2013-Wykład 1III r WPROWADZENIE [Tylko do odczytu]

BIOTECHNOLOGIA

TO INTERDYSCYPLINARNA DZIEDZINA NAUKI ,

OBEJMUJĄCA RÓśNE KIERUNKI TECHNICZNEGO

WYKORZYSTANIA MATERIAŁÓW I PROCESÓW

BIOLOGICZNYCH .

W SZCZEGÓLNOŚCI OBEJMUJE ONA PROCESY

BIOSYNTEZY I BIOTRANSFORMACJI.

PRZEBIEGAJĄ ONE PRZY UDZIALE:

DROBNOUSTROJÓW, KULTUR KOMÓRKOWYCH

ROŚLIN I ZWIERZĄT - „

IN VITRO”

, ORAZ ENZYMÓW,

ZAJMUJE SIĘ TAKśE IZOLACJĄ TAK OTRZYMA-

NYCH BIOPRODUKTÓW

Maria Tynek 2013

niezb

dnym do zrównowa

onego

Biotechnologia b

dzie jednym z

głównych filarów europejskiej

gospodarki w 2030r,

niezb

dnym do zrównowa

onego

rozwoju ekonomicznego,
dostarczania energii i
podtrzymywania odpowiedniego
poziomu

ycia

Colonge Paper

Za:

Stanisław Bielecki III Krajowy Kongres Biotechnologii, Pozna

2007

Maria Tynek 2013

W skali

wiatowej w 2030r. warto

ść

produktów biotechnologii

przemysłowej i bioenergia b

stanowi

ok.300 bn Euro tj.1/3 warto

produkcji całkowitej.

Colonge Pap

Za:

Stanisławem Bieleckim III Krajowy Kongres Biotechnologii, Pozna

2007

Maria Tynek 2013

Biotechnologia b

dzie wykorzystywana w

• procesach przemysłowych
• produkcji farmaceutyków

• produkcji farmaceutyków
• rolnictwie
• produkcji

ywno

Za:

Stanisław Bielecki III Krajowy Kongres Biotechnologii, Pozna

2007

Colonge Paper

Maria Tynek 2013

10,0%

Styl

ycia

optymalizacja stresu

odpowiednio zbilansowana
dieta,

uprawianie sportu,
właściwy odpoczynek

UDZIAŁ CZYNNIKÓW

DECYDUJ

CYCH

O ZDROWIU CZŁOWIEKA WG

WHO

50,0%

20,0%

rodowiska

Czynniki
genetyczne

Opieka
zdrowotna

właściwy odpoczynek

Za: Małgorzata Schlegel-Zawadzka

Maria Tynek 2013

POWTÓRZENIE

Nutrigenomika:

bada wpływ bioaktywnych składników diety na

ekspresję genów

analizuje związki pomiędzy stosowaną dietą i

genetycznymi predyspozycjami do

tzw. chorób cywilizacyjnych, w tym nowotworowych,
metabolicznych i chorób układu krążenia;

identyfikuje mechanizmy decydujące o tym, w jaki sposób

żywność i żywienie wpływają na stan zdrowia.

Chadwick R. (2004) Proceedings of the Nutrition Society 63:161-166

za Maria Koziołkiewicz Instytut Biochemii Technicznej Politechnika Łodzka

Maria Tynek 2013

Żywność zawiera informację dla genów;

Jaka jest ta informacja – zależy od rodzaju diety;

Bioaktywne składniki diety są cząsteczkami sygnałowymi
które, przenoszą informacje ze środowiska zewnętrznego i
wpływają (w sensie ilościowym i jakościowym) na
ekspresję genów, a to z kolei ma wpływ na

ekspresję genów, a to z kolei ma wpływ na
funkcjonowanie komórek i organizmów;

Geny są więc cząsteczkami docelowymi („dietary targets”)
dla bioaktywnych składników diety i odbierają informację
płynącą ze środowiska zewnętrznego;

za Maria Koziołkiewicz Instytut Biochemii Technicznej Politechnika Łodzka

Maria Tynek 2013

Istnienie w genomie ludzkim polimorfizmów
pojedynczego nukleotydu (SNP) może
wzmacniać lub osłabiać wpływ
bioaktywnych związków na ekspresję genów;

Osobnicze różnice genetyczne spowodowane są
istnieniem ok.

10 mln SNP, które występują średnio

co 300 nukleotydów;

za Maria Koziołkiewicz Instytut Biochemii Technicznej

Politechnika Łodzka

Maria Tynek 2013

Zastosowanie tłuszczów

modyfikowanych

Osnowy tłuszczowe do produkcji margaryn

Tłuszcze piekarnicze, cukiernicze, smażalnicze

Namiastki masła kakaowego

Cele farmaceutyczne

Tłuszczem nazywamy substancję składającą się głównie z

triacylogliceroli (~98%TAG) oraz substancji

nierozpuszczalnych w wodzie czyli frakcji

nietriacyloglicerolowej

(np., sterole, alkohole alifatyczne, triterpenowe,

karotenole, węglowodory)

Wg. FAO/WHO

Maria Tynek 2013

Są to estry

Kwasy tłuszczowe - właściwości fizyczne

Wraz ze wzrostem długości łańcucha rośnie temperatura topnienia KT

Wiązania podwójne obniżają tę temperaturę

Izomery trans mają wyższą temperaturę topnienia niż odpowiednie izomery cis

C4:0

-8

Zarówno kwasy nasycone jak i nienasycone
występują we wszystkich tłuszczach. O
konsystencji decydują m.in. ich proporcje

Tłuszcze zawierające dużo kwasów

kwas

T.top. [

C8:0

16,5

C12:0

44,8

C16:0

62,9

C18:0

70,1

C18:1

16,3

C18:2

-6,2

C18:3

-12,6

C18:1 trans

46,5

Tłuszcze zawierające dużo kwasów
nienasyconych są ciekłe (oleje)

Tłuszcze zawierające znaczne ilości kwasów
nasyconych są stałe

za R.Pawłowicz

Maria Tynek 2013

T. Topnienia

tłuszcz mleczny

od + 31

C do +42

olej palmowy

+39

olej palmowy

+39

olej rzepakowy

- 10

Maria Tynek 2013

Różne kwasy tłuszczowe mają różny wpływ na zmianę

całkowitego cholesterolu

Institute for Nutrition Research, University of Oslo

C14:0 występuje
głównie w oleju
kokosowym i z
ziaren palmowych
(15%)

Z prezentacji BUNGE COMPANY Kruszwica SA

C16:0 występuje głównie
w oleju palmowym (44%)

Oleje ciekłych

Maria Tynek 2013

trans

Kwasy C18:2 i C18:3

Kwas linolowy

C18:2 9c,12c

Kwas

αααα

-linolenowy

C18:3 9c,12c,15c

n-6

n-3

NNKT

Maria Tynek 2013

C18:3 n-6

linolenowy

C20:3 n-6

Dihomo- γ

linolenowy

C20:4 n-6

ARACHIDONOWY

(AA)

C18:2 n-6

Linolowy (LA)

C18:3 n-3

α-linolenowy (ALA

)

C18:4 n-3

C20:4 n-3

C20:5 n-3

IKOZAPENTAENOWY

(EPA)

∆

−

desaturaza

∆

−

desaturaza

elongaza

C22:4 n-6

C24:4 n-6

C24:5 n-6

C22:5 n-6

C22:5 n-3

C24:5 n-3

C24:6 n-3

C22:6 n-3

DOKOZAHEKSAENOWY

(DHA)

∆

−

desaturaza

elongaza

β-oksydacja

Maria Tynek 2013

1. Regulują pracę układu sercowo naczyniowego (m.in. obniżają

ryzyko zawałów serca)

2. Stymulują odporność immunologiczną

3. Regulują pracę hormonów

4. Redukują: procesy zapalne,

ryzyko występowania raka piersi, prostaty, okrężnicy

5. Pozytywnie wpływają na pracę mózgu (redukcja syndromów

choroby Alzheimera, depresjii i shizofremii

6. Mają wpływ na połączenia jądrowych receptorów z czynnikami

transkrypcyjnymi

7. Stymulują ekspresją genów odpowiedzialnych za metabolizm

lipidów

8. Obniżają poziom cholesterolu i TAG w surowicy krwi

Maria Tynek 2013

Agence Francaise Pour la Sècuritè Sanitaire des

Aliments;

National Cholesterol Education
Program US American Heart Association;
Deutsche Gesellschaft für Ernährung

rekomendują, w celu zapewnienia obniżenia ryzyka występowania większości chorób

rekomendują, w celu zapewnienia obniżenia ryzyka występowania większości chorób
cywilizacyjnych, aby stosunek mieścił się w granicach

n-6/n-3 = 1 ÷ 5

1/1
5/1

Dubois V., Bretonb S., Lindera M., Fannia J., Parmentiera M., 2007. Fatty acid profiles of 80 vegetable oils with regard to their nutritional
potential. Eur. J. Lipid Sci. Technol., 109, 710–732.

Maria Tynek 2013

Stosunek

n-6

n-3

w różnych olejach i tłuszczu mlecznym

C 18: 2

C 18:3

proporcje

Olej słonecznikowy

- ok.

60% n-6

Olej sojowy

- ok.

55% n-6

5% n-3

11:1

!!!!

Olej rzepakowy

- ok.

20% n-6

10% n-3

2:1

!!!!

Olej lniany

- ok.

5% n-6

50% n-3

1:10

Tłuszcz mleczny

- ok.

1,5% n-6

0,8% n-3

Olej palmowy

- ok. 10% n-6 i 0,3% n-3

Maria Tynek 2013

Przykład Biotechnologicznej

modyfikacji tłuszczów

Przestryfikowanie Enzymatyczne

BIOKATALIZA

Efekt procesu przeestryfikowania -

zmiana właściwości

użytkowo-technologicznych otrzymanego tłuszczu.

W wyniku przeestryfikowania zmieniamy strukturę TAG

(LIPIDY STRUKTURYZOWANE)

Maria Tynek 2013

PPP

PPS PPO

PSP POP

PSO

Możliwe kombinacje TAG o trzech KT

(palmitynowy),

(stearynowy),

(oleinowy )

ILOŚĆ KOMBINACJI

SSP SPO OOP

PSP OSO OPO

t.t.=

38,5 C SSO

OOS

t.t.=

23,9 C

t.t.=

71,5 C SSS

OOO

t.t.=

5,5 C

t.t.=

43,0 C SOS

OSO

t.t.=

23,5 C

Maria Tynek 2013

Efekt procesu przeestryfikowania

zmiana

właściwości użytkowo-technologicznych otrzymanego

tłuszczu.

Proces przeestryfikowania prowadzi m in. do:

Zmiany temperatury topnienia oraz przebiegu topnienia

zmiany zawartości fazy stałej w funkcji temperatury

zmiany form krystalicznych lub nie,
zmiany cech reologicznych (smarowność w niskich

temperaturach)

Maria Tynek 2013

Rodzaje przeestryfikowania

•

Alkoholiza –

reakcja pomiędzy TAG i alkoholem

W modyfikacji żywności najważniejsze są

•

Acydoliza -

reakcja pomiędzy TAG i kwasem

•

Acydoliza -

reakcja pomiędzy TAG i kwasem

•

Przeestryfikowanie właściwe-

reakcja pomiędzy

cząsteczkami TAG

Maria Tynek 2013

•

Reakcje przeestryfikowania przebiegają w
obecności

katalizatorów chemicznych

lub

biologicznych

(enzymy lipolityczne)

Przeestryfikowanie chemiczne

( NaOCH

)

Przeestryfikowanie chemiczne

Przeestryfikowanie enzymatyczne

(Lipazy )

Maria Tynek 2013

Przeestryfikowanie CHEMICZNE

Przy użyciu kat. Chemicznego ( NaOCH

)

Nazywane jest randomizacją, przeestryfikowaniem

jednofazowym, statystycznym)

przebiega w fazie ciekłej do osiągnięcia stanu

równowagi

dąży do statystycznego rozkładu KT we wszystkich

pozycjach TAG
tj. w każdej pozycji

TAG

jest

33,3%

danego kwasu z

całej jego zawartości w mieszaninie

ZAWSZE!

Maria Tynek 2013

zmiany zawartości fazy stałej w funkcji temperatury

Co mówi krzywa SFC

100

łe

]

Twardość

temperatura [

łe

]

Woskowatość

Odporność na

topienie

Profil dla
Oleju
kokosowego
zbliżony do
masła
kakaowego

Maria Tynek 2013

PODZIAŁ LIPAZ POD WZGL

DEM ICH

SPECYFICZNO

•

Lipazy substratowo specyficzne

- specyficzne w stosunku do mono-, di- lub triacylogliceroli
- specyficzne w stosunku do struktury kwasów tłuszczowych .

•

Lipazy regiospecyficzne

- sn-1,3 regiospecyficzne
- sn- 2 regiospecyficzne

BIOKATALIZATORY

•

Lipazy niespecyficzne (efekt zbli

ony do

statystycznego rozkładu kwasów tłuszczowych )

•

Lipazy stereospecyficzne

- sn - 1 stereospecyficzne

sn - 3 stereospecyficzne

- sn- 2 regiospecyficzne

Maria Tynek 2013

Na drodze przeestryfikowania moŜemy

otrzymać lipidy strukturyzowane takie jak:

RównowaŜniki masła kakaowego

Tłuszcz o strukturze podobnej do tłuszczu mleka matki

Specjalne tłuszcze zawierające krótko- i średnio-łańcuchowe

kwasy tłuszczowe C

6:0

– C

10:0

Preparaty zawierające średniołańcuchowe kwasy tłuszczowe i

NNKT

(niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe)

NNKT

(niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe)

Koncentraty kwasów ikozapentaenowego (C

20:5

) i

dokozaheksaenowego (C

22:6

)

(kwasy omega 3)

Preparaty zawierające kwas behenowy (C

22:0

)

(niskokaloryczne )

osnowy margarynowe

bez izomerów trans

Maria Tynek 2013

Przykłady tłuszczów

redniołańcuchowych

• Caprenin zbudowany jest z kw. kaprylowego (8:0),

kaprynowego (10:0) i kw. behenowego (22:0),

• Kaloryczność wynosi ok.5 kcal/g,

• Salatrim zbudowany jest z kw. octowego, propionowego

lub masłowego i stearynowego.

• Kaloryczność ok. 4 kcal/g.

Maria Tynek 2013

Klasyfikacja działów biotechnologii

(Wg.OECD i UE)

Zielona biotechnologia – biotechnologie zwi

zane z

rolnictwem

Czerwona biotechnologia – biotechnologia

wykorzystywana w ochronie zdrowia

Bł

kitna biotechnologia oznacza wytwarzanie nowych

produktów dzi

ki wykorzystaniu ró

norodno

biologicznej mórz.

Biała biotechnologia – biotechnologia przemysłowa

wykorzystuj

ca systemy biologiczne

w produkcji przemysłowej i ochronie zdrowia

Maria Tynek 2013

Wzrost liczebno

wiatowej populacji:

6 mld w 1999 do 9 mld w 2050

ywienie populacji roku 2050 b

dzie

wymagało wzrostu produkcji ziarna zbó

ponad 40%

Ilo

ść

ziemi ornej / 1 mieszka

1966 r.

45 ha

1966 r.

45 ha

1998 r.

0,25 ha

2050 r.

0,15 ha

Wg. ekspertów dalszy wzrost produkcji na drodze
nawadniania, stosowania nawozów sztucznych
nie jest mo

liwy .

Maria Tynek 2013

Zielona biotechnologia

Podstawowy cel: wykorzystanie jej w
produktach biotechnologii

czerwonej

i białej

Zabezpieczenie zasobów

ywno

Zabezpieczenie zasobów

ywno

Wprowadzenie transgenicznych ro

lin do

produkcji szczepionek doustnych,
rekombinowanych białek

Wykorzystanie ro

lin jako surowców

odnawialnych w biorafineriach

Maria Tynek 2013

Celem

„zielonej biotechnologii” w

rozwi

zywaniu problemów wy

ywienia

ludzko

ci w XXI w jest:

Co najmniej podwojenie produkcji

ywno

ci do 2050 r. na tym samym

areale gruntów ornych (1,5 miliarda ha)

Maria Tynek 2013

NOWE MECHANIZMY OBRONNE RO

LIN:

Odporno

ść

na szkodniki

poprzez endotoksyn

Bt (Bacillus thuringiensis)

Odporno

ść

na wirusy

przez wprowadzenie białek płaszcza z ró

nych wirusów

Odporno

ść

na grzyby

poprzez ekspresj

enzymów (np. chitynaz) trawi

cych

składniki

ciany komórkowej

Odporno

ść

na herbicydy

poprzez wbudowanie genu PAT koduj

cego enzym

inaktywuj

cy glufosynat

Maria Tynek 2013

Minister rolnictwa Republiki Federalnej Niemiec, Ilse Aigner,
ogłosiła 14 KWIETNIA 2009
decyzj

o wprowadzeniu zakazu wysiewu genetycznie

modyfikowanej kukurydzy

MON 810

na terenie tego kraju.

Niemcy s

szóstym pa

stwem Unii Europejskiej, które

wprowadziło taki zakaz.

Oprócz Niemiec Austria, Francja, Grecja, Luksemburg i
Węgry, zakazały wysiewu tej odmiany kukurydzy na
swoich terytoriach.

Podstawą prawną krajowych

swoich terytoriach.

Podstawą prawną krajowych

zakazów była "klauza bezpieczeństwa" zawarta w
unijnej dyrektywie 2001/18 dotyczącej GMO

. Kierując

się wynikami badań nad GMO, prowadzonymi na całym
świecie, rządy w/w państw uznały, że genetycznie
modyfikowana kukurydza może zagrozić różnorodności
biologicznej na ich terenach.

Maria Tynek 2013

Stanowisko Polskiego Związku Producentów Kukurydzy w
sprawie GMO
PZPK, 2009-05-27

„

- postuluje o umożliwienie polskim rolnikom i producentom konkurowania na arenie

międzynarodowej.

Jednocześnie na arenie Unii Europejskiej Polska podejmuje działania zmierzające do

zamknięcia Europy na nowoczesne technologie rolnicze. Sytuacja ta jest nie do
zaakceptowania przez znaczną część rolników, zwłaszcza tych producentów kukurydzy,
którzy doświadczają na swych polach dużych (i stale rosnących w wyniku zmian
klimatycznych) strat powodowanych przez szkodniki (południowa i płd.-wschodnia
Polska). W takiej sytuacji trudno konkurować z krajami, w których producenci
kukurydzy mogą korzystać z osiągnięć biotechnologii rolniczej, w tym m.in. uprawy

odpornej na szkodniki kukurydzy Bt.

„

Maria Tynek 2013

GMO - co mamy w Polsce? Autor: Tomasz Twardowski 23.01.2009.

Obecnie badaniami polowymi objęte są 3 gatunki roślin
uprawnych:

kukurydza, ziemniak

len

. W latach

wcześniejszych badania prowadzono również nad
transgeniczną śliwą, ogórkiem, burakami cukrowymi oraz
rzepakiem jarym i ozimym.

W Polsce uprawy GMO wynosiły :

100 ha w roku 2006,

320 ha w 2007 i

3000 ha w 2008- 2011

Maria Tynek 2013

1. Ryż LL (Liberty Link) Rice 601

tolerancyjne na amon glufosynatu

Wprowadzony na rynek USA w 1990
Od 2006 uprawiany w Kanadzie
W całej Unii Europejskiej żadna z odmian
transgenicznych ryżu nie jest dopuszczona do obrotu.

Genetycznie modyfikowany ryż o przeznaczeniu

handlowym może być uprawiany na Chińskich
polach. Testy polowe rozpoczęto w 2010.

Maria Tynek 2013

Huahui 1, Bt Shanyou 63,
Obie odmiany zawierają białka "Bt"

POPRAWA JAKOSCI RO

LIN UPRAWNYCH

Wprowadzenie genów :

Przyspieszaj

cych dojrzewanie

Zwi

kszaj

cych trwało

ść

Zwi

kszaj

cych zawarto

ść

cukrów prostych

lub zło

onych

Polepszaj

cych skład białek

Zwi

kszaj

ce zawarto

ść

niektórych

aminokwasów

Maria Tynek 2013

BIOFARMACEUTYKI, ANTYBIOTYKI

(naturalne i modyfikowane)

OCHRONA ZDROWIA

IMMUNOPREWENCJA (szczepionki )

ZESTAWY DIAGNOSTYCZNE

do wczesnego wykrywania schorze

(markery)

ZDROWA

YWNO

ŚĆ

, NUTRACEUTYKI

Maria Tynek 2013

to leki wytwarzane dzi

ki procesom

biotechnologicznym, zawieraj

ce białka

syntetyzowane drog

rekombinacji

genetycznej i przeciwciał monoklonalnych

BIOFARMACEUTYKI

genetycznej i przeciwciał monoklonalnych

Do wytwarzania biofarmaceutyków wykorzystywane s

ywe organizmy, w tym komórki ro

linne i zwierz

ce, bakterie i

wirusy oraz dro

e (rekombinowane)

Maria Tynek 2013

Mechanizm działania biofarmaceutyków

Biofarmaceutyki działaj

poprzez:

ladowanie prawidłowych białek

ludzkich,

Oddziaływanie na receptory komórkowe,

Wpływ na interakcje mi

dzy

poszczególnymi cz

steczkami

biologicznie czynnymi.

Maria Tynek 2013

Hormon wzrostu (GH)

Somatotropina jest białkiem składaj

cym si

191 reszt aminokwasowych, zawieraj

cym dwa

mostki disiarczkowe -S-S- i ró

ni si

budow

chemiczn

od GH u innych gatunków.

Maria Tynek 2013

(z greki

anti

- przeciw

, bios

ycie) -

zwi

zki organiczne, b

ce naturalnymi

produktami przemiany materii niektórych
drobnoustrojów, stosowane w lecznictwie

ANTYBIOTYKI

jako leki przeciwdziałaj

ce infekcjom

wywoływanym przez drobnoustroje
chorobotwórcze (najcz

ęś

ciej bakterie).

Leki o silnym działaniu bakteriobójczym
lub bakteriostatycznym.

Maria Tynek 2013

Bł

kitna biotechnologia

koszt produkcji 1l paliwa z rzepaku jest > > niż produkcji

biopaliwa z glonów

Z hektara hodowli glonów można uzyskać 15-krotnie więcej

paliwa niż z innych roślin

Wykorzystanie glonów w produkcji biopaliw

Maria Tynek 2013

Algi lub glony można zbierać nawet 8 razy dziennie

Algi do procesu fotosyntezy wykorzystują CO

fosforany i azotany