Biotechnologia 1400-114BT

Wykład z biotechnologii obejmuje: Wprowadzenie do biotechnologii: definicja terminu biotechnologia, rys historyczny przedmiotu, literatura tematu. Perspektywy rozwoju biotechnologii - dane statystyczne związane z biotechnologią, biotechnologia 21 wieku, społeczne i prawne aspekty rozwoju biotechnologii (obecny stan prawny, GMO, działania polityczne, błąd zaniechania, przywileje konsumenta, lista potencjalnych zagrożeń, perspektywy, kierunki rozwoju i elementy specyficzne rozwoju. Metodyka opracowywania procesu biotechnologicznego: modernizacja i innowacja procesu technologicznego, tworzenie nowych biotechnologii, faza wstępna, badawcza i wdrożenie procesu, etapy opracowywania biosyntezy (pozyskiwanie odpowiednich drobnoustrojów, wstępne ustalenie warunków ich hodowli, doskonalenie cech produkcyjnych szczepów, optymalizacja bioprocesowa, powiększanie skali procesu, uruchomienie produkcji. Drobnoustroje w biotechnologii. Przegląd najważniejszych procesów, kształtowanie przebiegu procesu biotechnologicznego, dobór szczepu, prowadzenie kultury, przechowywanie szczepów, technologia bioprocesowa (fermentacje prowadzone przez drobnoustroje, technologia rekombinowanego DNA. Bakteriofagi i bakterie w biotechnologii – genetyka bakterii a biotechnologia, podstawy inżynierii genetycznej i bio-nanotechnologia. Rodzaje klonowań - klonowanie molekularne i klonowanie komórkowe. Typy hodowli – omówienie najważniejszych typów hodowli drobnoustrojów i ich znaczenia w produkcji. Poszukiwanie nowych metabolitów wtórnych – screening biologiczny i chemiczny antybiotyków, zastosowanie chromatografii cieczowej i gazowej w procesie analizy produktów pohodowlanych, izolacja i oczyszczanie nowych antybiotyków. Zastosowania biotechnologii w medycynie, rolnictwie, przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i ochronie środowiska. Mechanizmy patogenezy a produkcja szczepionek – zastosowanie żywych wektorów w biotechnologii szczepionek najnowszej generacji (indukcja odporności wewnątrzkomórkowej, znajomość molekularnych mechanizmów działania toksyn i innych determinantów zjadliwości w projektowaniu szczepionek najnowszej generacji, cienie bakteryjne), a także zastosowanie w walce z rakiem. Przegląd podstawowych mechanizmów modyfikacji kontroli negatywnej metabolizmu związków tj. zmiany preferencji metabolicznych, aktywności enzymów, regulacja przez dodatek prekursorów, wykorzystanie mutantów auksotroficznych i regulatorowych czy zmiana przepuszczalności błony komórkowej. Przegląd podstawowych technologii biochemicznych. Nadprodukcja kwasu cytrynowego oraz lizyny i glutaminy. Metabolity wtórne (idiolity). Drogi ich biosyntezy (szlak ketonowy, mewalonowy, Rohmera, biosynteza aminokwasów peptydowych). Specyficzne mechanizmy regulacji biosyntezy idiolitów (represja kataboliczna, regulacja przez związki azotu, fosforu czy poziom energetyczny w komórce). Wykorzystanie mikroorganizmów i enzymów do transformacji związków (rozdzielanie mieszanin reacemicznych, fermentacje, biotransformacja antybiotyków, sterydy). Hydrobiometalurgia - wykorzystanie mikroorganizmów do ługowania metali (żelaza, uranu), oraz ich zatężania i akumulacji.

Program ćwiczeń obejmuje zagadnienia ściśle związane z programem wykładów. Do proponowanych tematów należą: Zapoznanie z podstawowymi technikami i metodami stosowanymi w biotechnologii oraz zaprezentowanie wykorzystania mikrobiologii w biotechnologii medycznej i przemysłowej. Konstrukcja, hodowla i charakterystyka mikroorganizmów transgenicznych, które mogą mieć zastosowanie przy projektowaniu szczepionek nowej generacji. Znajomość molekularnych mechanizmów działania toksyn i innych determinantów zjadliwości w projektowaniu szczepionek najnowszej generacji - realizowana w ćwiczeniu obejmującym oznaczanie aktywności toksyn bakteryjnych, określenie cytotoksyczności wybranych czynników patogenezy Listeria monocytogenes na modelu komórek eukariotycznych, izolację DNA chromosomalnego i amplifikację genów kodujących determinanty patogenezy metodą reakcji PCR. Temat ten jest realizowany również w ramach zajęć dotyczącego zastosowania białek bakteryjnych patogenów w medycynie poprzez wykazanie aktywności streptokinazy Streptococcus equisimilis produkowanej przez rekombinowane szczepy Escherichia coli. Wyciszanie ekspresji genów bakteryjnych na poziomie RNA umożliwia wszechstronną modyfikację mikroorganizmów oraz stwarza nowe możliwości zwalczania bakterii patogennych. Ten temat jest realizowany w ramach ćwiczenia umożliwiąjącego poznanie zasad projektowania sztucznych cząsteczek RNA na przykładzie atsRNA (ang. artificial trans-encoded small RNA) oraz ocenę efektywności wyciszania ekspresji genów metabolizmu podstawowego E. coli przy udziale atsRNA. Biosurfaktanty bakteryjne stanowią alternatywę dla stosowanych syntetycznych surfaktantów. Dzięki wykazywanym właściwościom biosurfaktanty mogą być praktycznie wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym, mogą być również stosowane w bioremediacji gleby z produktów ropopochodnych i metali ciężkich. Ćwiczenia pozwolą na identyfikację szczepów bakteryjnych, które produkują substancje powierzchniowo czynne, pozwolą również ocenić czy związki te produkowane są w sposób konstytutywny, czy też ich produkcja wymaga obecności induktora. Ponadto wykonana zostanie charakterystyka badanych szczepów pod kątem produkcji emulgatorów. Wykorzystanie prostych metod do oczyszczania i izolowania związków: oczyszczanie związków metodą ekstrakcyjną połączoną ze zmianą pH (do izolowania kwasów tłuszczowych z hydrolizatu oleju roślinnego, glikoalkaloidów z ziemniaka); metody izolowania lipidów ze świeżego materiału z wykorzystaniem chromatografii adsorpcyjnej (glikolipidy, steroidy, barwniki izoprenoidowe); zastosowanie metod selektywnego wytrącania i ekstrakcji do otrzymywania fosfolipidów, wolnego i związanego glikozydowo kwasu oleanolowego, antocyjanów); wyodrębnianie polisacharydów (skrobi i jej składników, pektyn). Wykorzystania chromatografii powinowactwa do oczyszczania białek ze złożonych mieszanin: oczyszczanie frakcji immunoglobulin G z surowicy krwi królika na kolumnie z białkiem A związanym z agarozą. Poszczególne fazy oczyszczania analizuje się za pomocą elektroforezy w żelu poliakryloamidowym z dodatkiem SDS (SDS-PAGE) wg metody Laemmliego. Masę cząsteczkową oczyszczonych białek wylicza się korzystając z wzoru na ruchliwość w rozdziale elektroforetycznym, wykorzystując białkowe wzorce masy. Zastosowanie unieruchomionych komórek do prowadzenia reakcji enzymatycznych w bioreaktorze: drożdże unieruchomione w żelu alginianowym stosuje się do przekształcenia glukozy w etanol w mikroreaktorze przepływowym. Kinetykę wytwarzania etanolu monitoruje się, oznaczając jego stężenie za pomocą reakcji enzymatycznej sprzężonej z redukcją NAD+; stężenie powstającego NADH oznacza się spektrofotometrycznie.