Klonowanie DNA i wektory

Probiotyki w zdrowiu i chorobie: od nutriobiotyków do farmaobiotyków

• Probiotyki to żywe mikroorganizmy, które w odpowiednich ilościach korzystnie wpływają na organizm człowieka (FAO, WHO)
• Dostarczane są poprzez żywność, suplementy diety lub leki
• Podział probiotyków według ich funkcji:
  • Nutriobiotyki - probiotyki z pożytecznymi właściwościami odżywczymi, np. produkcja witamin
  • Farmaobiotyki - probiotyki o działaniu leczniczym, np. leczenie zespołu jelita drażliwego (IBS) lub ostrej biegunki

Wprowadzenie

• Funkcje probiotyków
• Sposób pozyskiwania probiotyków
• Kategorie probiotyków (Nutriobiotyki i Farmaobiotyki)

Definicja i kategoryzacja probiotyków

• Mikroorganizmy, które spożywane w odpowiednich ilościach, wpływają korzystnie na gospodarkę zdrowotną
• Dostarczane w żywności, produktach spożywczych, suplementach i lekach
• Nutriobiotyki – probiotyki z pożytecznymi właściwościami odżywczymi
• Farmaobiotyki – probiotyki o działaniu terapeutycznym i farmakologicznym z potwierdzonym wpływem na zdrowie

Nutriobiotyki produkujące witaminy

• Niektóre mikroorganizmy produkują witaminy, zwiększając ich dostępność dla organizmu człowieka
• Spożywanie nutriobiotyków jest naturalną metodą zwiększenia poziomu witamin, w przeciwieństwie do syntetycznie wytwarzanych witamin
• Niedobór witamin może mieć poważne konsekwencje dla zdrowia

Nutriobiotyki poprawiające zdrowie żywieniowe

• Probiotyki stosowane w leczeniu i zapobieganiu zaburzeniom trawiennym, w tym nietolerancji laktozy
• Nutriobiotyki produkujące pożyteczne metabolity

Definicja farmaobiotyków

• Bakterie pochodzenia ludzkiego lub ich produkty o udowodnionym wpływie na zdrowie lub chorobę
• Obejmują żywe bakterie, martwe, składniki organizmów lub metabolity, które nie są objęte klasyczną definicją probiotyków (FAO/WHO)
• Przykłady farmaobiotyków:
  • L. plantarum DSM9843
  • L. plantarum 299V
  • L. reuteri
  • L. helveticus R0052
  • B. longum R0175 (PF)
  • B. bifidum + Streptococcus thermophilus
• Potencjalne zastosowanie w leczeniu IBS, ostrych biegunkach, zaburzeniach lękowych oraz depresji

Wnioski

• Probiotyki mają istotne znaczenie dla zdrowia, poprawiając funkcjonowanie organizmu
• Nutriobiotyki, to naturalna droga dostarczenia składników odżywczych
• Farmaobiotyki, oferują nowe terapie, ale wymagają dalszych badań

Mikrobiomy ciała ludzkiego

• Mikrobiomy to wszystkie bakterie, archeony, grzyby, wirusy, drobne eukariota w danym obszarze ciała ludzkiego
• Metagenom – cała informacja genomowa bakterii, archeonów, grzybów, wirusów i małych eukariotów
• Hologenom – cała informacja genomowa bakterii, archeonów, grzybów, wirusów, małych eukariotów i genomu ludzkiego
• Mikrobiomy oferują szereg mechanizmów w celu utrzymania zdrowia

Funkcje niezbędne w utrzymaniu zdrowia człowieka

• Rozkład produktów pokarmowych trudnych do strawienia
• Produkcja witamin i innych składników odżywczych
• Tworzenie filmu ochronnego biofilmu dla ochrony komórki

Rola mikrobiomów w etiologii chorób cywilizacyjnych człowieka

• Grzyby i wiriony mogą być przyczyną biegunek, astmy, autyzmu, nowotworów i próchnicy.

Genom bakteryjny

• Genom bakteryjny stanowi zbiór wszystkich genów bakterii
• Znajduje się w chromosomie oraz na pozachromosomalnych elementach genetycznych (np. plazmidy)

Translacja

• Proces syntezy białka na matrycy mRNA
• Proces zachodzi w cytoplazmie lub na błonach siateczki śródplazmatycznej szorstkiej
• Proces jest katalizowany przez rybosomy, złożone z małych i dużych podjednostek
• Obecne są czynniki inicjacyjne i elongacyjne, które pomagają w trakcie procesu

Ekspresja genów u drobnoustrojów – operony

• Operony to zbiór genów, które funkcjonują razem i są regulowane przez ten sam promotor
• Znajdują się one w różnych sekwencjach DNA
• Kontrolą ekspresji genów są czynniki regulujące które mogą być aktywne lub wyłączone

Replikacja DNA

• Proces replikacji zachodzi w sposób semikonserwatywny, a mechanizm jest zależny od enzymów niezbędnych do rozplecenia i syntezy nici DNA
• Miejsce startu replikacji to OriC
• Enzymów replikacji to helikazy (dla uwolnienia nici) i polimerazy DNA

Wzrost bakteryjny

• Bakterie podwajają się poprzez podział komórki
• Rozrost błony komórkowej jest kluczowy dla tego procesu
• Rodzaje wzrostu bakterii to wzrost logarytmiczny, stacjonarny, i faza spoczynkowa

Mutacje

• Spontaniczne i indukowane
• Efekty mutacji na cechy, odporność i wirulencji.

Plazmidy

• Małe, niezależne elementy genetyczne
• Mogą kodować cechy pożyteczne takie jak oporność na antybiotyki lub toksyczne geny
• Są źródłem horyzontalnego transferu genów

Horyzontalny (boczny) transfer genów

• Transformacja, koniugacja i transdukcja
• Mechanizmy przekazywania materiału genetycznego między bakteriami.

Wirusy bakteryjne (bakteriofagi)

• Wirusy atakujące bakterie
• Cykl lityczny i lizogeniczny
• Rola bakteriofagów w ewolucji i wymianie genetycznej między bakteriami

Transdukcja

• Transfer materiału genetycznego przez bakterie
• Typy transdukcji: specyficzna i niespecyficzna

Metabolizm bakteryjny

• Wymagania wzrostowe bakterii
• Enzymy, jony metali, potrzebne do metabolizmu
• Różnice w wymaganiach tlenowych

Autotrofy i heterotrofy

• Podział na organizmy wymagające organicznych substancji odżywczych i tych które nie.

Energia i metabolizm

• Wszystkie komórki wymagają stałego dopływu energii
• Węglowodany są rozkładane na glukozę
• Energia jest magazynowana w ATP i NADH

Katabolizm białek, polisacharydów i lipidów - Glikoliza i fermentacja

• Rozpad złożonych biocząsteczek na glukozę a następnie na inne cząsteczki do uzyskania energii
• Cząsteczki ATP i NADH są wytwarzane jako forma chemicznej energii

Cykl kwasów trójkarboksylowych (TCA)

• Metabolizm utleniania glukozy
• Energia w postaci ATP i NADH, a także metabolity wtórne
• Połączony z cyklu biosyntezy

Fosforylacja substratowa

• Energia jest utworzona przez bezpośredni transfer grupy fosforanowej do ADP

Oddychnie beztlenowe

• Procesy przemiany energii bez udziału tlenu
• Produkcja energii jest niższa niż w oddychaniu tlenowym

Wynik energetyczny

• Porównanie wyników w oddychaniu tlenowym i bez tlenowym

Podsumowanie funkcji cyklu TCA

• Główne funkcje cyklu TCA - synteza ATP, utlenianie, biocząsteczek organicznych

Interakcje mikrobiota-charakterystyka mykobiomów

• Specyficzne interakcje pomiędzy różnymi gatunkami bakterii i grzybów, zarówno o działaniu od antagonistycznym do współdziałającym
• Przykład interakcji pomiędzy Pseudomonas aeruginosa i Aspergillus fumigatus

Królestwo grzybów (Fungi)

• Charakterystyka królestwa grzybów
• Klasyfikacja grzybów na drożdże i pleśnie
• Typologia zarodników

Drożdże

• Budowa drożdży
• Rozmnażanie drożdży

Pleśnie

• Budowa pleśni
• Rozmnażanie pleśni

Zastosowanie inżynierii genetycznej

• Otrzymywanie preparatów leczniczych
• Mykobiomy i wiromy
• Wykorzystanie wektorów - plazmidy pUC, pBR322, pGEM, i kosmidy

Działania w inżynierii genetycznej

• Izolacja fragmentów DNA, modyfikowanie genów, przenoszenie DNA do komórek, powielanie genów i całych organizmów

Choroby wirusowe

• Przebieg zakażenia wirusowego, w zależności od cech wirusa
• Patogeny - zakażenia i choroby wirusowe

Replikacja wirusów

• Interakcja gospodarza i wirusa
• Procesy metaboliczne w celu replikacji wirusa

Droga krwi i układu limfatycznego

• Wirusa rozprzestrzenia się

Cechy grzybów

• Tolerancja
• Temperatury
• Stanu zdrowia

Patogeny alarmowe antybiotykooporność

• Lista chorób bakteryjnych opornych na antybiotyki

Racjonalna antybiotykoterapia

• Typy oporności
• Kryteria stosowania antybiotyków
• Problemy współczesnej antybiotykoterapii

Wnioski z badań

• Przegląd wyników badań nad wiromami i wirusami, w kontekście zakażeń