background image

Wykład 5 

Doskonalenie cech produkcyjnych 

mikroorganizmów o znaczeniu przemysłowym 

Mikrobiologia Przemysłowa 

Doskonalenie cech produkcyjnych 
mikroorganizmów 

        Izolaty A       B       C       D 

5 etapów selekcji 
mikroorganizmu 
producenckiego 

Zysk w korelacji z wydajnością 

bioproduktu 

z litra hodowli 

Koszty   
na litr 
hodowli 

background image

Wykład 5 

Doskonalenie cech produkcyjnych 
mikroorganizmów 

Procesy  biotechnologiczne  z  zastosowaniem  mikroorganizmów  wyizolowanych 

bezpośrednio  ze  środowiska  naturalnego  na  ogół  przebiegają  z  wydajnością 

niewystarczającą,  aby  ich  użycie  na  skalę  przemysłową  było  opłacalne 

ekonomicznie 

 

Aby wykorzystać potencjał biotechnologiczny tych mikroorganizmów, przeprowadza 

się  modyfikację  ich  genotypu  prowadzącą  do  uzyskania  szczepów 

produkcyjnych mogących znaleźć zastosowanie w przemyśle 

Doskonalenie cech 

produkcyjnych mikroorganizmu 

 Dziki izolat wybrany na 

drodze selekcji 

Mikroorganizm 

udoskonalony in vitro 

TRENING

 

POTENCJAŁU 

Kowalski przed 

Kowalski po 

Analogia 

Założenie  –  natura  nie  wykorzystuje 

pełnego  potencjału  biotechnologicznego

 

organizmu  producenckiego  tak  jak  przeciętny 

„Kowalski”

  nie  wykorzystuje 

pełnego 

potencjału własnego organizmu 

background image

Wykład 5 

Co ma przynieść doskonalenie? 

Koszty   
na litr 
hodowli 

Zysk w korelacji z wydajnością 

bioproduktu 

z litra hodowli 

Szczep dziki 

Szczep zmodyfikowany 

Którędy wiedzie droga? 

Doskonalenie cech 

produkcyjnych mikroorganizmu 

 
 
 
 

MODYFIKACJA INFORMACJI 

GENETYCZNEJ ZAWARTEJ W DNA 

 
 
 

Mutageneza 

Szczep Dziki = Szczep Natywny 

Mutant 

background image

Wykład 5 

Doskonalenie cech produkcyjnych 
mikroorganizmów – wybór metody 

  

Metody klasyczne 

• mutageneza indukowana in vivo,  
• selekcja 
• adaptacja 
• hybrydyzacja naturalna 
• fuzja protoplastów komórek szczepów pochodzących od genetycznie 

różniących się przodków.

 

 

  

Metody wykorzystujące techniki inżynierii 

genetycznej 

 

METODY 

MODYFIKACJI DNA 

Mutageneza. 

background image

Wykład 5 

Mutageneza 

 

Mutageneza - proces prowadzący do powstania mutanta 

 
  Mutant  –  mikroorganizm  różniący  się  genotypem  od  komórek  szczepu 

macierzystego

  

zmiany

 genotypowe w komórkach mutanta muszą być 

trwałe  

dziedziczone

 przez komórki potomne  

ich  obecność  musi  nadawać  szczepowi  mutanta  właściwości  fenotypowe 

różniące

 

go  od 

szczepu macierzystego 

 
 

Mutacja  –  trwała  zmiana  w  sekwencji  DNA,  która  jest  przekazywana  komórkom 

potomnym 

 
  Zmiana  premutacyjna  –  zmiana  w  sekwencji  DNA,  która  może  być  usunięta  w 

procesie replikacji  

Substytucje 

Delecje 

Insercje 

Modyfikacje zasad azotowych 

 

Typy mutacji 

10 

background image

Wykład 5 

Typy mutacji 

Substytucja – zmiana jednej pary zasad na inną 

tranzycja  (A↔G;  T↔C)  –  zmiana  jednej  puryny  na  inną  purynę  lub  zmiana  jednej 

pirymidyny na inną pirymidynę 

transwersja (A↔T; C↔G) – zmiana pirymidyny na purynę lub puryny na pirymidynę 

 
                                                                                                                5’ ACGTAACG 3’ 
                                                                                                                3’ TGCATTGC 5’ 
 5’ ACGTAACG 3’                         5’ ACGTAACG 3’ 
 3’ TGCATTGC 5’                         3’ TGCAT

C

GC 5’ 

                                                     

    

                                                        3’ TGCA

C

TGC 5’ 

                                                                                                                 5’ ACGT

G

ACG 3’

 

 
  

   zmiana premutacyjna 

                mutacja 

11 

Typy mutacji 

Delecja  - usunięcie jednej lub większej liczby par zasad 
 

                                                                                      

5’ CCGAAAAACGC 3’ 

                                                                                                         3’ GGCTTTTTGCG 5’ 

                                                           

5’ CCGA

A

AAACGC 3’                      5’ CCGA  AAACGC 3’ 

3’ GGCTTTTTGCG 5’                       3’ GGCT  TTTGCG 5’ 
                                                                                                             3’ GGCTTTTGCG 5’ 
                                                                                                             5’ CCGAAAACGC 3’

  

zmiana premutacyjna  

            mutacja 

12 

background image

Wykład 5 

Typy mutacji 

Insercja – wstawienie jednej lub większej liczby par zasad 

 

                                                                                                          5’ CCGAAAAACGC 3’ 
                                                                                                          3’ GGCTTTTTGCG 5’ 
5’ CCGAAAAACGC 3’                  5’ CCGAA  AAACGC 3’ 
3’ GGCTTTTTGCG 5’                   3’ GGCTT  TTTGCG 5’ 
                                                                      

                                                                                                          3’ GGCTT

T

TTTGCG 5’ 

                                                                                                          5’ CCGAAAAAACGC 3’

  

 

 

  zmiana premutacyjna 

               mutacja 

13 

Modyfikacje zasad azotowych w DNA: 

Deaminacja  cytozyny  –  powoduje 

powstanie  uracylu

,  nie  zwiększa  poziomu 

mutacji spontanicznych 

 

Metylacja  cytozyny  –  powoduje 

powstanie  5-metylocytozyny

,  nie  zwiększa 

poziomu mutacji spontanicznych 

 

Deaminacja  5-metylocytozyny  –  powoduje 

powstanie  tyminy 

i  po  replikacji 

mutację GC → AT   

Typy mutacji 

14 

background image

Wykład 5 

Skutki mutacji 

Mutacje punktowe 

zmiana  pojedynczego  aminokwasu  w  sekwencji 

białka 

brak zmian sekwencji aminokwasowej białka 

przedwczesna terminacja translacji 

 

Delecje lub insercje 

przesunięcie ramki odczytu 

wstawienie 

lub 

usunięcie 

pojedynczego 

aminokwasu w sekwencji białka 

  

15 

Mutageneza 

Mutageneza spontaniczna (samorzutna) – 

proces powstawania mutacji 

zachodzący niezależnie od określonych czynników zewnętrznych 

błędy popełniane w czasie replikacji DNA 

błędy powstające w wyniku samorzutnych modyfikacji chemicznych zasad DNA 

 
Błędy takie nie są częste ze względu na zdolności korekcyjne polimeraz, jak również 

dzięki  działającemu  po  replikacji  systemowi  naprawy  niedopasowanych 
nukleotydów (MMR – mismatch repair). 

 
Częstość mutagenezy spontanicznej 

bakteriofag T4 – 10

-7

 

Escherichia coli – 10

-9 

Drosophila melanogaster – 10

-10

 

 

16 

background image

Wykład 5 

W praktyce częstość mutagenezy spontanicznej jest zbyt mała 
żeby wykorzystywać to zjawisko do kreowania mutantów in vitro 
 

Stąd  w  laboratorium  przeprowadzamy  tak  zwaną  mutagenezę 
indukowaną 

Mutageneza indukowana 

17 

Mutageneza indukowana 

Mutageneza  indukowana  –  proces  powstawania  mutacji  na  skutek 
działania  zewnętrznych  czynników  fizycznych  lub  chemicznych 
(mutagenów) 
 

Typy mutacji indukowanych 

mutacje punktowe (substytucje, modyfikacje zasad azotowych) 

delecje 

insercje 

 

  Powstałe komórki mutantów różnią się genotypowo i fenotypowo  

od komórek szczepu macierzystego oraz wzajemnie od siebie   

 
      

 

18 

background image

Wykład 5 

10 

Mutageneza indukowana 

CZYNNIKI MUTAGENNE 

 

Fizyczne 

 

 

Chemiczne  

19 

Czyniki chemiczne i fizyczne wykorzystywane w 
doskonaleniu mikroorganizmów na drodze mutagenezy

  

Czynnik mutagenny 

Sposób działania 

Promieniowanie UV 

powstanie dimerów pirymidynowych 

Promieniowanie X 

pęknięcia jedno- i dwuniciowego DNA 

5-bromouracyl 

analog tyminy, tworzy pary z guaniną – tranzycje pary AT↔GC 

2-aminopuryna 

analog adeniny, tworzy pary z cytozyną 

Hydroksyloamina 

hydroksylacja cytozyny, pochodna tworzy pary z adeniną 

N-metylo-N’-nitro-N-nitrozoguanidyna  synteza  metyloguaniny  podczas  replikacji,  powoduje  tranzycje  i 

inne typy mutacji 

Metanosulfonian metylowy 
Metanosulfonian etylowy 

alkilacja puryn i pirymidyn 

Oranż akrydyny 

interkalacja pomiędzy zasady w DNA, powoduje  błędy replikacji i 

mutacje typu insercja lub delecja 

Kwas azotowy (III) 

deaminacja adeniny, hipoksantyna tworzy pary z cytozyną 
deaminacja guaniny, ksantyna tworzy pary z cytozyną  
deaminacja cytozyny, uracyl tworzy pary z adeniną 

20 

background image

Wykład 5 

11 

Długość fali ok. 260 nm – najbardziej absorbowane przez kwasy nukleinowe 
 

powstawanie  dimerów  pirymidynowych  tj.  głównie  TT,  ale  też    TC  i  CC,  
jednoniciowym DNA oraz w RNA 
dochodzi też do hydratacji cytozyny i uracylu.  
 

wysokie  dawki  (tysiące  ergów  na  milimetr  kwadratowy)  prowadzą  do  powstania 
wiązań - krzyżowych połączeń (cross-links) między dwiema nićmi DNA.  
 

przy naświetlaniu promieniami o nieco dłuższej fali (280 nm), pochłanianymi głównie 
przez białka
, dochodzi do tworzenia wiązań pomiędzy tymi ostatnimi a DNA.  
 

Promieniowanie UV 

21 

powstanie dimerów uniemożliwia replikację i transkrypcję mRNA  
 

zmiany te powodują mutacje typu transwersje i tranzycje 
 

powstają w podłożu duże zmiany, w wyniku których pojawiają się wolne rodniki (np. 
[OH]  itd.)  oraz  związki  niestałe  o  charakterze  nadtlenków.  Związki  te  działają 
utleniająco  na  inne  składniki  zawarte  w  środowisku,  a  ponadto  i  przede  wszystkim, 
podobnie  jak  wszelkie  substancje  utleniające,  wywierają  wpływ  toksyczny  na 
komórki
.  
 
 

Promieniowanie UV 

22 

background image

Wykład 5 

12 

naprawie podlegają tylko pewne typy uszkodzeń, np. dimery pirymidyn. Ponieważ 
są one jednak odpowiedzialne za większość śmiertelnych efektów promieniowania, 
te mechanizmy naprawy uszkodzeń odgrywają dużą rolę.  
 

fotoreaktywacja usuwa u Escherichia coli najwyżej 50-80% uszkodzeń. Pozostałe, 
nie  usuwane  przez  fotoreaktywację,  są  przypuszczalnie  związane  z  innymi 
zmianami w komórce niż dimeryzacja pirymidyn.  
 

promienie  UV  wykazują  właściwości  bójcze  w  stosunku  do  mikroorganizmów, 
które nie są zdolne do usuwania uszkodzeń, bądź ilość zmian jest zbyt duża. 
 

Promieniowanie UV 

23 

Promieniowanie X lub gamma  
 

Wysoka energia powodująca jonizację cząsteczek przez wybicie elektronów 
 

Powstające wolne rodniki reagują z zasadami azotowymi prowadząc do rozerwania 
nici  DNA
  jednej  (uszkodzenia  możliwe  do  naprawienia)  lub  obu  (uszkodzenia 
letalne) 
 
 
 

Promieniowanie jonizujące 

24 

background image

Wykład 5 

13 

Antymetabolity przypominające puryny i pirymidyny  
 

Po  włączeniu  do  łańcucha  wykazują  skłonność  do  tworzenia  pary  z  błędnie 
dobraną zasadą 
purynową lub pirymidynową 
 

5-bromouracyl, 5-bromodeoksyurydyna, 2-aminopuryna  

Analogi zasad 

25 

Czynniki chemiczne 

Modyfikują zasady azotowe w DNA 
 

Powstają błędy podczas replikacji w wyniku błędnego parowania zasad 
 

Mutacje punktowe 

26 

background image

Wykład 5 

14 

Związki alkilujące 

Alkilacja  zasad  azotowych  wywołana  obecnością  grup  metylowych,  etylowych  i 
innych występujących w tych związkach  
 

Podstawienie właściwej zasady inną, opuszczenie lub dodanie nukleotydu 
 

Metylo- i etylometanosulfonian (MMS i EMS) 

Dietylo i dimetylosiarczan (DES i DMS) 

Iperyt  

N-metylo-N’-nitro-N-nitrozoguanidyna (MNNG) 

27 

Barwniki akrydynowe 

Interkalacja pomiędzy sąsiednie pary zasad w dwuniciowym DNA 
 

Podczas replikacji następuje wstawienie lub utrata dodatkowego nukleotydu  
 

Oranż akrydyny 

28 

background image

Wykład 5 

15 

Etapy mutagenizacji 

Dodanie mutagenu do hodowli i jego penetracja do komórki 

Oddziaływanie na DNA (niestabilne zmiany pierwotne) 

Procesy naprawcze (rewersja mutacji lub zmiany wtórne) 

Stabilizacja mutacji umożliwiająca utrzymanie mutacji w kolejnych pokoleniach  

Zmiany biochemiczne i ujawnienie się fenotypowe mutacji 

29 

– mutacje pierwotne 

– mechanizm naprawczy; 

odtworzenie stanu 
pierwotnego 

– mechanizm naprawczy; 

mutacje wtórne 

– śmierć komórki 

– śmierć komórki 

– namnażanie 

zmutowanych komórek 

Kierunki i skutki zmian genotypu w wyniku mutagenezy 

Mutageneza indukowana 

Dawka mutagenu 

zbyt  duża  dawka  czynnika  mutagennego  prowadzić  może  do  śmierci  wszystkich 
komórek szczepu macierzystego poddanych jego działaniu 

duże  dawki  czynnika  mutagennego  prowadzą  do  uszkodzenia  DNA  w  wielu 
miejscach genomu   

mutacje pożądane mogą być maskowane przez mutacje niekorzystne 

 

optymalna  dawka  mutagenu  powoduje  efekt  letalny  u  max  90%  komórek 
poddawanych mutagenezie 

 

Wielkość dawki czynnika mutagennego zależy od: 

właściwości szczepu poddawanego mutagenezie 

warunków hodowli 

wieku hodowli

  

30 

background image

Wykład 5 

16 

Efekt letalny 
     - Dla każdego badanego szczepu mikroorganizmu dawkę czynnika mutagennego 

należy wyznaczyć empirycznie 

Mutageneza indukowana 

Np. Seryjne rozcieńczenia czynnika 

mutagennego 

31 

Mutageneza indukowana 

Rewersja  mutacji  -  proces  usunięcia  mutacji  powstałych  w  niektórych 

komórkach mikroorganizmu pod wpływem działania czynnika mutagennego 

 

Rewersja  mutacji  zachodzi  na  drodze  działania  mechanizmów 

naprawczych takich jak np. 

fotoreaktywacja, reaktywacja rekombinacyjna

 

 

Efektem  rewersji  mutacji  jest 

przywrócenie  wyjściowego  genotypu 

mikroorganizmu 

 

Rewersja 
 mutacji 

32 

background image

Wykład 5 

17 

Mutageneza indukowana 

Mechanizmy naprawcze: 

 

Niemutagenne 

wolne od błędów poreperacyjnych  

fotoreaktywacja,  wycinanie  uszkodzonych  fragmentów,  resynteza 
DNA oraz rekombinacja 
 
 

Mutagenne 

pojawiają się wtórne, trwałe błędy w DNA 

mechanizm SOS indukowany przy zatrzymaniu replikacji DNA  

uszkodzenia poreperacyjne są głównym źródłem mutantów 

 

   

 

 

33 

Rewersja mutacji 

Fotoreaktywacja - rozszczepienie dimerów poprzez 

fotoliazę

 – enzym aktywny w 

świetle widzialnym (320 – 370 nm), efektem jest przywrócenie do stanu pierwotnego 

 

Reaktywacja  ciemna  –  przebiega  bez  udziału  światła  – 

kompleks

  specyficznych 

nukleaz  usuwa  dimery

  powstałe  podczas  naświetlania, 

przerwa

  w  łańcuchu 

wypełniana

 jest przez 

polimerazę DNA I

, a fragmenty są scalane przez 

ligazę 

 

34 

background image

Wykład 5 

18 

Rewersja mutacji 

Reaktywacja  rekombinacyjna  lub  poreplikacyjna  –  powstanie  przerw  w 
miejscach  wystąpienia  dimerów  podczas  syntezy  nowej  nici,  duża  dawka 
promieniowania doprowadza do powstania wielu przerw w nici DNA 
 

  W wyniku wielokrotnego procesu rekombinacji następuje usunięcie przerw, ale 

reperacja DNA nie jest bezbłędna. 

 
  Uważa  się,  że  naprawa  rekombinacyjna  jest  głównym  źródłem  mutacji 

indukowanych przez promieniowanie UV. 

 
  Najczęściej  mutacje  te  są  wynikiem  podstawienia  zasad  lub  delecji  i 

przesunięcia ramki odczytu. 
 

35 

Promieniowanie UV (254-265 nm) 

Zalety 

Wysoka częstotliwość powstawania mutacji w stosunku do efektu letalnego 

Dostępność i łatwość użycia źródła promieniowania 

Łatwość dozowania dawek 

moc lampy 

odległość od zawiesiny komórek 

czas działania 

Łatwość odtwarzania warunków mutagenezy 

Możliwość  wywołania  mutacji  w  rosnących  komórkach  wegetatywnych  i 
sporach 

 

36 

background image

Wykład 5 

19 

Promieniowanie UV (254-265 nm) 

Sposób postępowania 

przygotować zawiesinę komórek w soli fizjologicznej lub pożywce wzrostowej (10

5

 – 

10

6

 komórek /ml); wysokość warstwy zawiesiny nie powinna przekraczać kilku mm 

lampę UV umieścić kilkadziesiąt cm nad zawiesiną komórek 

prowadzić mutagenezę przez kilka minut 

wysiać zawiesinę w postaci murawy na szalki Petriego z podłożem wzrostowym 

inkubować w ciemności 

37 

Selekcja mutantów 

Szczep dziki z 

aktywnością 

proteolityczną 

Płytki z agarem 

mlecznym 

Mutageneza indukowana 

38 

background image

Wykład 5 

20 

Typy mutantów 

Opornościowe 

Auksotroficzne 

Kataboliczne 

Temperaturozależne 

Regulatorowe  

39 

Selekcja mutantów 

Mutanty opornościowe 

oporne na inhibitory, antybiotyki lub bakteriofagi 

bezpośredni posiew na podłoże zawierające czynnik toksyczny 

metoda replik 

metoda płytek gradientowych 
 

Mutanty auksotroficzne 

Niezdolne do syntezy witamin, aminokwasów, kwasów nukleinowych lub innych 
składników budulcowych komórki 

bezpośredni  posiew  na  podłoże  zawierające  śladowe  ilości  składników,  których 
komórki nie potrafią syntetyzować 

metoda pośrednia – metoda replik 
 

 

40 

background image

Wykład 5 

21 

Selekcja mutantów auksotroficznych   
- metoda replik 

1, 3 – podłoże kompleksowe; 2 – podłoże minimalne 

41 

Selekcja mutantów 

Mutanty kataboliczne 

defekt w enzymatycznych szlakach metabolicznych 

bezpośredni posiew na podłoże z dodatkiem wskaźnika 
 

Mutanty temperaturozależne 

Temperaturooporne i temperaturowrażliwe 

Inkubacja w odpowiedniej temperaturze 
 

Mutanty regulatorowe 

Zmienna szybkość syntezy jednego lub kilku enzymów metabolicznych 

Hodowla  ciągłą  w  warunkach  ograniczania  wzrostu  z  małym  stężeniem 
substratu,  selekcja  w  obecności  antymetabolitów  hamujących  wzrost  komórek 
niezmienionych 
 

 

42 

background image

Wykład 5 

22 

Mutageneza indukowana = „Genetycy 
strzelają Pan Bóg kule nosi” 

CEL 

Efekt uboczny nalotu 

Efekt uboczny nalotu 

CEL NALOTU 

43 

Mutageneza indukowana = „Genetycy 
strzelają Pan Bóg kule nosi” 

DNA 

Produkcja 

energii 

komórkowej 

Produkcja 

białek  

Mechanizmy 

naprawcze 

DNA 

    

MUTACJE 

44 

background image

Wykład 5 

23 

Selekcja mutantów dla zawansowanych 

Proteaza [aktywność] 

      Mutant      Szczep Dziki 

 Testy produkcyjne w bioreaktorze na podłożu hodowlanym wskazują na 

sukces

.                           

Tyle czy na pewno? 

Hodowla 

45 

Wzrost hodowli [liczba komórek] 

Mutant                   Szczep Dziki 

  Niekoniecznie 

sukces

 - mutant adaptuje się trudniej niż szczep dziki na podłożu 

wzrostowym 

Czas 

Hodowla 

Selekcja mutantów dla zawansowanych 

46 

background image

Wykład 5 

24 

Wniosek  

Zysk = Strata 

47 

Mutageneza indukowana dla zawansowanych 

Płytki z agarem 

mlecznym 

Mutageneza 

indukowana 1 

cykl 

Mutageneza 

indukowana 2 

cykl 

Testy 

Produkcyjne 

• Z reguły wykonuje się 3 cykle MI i TP 

• Więcej nie ma sensu bo występuje nasilenie efektu letalnego wskutek 
gromadzenia się w genomie „szkodliwych mutacji” 

48 

background image

Wykład 5 

25 

Selekcja mutantów dla zawansowanych 

Wzrost hodowli [liczba komórek] 

Czas 

Mutant 1 

generacja 

Hodowla 

Szczep 

dziki 

Mutant 2 

generacja 

49 

Wzrost hodowli [liczba komórek] 

Czas 

No dobrze ale jak uzyskać 
szczep który z jednej 
strony produkuje więcej 
proteazy niż szczep dziki 
ale zachowuje jego 
parametry wzrostowe na 
pożywce hodowlanej? 

Selekcja mutantów dla zawansowanych 

50 

Mutant 1 

generacja 

Szczep 

dziki 

Mutant 2 

generacja