ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7ο ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

O όρος βιοτεχνολογία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Ούγγρο Kark Ereky (1919), για να περιγράψει τη διαδικασία παραγωγής προϊόντων από ακατέργαστα υλικά με τη βοήθεια ζωντανών οργανισμών Βιοτεχνολογία (με την ευρεία έννοια): είναι η χρήση ζωντανών οργανισμών προς όφελος του ανθρώπου Η βιοτεχνολογία στηρίζεται: Σε τεχνικές καλλιέργειας και ανάπτυξης των μικροοργανισμών Σε τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA

Οι μικροβιακές καλλιέργειες σημαντικό εργαλείο για τη βιοτεχνολογία Μικροοργανισμοί σε κατάλληλες συνθήκες → αυξάνονται σε μέγεθος και διαιρούνται Ρυθμός ανάπτυξης ενός μικροοργανισμού: ρυθμός με τον οποίο διαιρούνται τα κύτταρά του  καθορίζεται από το χρόνο διπλασιασμού του Παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό ανάπτυξης: Διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών pH Ο2 Θερμοκρασία

Θρεπτικά συστατικά: Άνθρακας Άζωτο Διάφορα μεταλλικά ιόντα Νερό Πηγή C για αυτότροφους: το CO2 της ατμόσφαιρας για ετερότροφους: διάφορες οργανικές ενώσεις (πχ υδατάνθρακες) Πηγή Ν αμμωνιακά και νιτρικά ιόντα (ΝΟ3-) pH οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται σε pH 6-9 βακτήρια του γένους Lactobacillus σε pH 4-5

Ο2: οι περισσότεροι μικροοργανισμοί διακρίνονται σε Υποχρεωτικά αερόβιους: απαιτούν υψηλή συγκέντρωση Ο2 (πχ βακτήρια του γένους Mycobacterium) Προαιρετικά αερόβιους: αναπτύσσονται παρουσία Ο2 με ταχύτερο ρυθμό από ότι απουσία Ο2 (πχ βακτήρια που χρησιμοποιούνται στην αρτοβιομηχανία) Υποχρεωτικά αερόβιους: το Ο2 για αυτούς είναι τοξικό (πχ βακτήρια του γένους Clostridium) Θερμοκρασία (Θ): οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται άριστα μεταξύ 20-45⁰ C Παράδειγμα: Escherichia coli → άριστη ανάπτυξη στους 37⁰ C Ορισμένοι μικροοργανισμοί άριστη ανάπτυξη σε Θ>45⁰ C άριστη ανάπτυξη σε Θ<20⁰ C

Οι μικροοργανισμοί μπορούν να αναπτυχθούν στο εργαστήριο και σε βιομηχανική κλίμακα Louis Pasteur: πρωτοπόρος της καλλιέργειας βακτηρίων και οργανισμών  Για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών χρησιμοποιούνται τεχνητά θρεπτικά υλικά Θρεπτικά υλικά περιέχουν πηγή C πηγή N ιόντα  Για αερόβιους μικροοργανισμούς επιπλέον απαιτείται Ο2 Θρεπτικά υλικά: Υγρά: όλα τα απαραίτητα θρεπτικά είναι διαλυμένα στο νερό Υγρά Στερεά

Στερεά: παρασκευάζονται με ανάμιξη του υγρού θρεπτικού μέσου με ένα πολυσακχαρίτη από φύκη που ονομάζεται άγαρ Άγαρ: ρευστό σε Θ > 45⁰ C στερεοποιείται σε χαμηλότερες Θ < 45⁰ C Καλλιέργεια μικρής κλίμακας (στάδια): Αποστείρωση θρεπτικών υλικών και συσκευών Απομόνωση μικροοργανισμού Παρασκευή κατάλληλου θρεπτικού μέσου Διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης Προσθήκη μικρής ποσότητας κυττάρων στο θρεπτικό μέσο (εμβολιασμός)

6. Οι μικροοργανισμοί παραμένουν σε κλίβανο με σταθερή θερμοκρασία για 12-76 ώρες → τελικά παράγεται μεγάλος αριθμός μικροοργανισμών 7. Οι καλλιέργειες μπορούν να διατηρηθούν σε αδρανή μορφή στην κατάψυξη (-80⁰ C) για μεγάλο διάστημα Καλλιέργεια μεγάλης κλίμακας (βιομηχανική καλλιέργεια) Στάδια: Απαιτείται πρώτα να γίνει καλλιέργεια μικρής κλίμακας προκειμένου να παραχθεί ένας σημαντικός αριθμός μικροοργανισμών Οι μικροοργανισμοί στη συνέχεια μεταφέρονται σε συσκευές που ονομάζονται ζυμωτήρες ή βιοαντιδραστήρες Οι βιοαντιδραστήρες επιτρέπουν τον έλεγχο και τη ρύθμιση των συνθηκών

Το θρεπτικό υλικό είναι πάντα υγρό Χρησιμοποιούνται φθηνές πηγές C, όπως π.χ. η μελάσα που είναι παραπροϊόν της επεξεργασίας ζαχαροκάλαμου ή σακχαρότευτλων Οι βιοαντιδραστήρες και το θρεπτικό υλικό αποστειρώνονται πριν τη χρήση 3. Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται Η διαδικασία ανάπτυξης των μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες ονομάζεται ζύμωση Σήμερα η ζύμωση περιλαμβάνει αερόβιες και αναερόβιες διεργασίες Τα προϊόντα της ζύμωσης είναι είτε τα ίδια τα κύτταρα που ονομάζονται βιομάζα είτε προϊόντα κυττάρων όπως πρωτεΐνες και αντιβιοτικά

4. Παραλαβή των προϊόντων της ζύμωσης και τελική κατεργασία του που περιλαμβάνει: α) Τον διαχωρισμό των υγρών από τα στερεά στα οποία συμπεριλαμβάνονται και τα κύτταρα. Ο διαχωρισμός γίνεται με διήθηση ή φυγοκέντρηση β) Το επιθυμητό προϊόν βρίσκεται είτε στα στερεά είτε στα υγρά συστατικά από όπου παραλαμβάνεται με τη χρήση κατάλληλων μεθόδων γ) Τη διεργασία καθαρισμού του προϊόντος. Τα προϊόντα της ζύμωσης μπορούν να αξιοποιηθούν όταν είναι καθαρά, χωρίς προσμείξεις

Οι μικροοργανισμοί μπορούν να καλλιεργηθούν με διαφορετικούς τρόπους 2 τύποι ζυμώσεων: Κλειστή καλλιέργεια Συνεχής καλλιέργεια Κλειστή καλλιέργεια: 4 φάσεις ανάπτυξης των μικροοργανισμών Λανθάνουσα: ο πληθυσμός των μικροοργανισμών παραμένει σχεδόν σταθερός. Οι μικροοργανισμοί προσαρμόζονται στις συνθήκες Εκθετική: οι μικροοργανισμοί διαιρούνται με ταχύ ρυθμό λόγω άριστων συνθηκών Θ, pH, O2 και άφθονων θρεπτικών συστατικών

Στατική: ο πληθυσμός των μικροοργανισμών δεν αυξάνεται λόγω Φάση θανάτου: ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται Διάρκεια κάθε φάσης: διαφέρει ανάλογα με το είδος των μικροοργανισμών Εκθετική Στατική Συνεχής καλλιέργεια: Οι μικροοργανισμοί τροφοδοτούνται συνεχώς με θρεπτικά υλικά Ταυτόχρονα απομακρύνονται από την καλλιέργεια κύτταρα και άχρηστα προϊόντα εξάντλησης θρεπτικού συστατικού συσσώρευσης τοξικών ουσιών του μεταβολισμού των μικροοργανισμών Οι μικροοργανισμοί παράγουν χρήσιμα προϊόντα

Η παράγωγη της πενικιλίνης αποτελεί σημαντικό σταθμό της βιοτεχνολογίας Ανακάλυψη της πενικιλίνης: από Fleming, 1928  Η πενικιλίνη προσφέρει προστασία από: Βλεννόρροια Σύφιλη Πνευμονικές λοιμώξεις H παράγωγη της πενικιλίνης αποτελεί την πρώτη εφαρμογή μεθόδων βιοτεχνολογίας για παραγωγή αντιβιοτικών Παράγεται από: μύκητα του γένους Penicillium

 Η παραγωγή εξαρτάται από: Στέλεχος του μύκητα Θρεπτικό υλικό Συνθήκες καλλιέργειας Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιείται η γλυκόζη Διαδικασία καλλιέργειας: Στέλεχος υψηλής απόδοσης καλλιεργείται στο εργαστήριο → ακολούθως μεταφορά σε βιοαντιδραστήρες → αύξηση της βιομάζας του μύκητα για 30-40 ώρες → προσθήκη γλυκόζης σε χαμηλή συγκέντρωση → τερματισμός ανάπτυξης μύκητα → παραγωγή πενικιλίνης στη στατική φάση Διάρκεια καλλιέργειας έως και 15 μέρες Παραλαβή πενικιλίνης: σε καθαρή μορφή με φυσικές και χημικές μεθόδους

Ευχαριστώ για την προσοχή σας