Microorganisms 1 PDF

Biotechnológia 1 Bagi Zoltán [email protected] Biotechnológia  Biotechnológia Red Biotechnology: Research related to medicine and medical processes. The designing of organisms to manufacture pharmaceutical products like antibiotics and vaccines, the engineering of genetic cures...

Biotechnológia 1 Bagi Zoltán [email protected] Biotechnológia  Biotechnológia Red Biotechnology: Research related to medicine and medical processes. The designing of organisms to manufacture pharmaceutical products like antibiotics and vaccines, the engineering of genetic cures through genomic manipulation, and its use in forensics through DNA profiling. White biotechnology: Research related to industrial processes It involves the use of enzymes and organisms for the processing and production of chemicals, materials, and energy including biofuels. Green biotechnology: Research related to agriculture processes It involves the use of environmentally-friendly solutions as an alternative to traditional agriculture, horticulture, and animal breeding processes. Blue biotechnology: Research related to marine and aquatic processes. It involved research on the application of molecular biological methods to marine and freshwater organisms Black Biotechnology: Research related to bioterrorism It Involves research on all aspects of bioterrorism related to military, police, surveillance, counter terrorism, Grey biotechnology: Research related to the environment Divided into two areas: biodiversity maintenance and contaminants removal  Vázlat A biotechnológiában alkalmazott fontosabb élőlények Ipari folyamatok – Termék előállítása – Termék kinyerése Egyes termékek biotechnológiai előállítása – Energiahordozók – Oldószerek – Szerves savak – Élelmiszeripar Metanogén mikrobák  Metanogének:metánt termelnek Volta 1776: éghető gáz = mocsárgáz 1804 Dalton: CH4 + CO2 Pasteur: Mikrobák termelik Tiszta tenyészet 1947 – Methanosarcina sp.  Metanogének Obligát anaerobok Metán állítanak elő Archeák – Archea, baktréium, eukarióta vs. prokarióta, eukarióta – Extremofilek: lehetnek termofilek, pszichrofilek, alkalofilek, acidofilek  Általános jellemzőik  Kis sejtméret (0,1-15um)  Nincs rigid sejtfal  Igen változatos morfológia  Alacsony energia tartalmú szubsztrátokat hasznosítanak  Lassan szaporodnak  Kis sejtsűrűséget érnek el  Előfordulásuk Talajban felszín alatt Tengeri, tavi üledékekben Felszín alatti vizekben Hidrotermális kürtők környékén Vosztok tóban is megtalálták őket az Antarktiszon, nagy mélységben  Előfordulásuk Élőlényekben: kérődző állatokban, élőlények tápcsatornájában termeszektől a bálnáig  Előfordulásuk Marson?  Laboratóriumi tenyésztés – Anaerob környezet – Kemolitotrófok, kemoheterotrófok Energiát szerves vagy szervetlen vegyületekből nyerik Szénforrás szerves, vagy szervetlen – Nikkel, vas kell a növesztéshez, cukor nem – 15-110 °C között növekedhetnek  Felépítésük Sejtfal: Fehérje és Murein nincs pszeudomurein Helyette: pszeudomurein Fehérjetartalma magas Antibiotikum rezisztencia lipid membrán  Felépítésük – Sejtmembrán Zsírsav észterek helyett diéterek, tetraéterek: kémiailag ellenállóbb Sztereoizomer foszfolipidek Zsírsav láncok helyett izoprén láncok: elágazhatnak, gyűrűt alkothatnak – Koenzimek F42o – riboflavin F43o – Ni-tetrapirol metanofurán  Metanogén anyagcsere Energia nyerés oxigén nélkül Metanogének – Acetotróf metanogének CH3COOH → CH4 + CO2 Igen lassú szaporodás, érzékenyek a hidrogénre – Hidrogenotróf metanogének CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Hidrogén szint alacsonyan tartása – Metilotróf metanogének Metil csoportot használnak Metanogenezis  Metanogenezis CH3CH2COOH CH3 CH2CH2COOH (-) acetogenezis (-) H2 H2 +H2O +H2O CO2 + CH4 CH3COOH CH4 + CO2 acetotróf metanogenezis hidrogenotróf hidrogenotróf metanogenezis metanogenezis CO2 CO2 + H2 +H2O CH3OH CH4 CH3-N metilotróf metilotróf metanogenezis metanogenezis H2O CO2 + NH4  Genom szekvencia Első élőlény, aminek a genom szekvenciáját meghatározták (1996) – Methanococcus jannaschii (1,5 Mbp) – Csendes-Óceáni mélytengeri kürtő mellől izolálták – Számos archea specifikus gén felfedezése  Biotechnológiai felhasználásuk biogáz szerves anyag anaerob fermentációs fermentáció maradék  Metanogenezis HIDROLIZÁLÓ MIKROORGANIZMUSOK Polimerek bontása: Poliszacharidok (cellulóz, keményítő), fehérjék, zsírok Monomerek, oligomerek emésztése: Cukrok, aminosavak, zsírsavak ACETOGÉN MIKROORGANIZMUSOK Illékony zsírsavak + H2 METANOGÉNEK CH4 + CO2  Szerves anyag lebontás: aerob/anaerob KOI = kémiai oxigén igény = lebontható szerves anyag KOI mérleg komposztálás iszap KOI hő KOI mérleg biogáz iszap KOI Metanotrófok  Metilotróf mikrobák „C1” baktériumok Energia forrás: szén – szén kötést nem tartalmazó vegyületek Főleg metanol, metán Metán oxidálók: metanotrófok – Légkör metán szintjének szabályozása – Obligát metanotróf: csak metánt hasznosít – Fakultatív metanotróf: egyéb szubsztrátot is  Metanotrófok a környezetben O2 Metán oxidáció Víz CO2 CH4 Aerob / Anaerob határfelület Metanogének Üledék CO2 CH4 CH4  Metán anyagcsere sMMO Type I Metanotrófok NADH+H+ NADH+H+ RuMP útvonal NAD+ NAD+ MDH FADH FDH CH4 CH 3OH H2CO HCOOH CO 2 Xox Xred Szerin útvonal pMMO Type II Metanotrófok  Metanotróf: oxidációs lépések Metán oxidáció: pMMO és sMMO Metanol oxidáció – Alkohol dehidrogenáz Formaldehid oxidáció – Elágazás biomassza termeléshez Szerin vagy ribulóz-P útvonalon Hangyasav oxidáció – NAD dehidrogenáz (koenzim regenerálás)  Metanotrófok anyagcseréje Type I Metanotrófok: Type II Metanotrófok: RuMP útvonal szerin útvonal Azonos reakció különböző enzimekkel NADH függő reduktáz +H+ proteinB sMMO reguláció      MMOA pMMO  Metán monooxigenázok Kulcsenzim: metán monooxigenáz = MMO – szolubilis (sMMO) vagy O2 O2 membrán kötött (pMMO) Xred NADH+ H+ – sMMO: sok szubsztrátja Xox NAD+ van, kofermentációval H2O H2O bont le különböző szerves anyagokat – pMMO: csak CH4 a szubsztrátja  Metanotrófok MMO bioszintézist [Cu2+] szabályozza – Kevés Cu2+ → sMMO – Cu2+ → pMMO  sMMO szubsztrátjai Vegyület Tiszta tenyészet által produkált termék klórmetán formaldehid di-klórmetán szénmonoxid tri-klórmetán (kloroform) széndioxid brómmetán formaldehid benzol fenol és hidrokinon Toluol p -krezol, benzil-alkohol, benzoesav stirén sztirénoxid és hidrosztirén m-krezol hidroxibenzaldehid o-krezol 5-metil-1,3-benzoldiol m-klorotoluol benzil-alkoholok Naftalin naftolok 1- and 2- metilnaftalin NK vinilklorid NK 1,2 & 1,1-diklóretilén NK trikklóretilén diklórecetsav és TCE-diol (széndioxid) 1,1- & 1,2-diklóretán NK 1,1,1- & 1,1,2-triklóretán NK NK= Nem Kimutatható  Metilotrófok felhasználása Bioremediáció – Halogénezett veszélyes szennyeződések eltávolítása – Legtöbb eseten kofermentáció történik  Metilotrófok felhasználása Szerves anyagok termeltetése – Egyszerű szubsztrát (metán) = olcsó, szelekciós nyomás (más mikroba nem tud szaporodni) – Aminosavak, single cell protein – Metanol  Vegyipari vs biológiai metanol szintézis 1-25 50-100 atm atm CH4+H2O CO+H2 CH3OH 700-900 oC 230-280 oC Biológiai alternativa Atmoszférikus nyomás 25-70 oC (1 atm) CH4+H2 +O2 metanotróf CH3OH + H2O baktériumok  Clostridia Hasznos „Ártó” Clostridium Clostridium botulinum acetobutilicum Clostridium tetani Clostridium Clostridium histolyticum thermoaceticum Clostridium perfringens  Clostridia Obligát anaerobok Gram pozitívok Hőstabil endospórát képeznek kedvezőtlen körülmények között – Ellenálló – Túlélő  Clostridia Tenyésztés – Obligát anaerob körülmény kell – Oxigén gyökök ellen: szuperoxid dizmutázt (SOD), katalázt kell alkalmazni – Eh ≈ -15o - -45o mV az ideális – Anaerob tenyésztés nehéz, a spóra viszont könnyen tárolható  Clostridia anyagcsere Poliszacharidok lebontása – Celluláz enzimeket termelnek, celluloszómával rendelkeznek – Amiláz enzimeket termelnek enzimatikus alegységek sejt horgonyzó fehérje cellulóz celluloszóma  Clostridia anyagcsere Mono- és diszacharidok lebontására képesek – Embden-Meyerhof-Parnas anyagcsere útvonal jelen van bennük – Szolventogenezisre képesek Gázok – H2 + CO2 termelés – N2 fixálás (felvétel)  C. perfringens Ételmérgezésért felelős – állatok bélrendszerében, talajban – spóraképző sejt hővel inaktiválható spóra nem (nehezen): főtt ételen elszaporodhat Nehezen gyógyuló sebeket okoz – Gangréna (szövetelhalás)  C. histolyticum Emésztő szervrendszer – Ételmérgezés – Alfa, béta, gamma, delta, epszilon toxint is termel – Sejt nekrózis (α), kollagenáz β), proteáz γ, elasztáz (δ), hemolizin (ε)  C. botulinum Botulin toxin – Acetilkolin felszabadulást gátol: bénulást okoz – Biofegyver de gyorsan inaktiválódik  C. botulinum Botulin toxin – Gyógyászat Ránctalanítás Izomrángások elleni készítményekben  C. botulinum Botulin toxin – Élelmiszer mérgezést okozhat (nem pasztőrözött ételek, pl. kolbász, méz)  C. tetani Tetanospazmin – Axonális transzporttal a gerincvelőbe, agyba jut – Irreverzibilisen köt az idegvégződésekhez – Glicin, GABA neurotranszmitter felszabadulást gátol – Mozgató idegekre hat – Görcsös izomösszehúzódást okoz – Érzékszervek nem sérülnek – DiPerTe oltás hatásos ellene  Clostridia biotechnológia Kis molekulák termeltetése – butanol, etanol, i-propanol – Hátrány Kevert termékek keletkeznek Oldószer toleranciája a sejteknek minél nagyobb annál jobb a termelés – Biobutanol Jobb, mint bioEtOH: – Energiatartalom – Vízmegkötés – Szállítás, párolgás – Ca-Mg-acetát = zöld só: jégmentesítés, környezetet nem károsítja, lebomlik  Clostridia biotechnológia Oldószer gyártás – Pl. C. acetobutylicum-al Enzim gyártás – Amiláz, celluláz enzimek Neuropeptidek előállítása – Botulin,Tetanospazmin Bioenergia – H2 + CO2 gázok előállítása Tejsav baktériumok  Tejsav baktériumok Pasteur (1857), Lister (1873) Emlősök minden testnyílásában – apatogének, patogének is lehetnek Spontán élelmiszer fermentációért felelősek – Tej, zöldségek  Tejsav baktériumok Gram pozitív Anaerob Nincs spóra Tejsavat fermentál fő termékként Sokféle környezetben előfordul  Tejsav baktériumok – Bakteriocin termelése: antimikrobiális ágens – Élő kultúrák alkalmazása gyógyászatban – probiotikumok pl. Bifidus essensis = B. digestivum = B. regularis = Lactobacillus bifidus  Tejsav baktériumok Anyagcsere termékek: – Diacetil: zamatanyag, margarinban használják Silózás tejsav baktériumokkal történik – Zöld takarmány tartósítása (pl. silókukorica)  Tejsav baktériumok Élelmiszer tartósítás – Pickling (pácolás): tejsav baktérium + só Hal, zöldségek tartósítás – kimchi: tradicionális koreai étel  Tejsav baktériumok Élelmiszer tartósítás – Pickling: LAB + Só Hal, zöldségek Tojás, kigyó  Tejsav baktériumok Élelmiszer tartósítás – Kancatejből kumisz – Tehén-, juh-, kecsketejből joghurt, kefír sajtok – Növényi alapanyagokból Szójaszósz Savanyú káposzta Kovászos uborka