Βιολογία (Γ΄ Γενικού Λυκείου - Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας) - Τεύχος Β΄ Βιβλίου Μαθητή (Εμπλουτισμένο)

Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας

Εικόνα

Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας

κεφάλαιο

7
κεφάλαιο 7

7. Αρχές και μεθοδολογία
της Βιοτεχνολογίας

Ένα περιστατικό από το άμεσο μέλλον

Στην εντατική κλινική ενός νοσοκομείου ο γιατρός κάνει ένεση με την πρωτεΐνη ενεργοποιητή πλασμινογόνου (tPA) σε έναν ασθενή, ο οποίος μόλις έχει φτάσει με καρδιακό ισχαιμικό επεισόδιο. Μέσα σε λίγα λεπτά ο tPA διαλύει τους θρόμβους που παρεμποδίζουν την κυκλοφορία του αίματος. Στον άνθρωπο αυτή η σημαντική για την κυκλοφορία του αίματος πρωτεΐνη βρίσκεται σε ίχνη. Η πρωτεΐνη που δόθηκε ως φάρμακο στον ασθενή έχει παραχθεί από βακτήρια, έχει όμως την ίδια σύσταση με το δικό του tPA. Εάν δεν είχε αναπτυχθεί αυτή η μεθοδολογία, θα ήταν αδύνατη η χρησιμοποίηση αυτού του φαρμάκου, καθώς οι συμβατικές μέθοδοι δεν επιτρέπουν την παραγωγή του σε μεγάλες ποσότητες. Η παρασκευή τόσο του tPA όσο και των άλλων «φαρμακευτικών» πρωτεϊνών είναι δυνατή λόγω της ανάπτυξης τεχνικών χειρισμού του γενετικού υλικού και της χρησιμοποίησης γενετικά τροποποιημένων οργανισμών.

Η Βιοτεχνολογία προσφέρει τη δυνατότητα χρησιμοποίησης των ζωντανών οργανισμών για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων

Οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούνται εδώ και χιλιάδες χρόνια για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων. Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν κυρίως για την παραγωγή ψωμιού, μπίρας και κρασιού. Σήμερα οι εξελίξεις στην Επιστήμη και στην Τεχνολογία δίνουν τη δυνατότητα χρησιμοποίησης των ζωντανών οργανισμών για την παραγωγή ευρείας κλίμακας προϊόντων όπως τροφίμων, αντιβιοτικών και εμβολίων. Ο όρος Βιοτεχνολογία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Ούγγρο Kark Ereky το 1919, για να περιγράψει τη «διαδικασία παραγωγής προϊόντων από ακατέργαστα υλικά με τη βοήθεια ζωντανών οργανισμών».

Σήμερα η Βιοτεχνολογία αποτελεί συνδυασμό Επιστήμης και Τεχνολογίας, με στόχο την εφαρμογή των γνώσεων που έχουν αποκτηθεί από τη μελέτη των ζωντανών οργανισμών για την παραγωγή σε ευρεία κλίμακα χρήσιμων προϊόντων. Τέτοια προϊόντα είναι, για παράδειγμα, η αλκοόλη, που παράγεται με ζύμωση, και η ανθρώπινη ινσουλίνη, που παράγεται από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια. Η Βιοτεχνολογία συνεισφέρει σε διάφορους τομείς όπως είναι η Ιατρική, η γεωργία, η κτηνοτροφία,

η βιομηχανία και η προστασία του περιβάλλοντος.

Βιοτεχνολογία με την ευρεία έννοια είναι η χρήση ζωντανών οργανισμών προς όφελος του ανθρώπου.

Η Βιοτεχνολογία στηρίζεται κυρίως σε τεχνικές καλλιέργειας και ανάπτυξης των μικροοργανισμών και σε τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA. Οι τελευταίες βρίσκουν άμεση εφαρμογή στη Βιοτεχνολογία, επειδή παρέχουν τη δυνατότητα εισαγωγής νέων επιθυμητών ιδιοτήτων στους ζωντανούς οργανισμούς σε μικρότερο χρόνο και με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι στο παρελθόν. Το νέο στη Βιοτεχνολογία είναι όχι οι ιδέες, εφόσον και στο παρελθόν είχαν γίνει προσπάθειες τροποποίησης των ιδιοτήτων των οργανισμών, αλλά οι τεχνικές για την υλοποίησή τους.

Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουμε μερικές από τις μεθόδους και εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας. Οι νέες τεχνολογίες, στις οποίες συμπεριλαμβάνεται η Βιοτεχνολογία, αλλάζουν την κοινωνία μας με μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι στο παρελθόν, με ανεξέλεγκτα ίσως αποτελέσματα. Αυτό αναπόφευκτα δημιουργεί νέα κοινωνικά και ηθικά διλήμματα, μερικά από τα οποία θα συζητηθούν στο κεφάλαιο της Βιοηθικής.

Η Βιοτεχνολογία μερικές χιλιετίες πριν

Σύμφωνα με ενδείξεις οι Αιγύπτιοι παρήγαγαν μπίρα την 7η χιλιετία π.Χ., ενώ την 4η χιλιετία π.Χ. σε περιοχές της Μεσοποταμίας γινόταν καλλιέργεια της αμπέλου (Vitis vinifera) για την παραγωγή κρασιού. Ιστορικές πληροφορίες σχετικά με την ελεγχόμενη εκτροφή ζώων από τον άνθρωπο υπάρχουν σε τοιχογραφίες αιγυπτιακών τάφων, που χρονολογούνται στο 4000 π.Χ. και παρουσιάζουν ελεγχόμενες διασταυρώσεις σκύλων.

Εικόνα

Εικόνα 7.1

Οι μικροβιακές καλλιέργειες αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για τη Βιοτεχνολογία

Οι μικροοργανισμοί όταν βρεθούν σε κατάλληλες συνθήκες, αυξάνονται σε μέγεθος και διαιρούνται με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού τους. Τα κύτταρα που προκύπτουν μετά από κάθε διαίρεση έχουν πρακτικά το ίδιο μέγεθος με το αρχικό κύτταρο (Εικόνα 7.1). Ο ρυθμός ανάπτυξης ενός πληθυσμού μικροοργανισμών, δηλαδή ο ρυθμός με τον οποίο διαιρούνται τα κύτταρά του, καθορίζεται από το χρόνο διπλασιασμού (Πίνακας 7.1). Κάθε είδος μικροοργανισμού έχει χαρακτηριστικό χρόνο διπλασιασμού.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο διπλασιασμού και κατά συνέπεια το ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών είναι η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών, το pH, το Ο2 και η θερμοκρασία.

Όπως και όλοι οι υπόλοιποι οργανισμοί, για να αναπτυχθεί ένας μικροοργανισμός είναι απαραίτητο να μπoρεί να προμηθεύεται από

ΠΙΝΑΚΑΣ 7.1: Χρόνος διπλασιασμού για διάφορα είδη μικροοργανισμών.
Είδος Χρόνος διπλασιασμού σε ιδανικές συνθήκες
Escherichia coli 20 min
Mycobacterium tuberculosis 18 h
Amoeba proteus 24 h
Sacharomyces cerevisae 2 h

τo περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσεται μια σειρά θρεπτικών συστατικών. Σ' αυτά περιλαμβάνονται ο άνθρακας, το άζωτο, διάφορα μεταλλικά ιόντα και το νερό. Η πηγή άνθρακα για τους αυτότροφους μικροοργανισμούς είναι το CΟ2 της ατμόσφαιρας, ενώ για τους ετερότροφους διάφορες οργανικές ενώσεις όπως οι υδατάνθρακες. Η πηγή αζώτου για τους περισσότερους μικροοργανισμούς είναι τα αμμωνιακά ή τα νιτρικά ιόντα (ΝΟ3"). Τέλος, τα μεταλλικά ιόντα είναι απαραίτητα για την πραγματοποίηση των χημικών αντιδράσεων στο κύτταρο και ως συστατικά διαφόρων μορίων.

Το pH επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Οι περισσότεροι αναπτύσσονται σε pH 6-9. Υπάρχουν όμως μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται σε διαφορετικό pH, όπως είναι τα βακτήρια του γένους Lactobacillus, που αναπτύσσονται σε pH 4-5.

Η παρουσία ή απουσία Ο2 μπορεί να βοηθήσει ή να αναστείλει την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Υπάρχουν μικροοργανισμοί που για την ανάπτυξή τους απαιτούν υψηλή συγκέντρωση Ο2 (υποχρεωτικά αερόβιοι) όπως τα βακτήρια του γένους Mycobacterium. Άλλοι μικροοργανισμοί, όπως οι μύκητες που χρησιμοποιούνται στην αρτοβιομηχανία, ανήκουν στην κατηγορία των μικροοργανισμών που αναπτύσσονται παρουσία Ο2 με ταχύτερο ρυθμό απ' ότι απουσία Ο2 (προαιρετικά αερόβιοι). Τέλος, υπάρχουν μικροοργανισμοί όπως βακτήρια του γένους Clostridium για τους οποίους το Ο2 είναι τοξικό (υποχρεωτικά αναερόβιοι).

Η θερμοκρασία είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που καθορίζουν το ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται άριστα σε θερμοκρασία 20-45°C. Για παράδειγμα, η Escherichia coli, που χρησιμοποιείται σε πειράματα Μοριακής Βιολογίας, αναπτύσσεται άριστα σε θερμοκρασία 37°C. Υπάρχουν όμως ορισμένοι που για την ανάπτυξή τους απαιτούν θερμοκρασία μεγαλύτερη από 45°C, όπως αυτοί που αναπτύσσονται κοντά σε θερμοπηγές, και άλλοι που αναπτύσσονται σε θερμοκρασία μικρότερη των 20° C (Εικόνα 7.2).

Ένα ένζυμο που του αρέσει η ζέστη

Ο Thermus aquaticus είναι ένα θερμόφιλο βακτήριο, το οποίο αναπτύσσεται κοντά σε θερμοπηγές όπου η θερμοκρασία πλησιάζει τους 80° C. Το βακτήριο αυτό χρησιμοποιείται για την παραγωγή μιας DNA πολυμεράσης (Taq πολυμεράση). Το ένζυμο αυτό είναι ενεργό μέχρι τους 95 "C. Η ιδιότητά του αυτή το κάνει κατάλληλο για χρήση στην αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR), μιας από τις σύγχρονες τεχνικές της Μοριακής Βιολογίας.

κεφάλαιο 7

Εικόνα 7.2










Εικόνα 7.2 Σχέση του ρυθμού ανάπτυξης μικροοργανισμών με τη θερμοκρασία. Αναφέρονται πέντε κατηγορίες μικροοργανισμών που αναπτύσσονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες καθώς και η βέλτιστη θερμοκρασία ανάπτυξης για καθένα από αυτούς.

Οι μικροοργανισμοί μπορούν να ανοπτυχθούν στο εργαστήριο και σε βιομηχανική κλίμακα

Οι επιστήμονες είχαν ήδη αρχίσει από τα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα τις προσπάθειες για την καλλιέργεια βακτηρίων και μυκήτων. Ο Louis Pasteur στο Παρίσι υπήρξε από τους πρωτοπόρους αυτής της προσπάθειας. Για το σκοπό αυτό ήταν απαραίτητη η απομόνωση αρχικά των διάφορων ειδών βακτηρίων ή μυκήτων, η παρασκευή κατάλληλων θρεπτικών υλικών και η διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης. Σήμερα οι μικροοργανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χρήσιμων προϊόντων, όπως αντιβιοτικά ή ένζυμα, μπορούν να αναπτυχθούν στο εργαστήριο και σε μεγάλη κλίμακα στις βιομηχανικές μονάδες κάτω από αυστηρά ελεγχόμενες συνθήκες καλλιέργειας. Για την ανάπτυξή τους χρησιμοποιούνται τεχνητά θρεπτικά υλικά. Αυτά πρέπει να περιέχουν πηγή άνθρακα, πηγή αζώτου και ιόντα. Στην περίπτωση αερόβιων μικροοργανισμών, είναι απαραίτητη η παρουσία οξυγόνου. Τα θρεπτικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στο εργαστήριο μπορεί να είναι υγρά ή στερεά. Τα υγρά θρεπτικά υλικά περιέχουν όλα τα θρεπτικά συστατικά που αναφέρθηκαν προηγουμένως διαλυμένα σε νερό. Τα στερεά θρεπτικά υλικά παρασκευάζονται με ανάμιξη του υγρού θρεπτικού υλικού με έναν πολυσακχαρίτη που προέρχεται από φύκη, το άγαρ. Το άγαρ είναι ρευστό σε θερμοκρασίες πάνω από 45° C αλλά στερεοποιείται σε μικρότερες θερμοκρασίες. Μία καλλιέργεια ξεκινάει με την προσθήκη μικρής ποσότητας κυπάρων στο θρεπτικό υλικό, μια διαδικασία που ονομάζεται εμβολιασμός. Μετά τον εμβολιασμό οι μικροοργανισμοί παραμένουν σε ένα κλίβανο που εξασφαλίζει σταθερή θερμοκρασία κατάλληλη για την ανάπτυξή τους. Με αυτό τον τρόπο σε μικρό χρονικό διάστημα, 12-76 ωρών, παράγεται μεγάλος αριθμός μικροοργανισμών.

Οι καλλιέργειες αυτές μπορούν να διατηρηθούν σε αδρανή μορφή στην κατάψυξη (-80°C) για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Για την αποφυγή ανάπτυξης άλλων μικροοργανισμών, εκτός εκείνων που πρόκειται να καλλιεργηθούν, τα θρεπτικά υλικά και οι συσκευές αποστειρώνονται πριν από την έναρξη της καλλιέργειας.

Όταν γίνεται καλλιέργεια μικροοργανισμών σε μεγάλη κλίμακα (βιομηχανική καλλιέργεια) χρησιμοποιούνται κατάλληλες συσκευές που ονομάζονται ζυμωτήρες η βιοαντιδραστήρες (Εικόνα 7.3). Οι βιοαντιδραστήρες επιτρέπουν τον έλεγχο και τη ρύθμιση των συνθηκών (θερμοκρασία, pH, συγκέντρωση Ο2) που αφορούν την καλλιέργεια. Στο θρεπτικό υλικό, που προστίθεται στους βιοαντιδραστήρες, χρησιμοποιούνται φθηνές πηγές άνθρακα όπως η μελάσα που αποτελεί παραπροϊόν της επεξεργασίας ζαχαροκάλαμου ή σακχαρότευτλων. Η καλλιέργεια στο βιοαντιδραστήρα ξεκινάει με τον εμβολιασμό από μια αρχική καλλιέργεια μικροοργανισμών που έχει γίνει στο εργαστήριο. Μέσα στο βιοαντιδραστήρα οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται χρησιμοποιώντας τα συστατικά του θρεπτικού υλικού. Όλες οι διεργασίες πρέπει να γίνονται κάτω από στείρες συνθήκες για να μην γίνει μόλυνση της καλλιέργειας. Ο ίδιος ο βιοαντιδραστήρας και το θρεπτικό υλικό αποστειρώνονται πριν από τη χρήση. Με τον όρο ζύμωση εννοούμε τη διαδικασία ανάπτυξης μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Ο όρος ζύμωση παλαιότερα χρησιμοποιείτο μόνο για αναερόβιες διεργασίες αλλά σήμερα χρησιμοποιείται με την ευρεία έννοια και περιλαμβάνει όλες τις διεργασίες, αερόβιες και αναερόβιες. Τα προϊόντα της ζύμωσης είναι είτε τα ίδια τα κύτταρα που ονομάζονται βιομάζα είτε προϊόντα των κυττάρων όπως πρωτεΐνες και αντιβιοτικά.

Εικόνα 7.3α

Οι μικροοργανισμοί απορούν να καλλιεργηθούν με διαφορετικούς τρόπους

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ζυμώσεων, οι οποίοι μπορούν να εφαρμοστούν ανάλογα με το επιθυμητό προϊόν. Δύο ευρέως χρησιμοποιούμενοι τύποι είναι η κλειστή και η συνεχής καλλιέργεια.

Κλειστή καλλιέργεια: Σ' αυτό τον τύπο ζύμωσης τοποθετείται στο βιοαντιδραστήρα ορισμένη ποσότητα αποστειρωμένου θρεπτικού υλικού, η οποία εμβολιάζεται με αρχική καλλιέργεια μικροοργανισμών. Η καλλιέργεια συνεχίζεται μέχρι την παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος. Στην κλειστή καλλιέργεια οι φάσεις ανάπτυξης των μικροοργανισμών είναι η λανθάνουσα, η εκθετική, η στατική και η φάση θανάτου (Εικόνα 7.4).

Κατά τη λανθάνουσα φάση ο πληθυσμός των μικροοργανισμών που προέρχεται από την αρχική καλλιέργεια

Εικόνα 7.3α

Εικόνα 7.3 α. Διαγραμματική απεικόνιση βιοαντιδραστήρα, όπου φαίνονται τα διάφορα τμήματά του, καθώς και οι συσκευές ελέγχου των συνθηκών ζύμωσης β. Φωτογραφία βιοαντιδραστήρα.

Η Βιοτεχνολογία με αριθμούς

Καλλιέργεια Escherichia coli σε υγρό θρεπτικό υλικό για 12 ώρες στους 37"C παράγει περίπου 109 βακτήρια ανά ml καλλιέργειας.

παραμένει σχεδόν σταθερός. Αυτό οφείλεται στο ότι οι μικροοργανισμοί χρειάζονται κάποιο χρονικό διάστημα για να προσαρμοστούν στις καινούργιες συνθήκες και να αρχίσουν να αναπτύσσονται. Στη συνέχεια, οι μικροοργανισμοί διαιρούνται με ταχύ ρυθμό, επειδή η καλλιέργεια πραγματοποιείται κάτω από άριστες συνθήκες θερμοκρασίας, pH, συγκέντρωσης Ο2 και στο υλικό καλλιέργειας υπάρχουν άφθονα θρεπτικά συστατικά. Αυτή η φάση ανάπτυξης ονομάζεται εκθετική, επειδή ο αριθμός των μικροοργανισμών αυξάνεται εκθετικά.Ακολουθεί η στατική φάση,

κεφάλαιο 7

Εικόνα 7.4

Εικόνα 7.4 Καμπύλη ανάπτυξης μικροοργανισμού σε κλειστή καλλιέργεια.

κατά την οποία ο πληθυσμός των βακτηρίων δεν αυξάνεται, λόγω εξάντλησης κάποιου θρεπτικού συστατικού ή λόγω συσσώρευσης τοξικών προϊόντων από το μεταβολισμό των μικροοργανισμών. Τέλος κατά τη φάση θανάτου ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται. Παρ' ότι η διαδοχή των φάσεων ανάπτυξης σε κάθε κλειστή καλλιέργεια είναι συγκεκριμένη, η διάρκεια κάθε φάσης διαφέρει ανάλογα με το είδος των μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί παράγουν χρήσιμα προϊόντα συνήθως κατά τη διάρκεια της εκθετικής και της στατικής φάσης ανάπτυξής τους.

Συνεχής καλλιέργεια: Σ' αυτό τον τύπο καλλιέργειας οι μικροοργανισμοί τροφοδοτούνται συνεχώς με θρεπτικά συστατικά. Ταυτόχρονα, απομακρύνονται από την καλλιέργεια κύτταρα και άχρηστα προϊόντα.

Η παραλαβή των προϊόντων ζύμωσης απαιτεί τη χρησιμοποίηση σειράς τεχνικών καθαρισμού

Τελική κατεργασία είναι η διεργασία καθαρισμού του προϊόντος που παραλαμβάνεται από το βιοαντιδραστήρα. Αρχικά, γίνεται διαχωρισμός των υγρών από τα στερεά συστατικά, στα οποία συμπεριλαμβάνονται και τα κύτταρα. Αυτό γίνεται συνήθως με διήθηση ή με φυγοκέντρηση. Το επιθυμητό προϊόν μπορεί να περιλαμβάνεται στα στερεά ή υγρά συστατικά, από όπου παραλαμβάνεται με τη χρήση κατάλληλων μεθόδων.

Τα προϊόντα της ζύμωσης μπορούν να αξιοποιηθούν μόνο όταν είναι απόλυτα καθαρά, δηλαδή όταν δεν έχουν προσμείξεις (Εικόνα 7.5).

Εικόνα 7.5

Εικόνα 7.5 Στάδια παραγωγής προϊόντων με τη χρήση μικροοργανισμών.

Η παραγωγή της πενικιλίνης αποτελεί σημαντικό σταθμό στην πορεία της Βιοτεχνολογίας

Η ανακάλυψη της πενικιλίνης το 1928 από τον Fleming είναι το σημείο αφετηρίας για την αντιμετώπιση μιας σειράς ασθενειών με τη χρήση αντιβιοτικών. Η πενικιλίνη, που άρχισε να χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα κατά τη διάρκεια του 2ου Παγκόσμιου Πολέμου, έχει σώσει εκατομμύρια ζωές προσφέροντας προστασία από σοβαρές ασθένειες όπως οι πνευμονικές λοιμώξεις, η βλεννόρροια και η σύφιλη.

Η παραγωγή της πενικιλίνης αποτελεί την πρώτη εφαρμογή μεθόδων Βιοτεχνολογίας με χρησιμοποίηση των μικροοργανισμών για παραγωγή και άλλων προϊόντων εκτός από τρόφιμα και ποτά.

Η πενικιλίνη είναι προϊόν μυκήτων του γένους Penicillium. Η παραγωγή της εξαρτάται από το στέλεχος του μύκητα που χρησιμοποιείται, από το θρεπτικό υλικό στο οποίο αναπτύσσεται και από τις συνθήκες καλλιέργειας. Στελέχη τα οποία έχουν επιλεγεί για την υψηλή απόδοσή τους καλλιεργούνται αρχικά στο εργαστήριο σε στερεό θρεπτικό υλικό. Στη συνέχεια, τα στελέχη αυτά χρησιμοποιούνται ως αρχική καλλιέργεια για ανάπτυξη σε βιοαντιδραστήρες. Το θρεπτικό υλικό περιέχει, εκτός των άλλων, και γλυκόζη ως πηγή άνθρακα. Στα αρχικά στάδια της καλλιέργειας (λανθάνουσα και εκθετική φάση), που διαρκούν 30-40 ώρες αυξάνεται η βιομάζα του μύκητα. Στη συνέχεια, προστίθεται γλυκόζη σε χαμηλή συγκέντρωση, σταματάει η ανάπτυξη του μύκητα (στατική φάση) και αρχίζει η παραγωγή της πενικιλίνης. Η καλλιέργεια διαρκεί έως και 15 ημέρες. Για την παραλαβή πενικιλίνης σε καθαρή μορφή χρησιμοποιούνται φυσικές και χημικές μέθοδοι.

Ταξίδι στο χρόνο

1957 Κατά τη διάρκεια μιας επιδημίας δυσεντερίας στην Ιαπωνία ανακαλύπτονται βακτήρια τα οποία παρουσιάζουν ανθεκτικότητα σε μια σειρά αντιβιοτικών. Λίγο αργότερα αποκαλύπτεται ότι η ανθεκτικότητα αυτή οφείλεται σε γονίδια που υπάρχουν στα πλασμίδια.
1970 Απομονώνεται η περιοριστική ένδονουκλεάση του DNA, EcoRI, δηλαδή ένα ένζυμο που υδρολύει (κόβει) το DNA σε συγκεκριμένα σημεία της νουκλεοτιδικής του αλληλουχίας.
1975 Η τεχνολογία των μονοκλωνικών αντισωμάτων κάνει την εμφάνισή της.
1976 Δημιουργείται στο San Fransisco της California η πρώτη ιδιωτική εταιρεία παραγωγής προϊόντων με χρήση τεχνικών ανασυνδυασμένου DNA.
1978 Επιτυγχάνεται η παραγωγή από βακτήρια ανασυνδυασμένης ανθρώπινης σωματοστατίνης, μιας πρωτείνης που ρυθμίζει τη δράση των αυξητικών ορμονών.
1980 Ψηφίζεται στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής νόμος ο οποίος επιτρέπει τη μεταφορά τεχνογνωσίας και τεχνολογίας από πανεπιστημιακά και ερευνητικά ιδρύματα σε εμπορικές εταιρείες.
1982 Δίνεται άδεια χρήσης ανασυνδυασμένης ανθρώπινης ινσουλίνης ως φάρμακου για διαβητικούς. Τον ίδιο χρόνο, το πρώτο γενετικά τροποποιημένο φυτό (μια ποικιλία καπνού) απελευθερώνεται στο φυσικό περιβάλλον.
1989 Ξεκινά το Πρόγραμμα Χαρτογράφησης του Ανθρώπινου Γονιδιώματος (HUGO, Human Genome Organization).
1990 Εφαρμόζεται πειραματικά η γονιδιακή θεραπεία σε ένα τετράχρονο κοριτσάκι το οποίο πάσχει από έλλειψη του γονιδίου της απαμινάσης της αδενοσίνης (ADA).
1995 Ολοκληρώνεται η αποκρυπτογράφηση της αλληλουχίας γονιδιώματος ενός βακτηρίου (Haemophilus influenzae).
1996 Ολοκληρώνεται η αποκρυπτογράφηση της αλληλουχίας του πρώτου ευκαρυωτικού γονιδιώματος (Saccharomyces cerevisae).
1997 Το Ινστιτούτο Roselin της Σκωτίας ανακοινώνει την κλωνοποίηση της προβατίνας Dolly.
1998 Ολοκληρώνεται η αποκρυπτογράφηση της αλληλουχίας του πρώτου γονιδιώματος πολυκύτταρου οργανισμού (Caenorhabditis elegans).
κεφάλαιο 7

Περίληψη

Η Βιοτεχνολογία αποτελεί συνδυασμό επιστήμης και τεχνολογίας με στόχο τη χρησιμοποίηση των ζωντανών οργανισμών για την παραγωγή σε ευρεία κλίμακα χρήσιμων προϊόντων. Στηρίζεται κυρίως σε τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA και καλλιέργειας μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες κατά τις οποίες υπάρχει μια σειρά κατάλληλων θρεπτικών συστατικών. Σε μια καλλιέργεια μεγάλης κλίμακας (βιομηχανική καλλιέργεια) χρησιμοποιούνται κατάλληλες συσκευές, που ονομάζονται βιοαντιδραστήρες.

Ζύμωση είναι η διαδικασία ανάπτυξης μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό κάτω από κατάλληλες συνθήκες. Τα προϊόντα της ζύμωσης είναι τα ίδια τα κύτταρα (βιομάζα) ή μερικά χρήσιμα προϊόντα τους όπως πρωτείνες και αντιβιοτικά. Τα προϊόντα λαμβάνονται ύστερα από τελική κατεργασία, δηλαδή από μια διεργασία καθαρισμού τους με βιοχημικές, κυρίως, τεχνικές.

Ερωτήσεις

1. Συμπληρώστε με τις κατάλληλες λέξεις τα κενά:
Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο διπλασιασμού είναι η διαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών, το .......................... το ...............................και η ............................. Σε μια μεγάλης κλίμακας καλλιέργεια μικροοργανισμών χρησιμοποιούνται κατάλληλες συσκευές, οι ............................... Προϊόντα της ζύμωσης είναι η ............................... ή τα .................. ................... Κατά τη λανθάνουσα φάση ο πληθυσμός των μικροοργανισμών παραμένει Η φάση κατά την οποία ο αριθμός των μικροοργανισμών αυξάνεται με ταχύ ρυθμό ονομάζεται ........................

σε βιοαντιδραστήρες. Η καμπύλη Α αφορά την ανάπτυξη του ζυμομύκητα Saccharomyces και την παραγωγή αιθανόλης, ενώ η καμπύλη Β την ανάπτυξη του μύκητα Penicillium και την παραγωγή πενικιλίνης,

  • Εξηγήστε τις αλλαγές στην ανάπτυξη του Saccharomyces για τα διαστήματα 0-2, 2-6, 8-10 και 12-14 ώρες.
  • Εντοπίστε τις φάσεις ανάπτυξης του μύκητα Saccharomyces σε σχέση με την παραγωγή αιθανόλης.
  • Εντοπίστε τις φάσεις ανάπτυξης του μύκητα Penicillium σε σχέση με την παραγωγή πενικιλίνης.

 

2. Για την παραλαβή ενός προϊόντος που εκκρίνεται από κύτταρα στρεπτομύκητα ακολουθούνται τα παρακάτω στάδια. Διαγράψτε εκείνα που δεν ισχύουν:

  • Διαχωρισμός και παραλαβή των κυττάρων του μύκητα,
  • Διαχωρισμός των υγρών από τα στερεά συστατικά,
  • Παραλαβή των υγρών συστατικών,
  • Παραλαβή των στερεών συστατικών,
  • Καθαρισμός του επιθυμητού προϊόντος.

3. Στις παρακάτω γραφικές παραστάσεις απεικονίζεται η ανάπτυξη δύο μικροοργανισμών, του Saccharomyces και του Penicillium, και η παραγωγή προϊόντων τους, όταν αυτοί καλλιεργηθούν

Εικόνα

4. Ποιες είναι οι συνθήκες που πρέπει να ελέγχονται για την ανάπτυξη μικροοργανισμών σε βιοαντιδραστήρες; Για ποιο λόγο είναι απαραίτητη η διασφάλιση συνθηκών ασηψίας;

5. Στον πίνακα Α υπάρχουν τα αποτελέσματα μετρήσεων του αριθμού βακτηρίων από καλλιέργεια μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό στους 30°C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα αυτά κατασκευάστε την καμπύλη μεταβολής του αριθμού των βακτηρίων σε συνάρτηση με το χρόνο. Εξηγήστε τους παράγοντες που επηρεάζουν το σχήμα της καμπύλης.

Πίνακας Α

Χρόνος (ώρες) Αριθμός βακτηρίων σε εκατομμύρια
0 9
1 10
2 11
5 18
10 400
12 550
15 550
20 550
30 550
35 225
45 30