ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας Ζαχόπουλος Χριστόφορος Βιολόγος 1ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΠΕΡΙΣΤΕΡΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας

Βιοτεχνολογία διαδικασία παραγωγής προϊόντων από ακατέργαστα υλικά με τη βοήθεια ζωντανών οργανισμών (Kark Ereky 1919) Πρώτες εφαρμογές Βιοτεχνολογίας αποτελούσαν οι διαδικασίες παραγωγής ψωμιού, μπύρας και κρασιού πριν χιλιάδες χρόνια

Σήμερα Βιοτεχνολογία: συνδυασμός Επιστήμης και Τεχνολογίας με στόχο: εφαρμογή γνώσεων από τη μελέτη ζωντανών οργανισμών για παραγωγή σε ευρεία κλίμακα χρήσιμων προϊόντων για τον άνθρωπο όπως: εμβόλια, φάρμακα και τρόφιμα (γεωργία, ιατρική, κτηνοτροφία, βιομηχανία, προστασία του περιβάλλοντος) Χρήση τεχνικών καλλιέργειας μικροοργανισμών και τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA

Μικροβιακές καλλιέργειες Όταν οι μικροοργανισμοί βρεθούν σε κατάλληλες συνθήκες, αυξάνονται σε μέγεθος και διαιρούνται με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού τους Χρόνος διπλασιασμού = Καθορίζει τον ρυθμό ανάπτυξης ενός μικροβιακού πληθυσμού το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών διαιρέσεων (ρυθμός με τον οποίο διαιρούνται τα κύτταρα)

Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών Διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών Πηγή άνθρακα CO2 για αυτότροφους (κυανοβακτήρια) οργανικές ενώσεις (π.χ. υδατάνθρακες) για ετρότροφους Μεταλλικά ιόντα Απαραίτητα για χημικές αντιδράσεις & ως συστατικά χημικών μορίων Πηγή αζώτου Αμμωνιακά (NH4+) ή νιτρικά ιόντα (ΝΟ3-) Νερό

Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών Τα περισσότερα βακτήρια αναπτύσσονται σε pH 6-9 εξαιρέσεις όπως τα βακτήρια του γένους Lactobacillus που αναπτύσσονται σε πιο όξινο pH (pH 4-5) Υποχρεωτικά αερόβιοι → αναπτύσσονται μόνο παρουσία Ο2 (π.χ. Mycobacterium) Προαιρετικά αερόβιοι → αναπτύσσονται ταχύτερα παρουσία Ο2 (π.χ. ζυμομύκητες) Υποχρεωτικά αναερόβιοι → αναπτύσσονται μόνο απουσία Ο2 (π.χ. Clostridium)

Παράγοντες που επηρεάζουν την ανάπτυξη των μικροοργανισμών Μεσόφιλοι (20–45οC) → π.χ. E. coli (37οC) Θερμόφιλοι (>45οC) → βακτήρια σε θερμοπηγές Ψυχρόφιλοι (<20οC) → βακτήρια σε ωκεανούς

Καλλιέργειες μικροοργανισμών σε εργαστήριο Πρωτοπόρος ο Louis Pasteur στη Γαλλία Βασικές προϋποθέσεις Απομόνωση βακτηρίων ή μυκήτων Παρασκευή κατάλληλων τεχνητών θρεπτικών υλικών (πηγή C, πηγή Ν και ιόντα), υγρών ή στερεών (άγαρ = πολυσακχαρίτης από φύκη). Το άγαρ είναι ρευστό σε θερμοκρασίες πάνω από 45οC Διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης

Καλλιέργειες μικροοργανισμών σε εργαστήριο Εμβολιασμός = προσθήκη μικρής ποσότητας κυττάρων κάποιου μικροοργανισμού (ή κάποιων μικροοργανισμών) στο θρεπτικό υλικό με σκοπό το σχηματισμό καλλιέργειας Τοποθέτηση σε κλίβανο (ελεγχόμενη θερμοκρασία, ΡΗ, Ο2) Παραγωγή μεγάλου αριθμού μικροοργανισμών σε μικρό χρονικό διάστημα (12-76 ωρών) Οι καλλιέργειες των μικροοργανισμών μπορούν να διατηρηθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα στην κατάψυξη (-80 οC) Είναι σημαντικό να αποφευχθεί η μόλυνση μιας καλλιέργειας ενός μικροοργανισμού από άλλους μη επιθυμητούς μικροοργανισμούς → αποστείρωση θρεπτικών υλικών και συσκευών πριν την έναρξη της καλλιέργειας

Καλλιέργειες μικροοργανισμών σε μεγάλη κλίμακα (Βιομηχανική καλλιέργεια) Βιοαντιδραστήρες ή ζυμωτήρες Θρεπτικό μέσο : Μόνο υγρό Πηγή C : μελάσα (φθηνό παραπροϊόν του σακχαροκαλάμου) Ρύθμιση θερμοκρασίας, PH, συγκέντρωσης οξυγόνου Αποστείρωση βιοαντιδραστήρα και θρεπτικού μέσου Εμβολιασμός θρεπτικού μέσου με αρχική καλλιέργεια μικροοργανισμών που έχει γίνει στο εργαστήριο Ζύμωση : ανάπτυξη μικροβίων σε υγρό θρεπτικό μέσο κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες (αερόβιες ή αναερόβιες) Παραγωγή στερεής βιομάζας (μικροβιακά κύτταρα) ή υγρής (προϊόντα κυττάρων) Διαχωρισμός στερεής από υγρής μάζας και απομάκρυνση προσμίξεων

Τύποι μικροβιακών καλλιεργειών Κλειστή καλλιέργεια Συνεχής καλλιέργεια Στο βιοαντιδραστήρα τοποθετείται ορισμένη ποσότητα αποστειρωμένου θρεπτικού υλικού Εμβολιασμός με αρχική καλλιέργεια μικροοργανισμών Παραγωγή επιθυμητού προϊόντος Τροφοδότηση μικροοργανισμών συνεχώς με θρεπτικά συστατικά Απομάκρυνση άχρηστων και τοξικών ουσιών του μεταβολισμού τους Απομάκρυνση των κυττάρων στο τέλος της εκθετικής φάσης Συνεχής παραγωγή χρήσιμων προϊόντων

Φάσεις ανάπτυξης των μικροοργανισμών Λανθάνουσα φάση: φάση προσαρμογής των κυττάρων, σταθερός πληθυσμός Εκθετική φάση: ταχύς ρυθμός ανάπτυξης λόγω άριστων συνθηκών θερμοκρασίας, οξυγόνου, PH Στατική φάση: σταθερός ο αριθμός του πληθυσμού, λόγω εξάντλησης θρεπτικού μέσου και συσσώρευσης τοξικών προϊόντων του μεταβολισμού των μικροοργανισμών Φάση θανάτου: ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται Παραγωγή χρήσιμων προϊόντων κατά την εκθετική και στατική φάση της καμπύλης ανάπτυξης

Στάδια τελικής κατεργασίας-καθαρισμός Διαχωρισμός στερεής και υγρής μορφής προϊόντων με διήθηση (φιλτράρισμα) ή φυγοκέντρηση. Το χρήσιμο προϊόν μπορεί να βρίσκεται είτε στη στερεή μάζα είτε στην υγρή Καθαρισμός από προσμίξεις : απόσταξη, εκχύλιση, χρωματογραφία Συσκευασία, αποθήκευση, διανομή