

ClCl

OH

OH

Cl

OH

OH

Cl

OHOH

ClCl

CO2CO2

HCl HCl

O2O2

O2

COOHCOOH

Cl

COOHCOOH

Cl

COOHCOOH

Cl Cl

HCl HCl HCl

COOHO

COOHO O

Cl

COOH

H2O H2O H2O

COOH COOH COOH

Cl

COOH COOH COOH

O O

O

OO

O

Praxe v biodegradaci ropných látek (RL)

(Bio)venting

odsávání vzduchu odsávání RL (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 (a� stovky odběrů). Nepřímé metody: spotřeba O2, produkce CO2 mikroflorou, ze stechiometrie např.: C10H18 + 14,5 O2 → 10 CO2 + 9 H2O Respirační sonda: vypnuto provzdu�ňovaní a odsávaní, účinnost na 1m3 zeminy ⇒ biodegradační aktivita v

denkgRLmg

.

Anaerobní či�tění odpadů � bioplyn

2HCOO¯ + H2O → CH4 + CO32¯

CH3COO¯ + H2O → CH4 + HCO3¯ komplexní symbióza

4H2 + HCO3¯ + H+→ CH4 + 3H2O

2H+ + 2Fdred H2 + 2Fdox ( hydrogenasa )

Toxické kovy Bioakumulace (houby, rostliny, mikroorganismy; principy).

Systémy imobilizace kovů. Biosorbenty, adsorpční izoterma, problémy praxe.

Biohydrometalurgie (mikrobiální lou�ení): 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 citrát Krebsův cyklus CH2

COOH

Heterotrofní fixace CO2

1935 baktérie, dnes vět�ina organismů doplňování meziproduktů Krebsova cyklu slou�ících biosyntetickým drahám 1) COOH COOH PEP CO � P + CO2 CO + P karboxylasa CH2 CH2 COOH rovnováha 2) CH3 COOH pyruvátkarboxylasa CO + CO2 + ATP CO + ADP + P biotin COOH CH2 COOH 3) CH3 dekarboxylující COOH malátdehydrogenasa CO + CO2 + NADPH + H + CHOH + NADP COOH CH2 COOH

- biosyntetická reakce, CO2 je stavebním prvkem pro vět�í

molekuly COOH COOH CH � NH2 CH � NH2 CH2 + CO2 + ATP CH2 + ADP + NH2COO � P CH2 CH2 O C COOH pyrimidin NH2 arginin

Fixace N2 4/5 atmosféry, pouze bakterie, sinice. Vinogradskij 1895 Asi 50 druhů bakterii a sinic symbióza Bakterie volně �ijící � aerobní, fakult. anaer., anaerobní Bakterie na Zemi : 175 . 106 t N2 / rok Chemická fixace ( hnojiva z N2 ) : 44 . 106 t / rok Dal�í chemická fixace ( N-oxidy z N2 a O2 v motorech, UV): 40 . 106 t Fixace N2: symbiotické bakterie 300 kg N2 / ( hektar. rok ) volně �ijící bakterie: 1 kg / (hektar. rok )

glukosa O2 5 pyruvát NADH 4 ferredoxin N2 izocitrát NADPH 1 2 flavodoxin 3 NH3 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 :

O2

CH4 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 2 H � CO � P 2-P-glycerát COH 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 dal�ích substrátech CH3OH + O2 HCHO + H2O2 H2O ½ O2 CO2

C2H5OH + O2 CH3COOH CO2 Dal�í 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. srá�ení ). C z odpadů ( �krob, melasa, řepa, sulfit. výluhy, hydrolyzáty exkrementů, sláma, dřeviny,�.chem. i enzym. rozklad ( Trichoderma viridae, T. reesei ). Krmné dro�dí - melasa, synt. etanol, sulfit. výluhy, tekuté odpady po kyselině citronové, lihovarské výpalky. Potenciálně největ�ím zdrojem � lignocelulózové odpady - nyní hydrolýza k. sírovou, jinak celulasy. Bakterie - proti kvasinkám růst nad 40° C � rychlej�í a a� 70 % bílkovin, některé podobné poměry esenc. AK jako u �ivočichů. Nevýhoda � men�í 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, snadněj�í 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 zahu�tění. 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, men�í ekologická zátě�, vyu�ití odpadů a dal�ích surovin. Velkovýkrmna s 10 000 ks prasat produkuje 207 t čisté bílkoviny / rok. Jeden kraj ročně a� 1,5 mil. t slámy � kyselá hydrolýza → roztok cukrů pro 440 000 t su�iny Candida utilis ⇒ 110 000 t čisté bílkoviny. Z 1,5 mil. t slámy je teoreticky mo�né získat tolik čisté bílkoviny jako z 500 velkovýkrmen (z problematickým odpadem). Kromě 110 000 t čisté bílkoviny je�tě 330 000 t krmné bílkoviny.

Z obnovitelných zdrojů Zdroj uhlíku a energie typ organismu pou�ití CO2, světlo řasy krmivo potraviny organ. odpady, světlo fotosynt. bakterie krmivo celulóza a hemicelul. aktinomycety (zeměděl., lesnické bakterie krmiva odpady a vedlej�í houby produkty �krob (odpady zeměděl. kvasinky krmivo a potravinářské ) plísně potraviny houby cukry ( řepný, třtinový, kvasinky krmivo melasa, sulfit. výluhy ) houby potraviny Z neobnovitelných zdrojů methan bakt., kvasinky krmivo n-alkany

Petrochemické výrobky methanol bakt., kvasinky krmivo, potrav. ethanol bakt., kvasinky krmivo, potrav. odpady z chem. bakt., kvasinky průmyslu. houby krmivo